摘要：本文引入基于西門子Profibus現(xiàn)場總線的多電機交流控制系統(tǒng)，它結(jié)合了目前最主流的現(xiàn)場總線技術(shù)，并考慮了實際應(yīng)用的便利性，從總線引入、硬件組構(gòu)、軟件原理三方面出發(fā)詳細(xì)闡述了該多電機交流控制系統(tǒng)的主要特點。

關(guān)鍵詞：PID；現(xiàn)場總線；交流電機

前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，多電機交流控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于造紙、化工、鋼鐵、食品等工業(yè)領(lǐng)域，而且形成了各自獨特的變頻器控制系統(tǒng)。在實際運行中，這樣的控制系統(tǒng)具有可靠性強、抗干擾率高，但相應(yīng)的維護(hù)費用卻隨著時日的推移而越來越高。比如，某類型的變頻器采用其獨特的通訊協(xié)議和通訊接口，一旦通訊故障所造成的通訊接口板燒毀將直接導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，除非購買該型號的通訊接口；同樣如果該變頻器由于燒毀，亦需要購買同型號的變頻器；另外，系統(tǒng)要升級換代，必須全面更換所有變頻器。如此一來，采購費用巨大、備品庫存積壓等現(xiàn)象將不可避免地存在。

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，各種生產(chǎn)輸送線的長度和輸送功率不斷增加。當(dāng)輸送線長度增加到一定程度時，采用單電機驅(qū)動就難以滿足生產(chǎn)的要求，必須采用多電機同步驅(qū)動方式。在多電機同步驅(qū)動系統(tǒng)中，特別是各傳動電機之間存在一定物理連接的系統(tǒng)中，實踐證明，通過反饋調(diào)節(jié)改變控制量，能使控制電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)。但在多電機同步調(diào)速系統(tǒng)中，由于各同步電機之間存在嚴(yán)重的耦合作用，某一傳動電機轉(zhuǎn)速的偏離往往與傳輸線上其它電機的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，這時若按常規(guī)負(fù)反饋方法對這一電機施加調(diào)節(jié)，將可能導(dǎo)致該電機的轉(zhuǎn)速偏離更加嚴(yán)重，最后造成整個傳動系統(tǒng)不能正常工作。因而對多電機同步驅(qū)動系統(tǒng)，如何實現(xiàn)傳動電機的高精度速度同步調(diào)速控制，是一個急待解決的實際工程問題。

1.現(xiàn)場總線Profibus

現(xiàn)場總線Profibus，即Processfieldbus，它自1984年開始研制現(xiàn)場總線產(chǎn)品，經(jīng)過十多年的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，Profibus已成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)。目前PNO（Profibus用戶組織）已擁有600多個成員，生產(chǎn)近千種產(chǎn)品。Profibus產(chǎn)品在歐洲市場占有率大于40％，廣泛應(yīng)用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。

Profibus以ISO7498為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（OSI，Opensysteminterconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性，總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。Profibus-DP,Profibus-PA和Profibus-FMS構(gòu)成了Profibus家族。其中Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）是一種高速和便宜的通信連接，它專門設(shè)計為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進(jìn)行通信使用。使用Profibus-DP模塊可取代24伏或4～20毫安的串聯(lián)式信號傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供的用戶接口，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變得簡單方便，傳輸可使用RS－485傳輸技術(shù)或光纖媒體。本文介紹的就是DP部分。

標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線ProfibusDP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等三部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸，且在沒有提供外部請求時發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線；從設(shè)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備，且未被授權(quán)訪問總線；網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器，前者如屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò)、用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò)、或是基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò)，后者如RS485總線連接器、RS485總線終端、RS485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

在多電機交流控制系統(tǒng)中，存在著電機控制點、各交流變頻器分布線長而且分散的特點，采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以在控制室內(nèi)和現(xiàn)場操作臺各裝設(shè)分布式I/O模塊，聯(lián)成總線網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字方式來進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，這樣一來，控制系統(tǒng)將具有更佳的抗干擾能力，所提供給變頻器的參考值亦比較精確。

2.多電機交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)

圖1是多電機交流控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)絡(luò)圖。由圖中可知，現(xiàn)場總線Profibus的主設(shè)備采用了西門子可編程控制器PLCS5，通過IM308接口模塊再與Profibus總線聯(lián)絡(luò)。做為主設(shè)備，PLCS5負(fù)責(zé)讀取懸掛在總線上的所有分布式I/O模塊的變頻器狀態(tài)字（包括數(shù)字量和模擬量），同時進(jìn)行變頻器控制字（包括數(shù)字量和模擬量）的傳送。從設(shè)備為分布式輸入輸出模塊ET200，每一個ET200從站可以掛接最大至32個的數(shù)字量或模擬量輸入輸出卡（如DI、DO、AI、AO等），并通過對于ET200從站接口卡IM318進(jìn)行地址DIP設(shè)置后即可確認(rèn)該掛接的I/O卡的地址值。圖2為多機電交流控制系統(tǒng)的現(xiàn)場圖。

圖1多電機交流控制系統(tǒng)硬件聯(lián)絡(luò)圖

圖2為多機電交流控制系統(tǒng)的現(xiàn)場圖

由于ET200從站的遠(yuǎn)程分布特性，因此在變頻器較為集中的地方進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的從站，并對相關(guān)聯(lián)的變頻器進(jìn)行點對點的連接，具體接線方式如圖1所示。所有的變頻器都有I/O接口，包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。其中數(shù)字量輸入有正向啟動、反向啟動、外部故障（如電機溫升等）、點動、使能、設(shè)定頻率啟動等，數(shù)字量輸出包括變頻器運行信號、故障信號、運行頻率區(qū)間信號、報警信號等；模擬量輸入輸出必須先進(jìn)行U/I方式的設(shè)定，以確認(rèn)4～20mA信號抑或0～10V信號，其中模擬量輸入主要為設(shè)定速度或頻率的參考值，模擬量輸出為電流實際值、速度實際值、頻率實際值、DC回路電壓值等。

多電機交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)相對簡單，以可編程控制器為中心，通過Profibus總線依次連接了相關(guān)聯(lián)的ET200從站組，并通過各從站組連接相應(yīng)的變頻器組。其中總線采用電氣雙絞線路，布線明了；從ET200從站到關(guān)聯(lián)變頻器組采用較短的控制線路連接即可。此傳輸數(shù)據(jù)方式以串行的數(shù)字方式為主、只有在到達(dá)變頻器時才又采用部分模擬信號，因此絲毫不影響傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和抗擾性。

3.多電機交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1多電機交流控制系統(tǒng)的軟件流程

基于現(xiàn)場總線的多電機交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括以下幾點，如圖3所示：

1）PLCIM308接口模塊的初始化：在現(xiàn)場總線啟動前，必須先配置Profibus總線，并分配各個總線站的參數(shù)（總線上的傳輸速率、總線的標(biāo)準(zhǔn)（一般為DP-Standard）、設(shè)定故障模式（包括診斷設(shè)置和診斷地址等）。

2）讀取1＃變頻器的狀態(tài)字和實際值：通過連接在變頻器端的ET200從站的I/O端子，通過對遠(yuǎn)程I/O的操作，讀取變頻器的狀態(tài)字（數(shù)字量）和實際值（模擬量）。

3）判斷變頻器是否處于故障，如故障則報警存檔，否則根據(jù)系統(tǒng)的要求輸出模擬量值到連接1＃變頻器端ET200從站的I/O端子，包括控制字和設(shè)定值。

4）重復(fù)2、3步驟，依次對2＃、3＃、4?！璑＃變頻器進(jìn)行讀寫操作。

3.2多電機交流控制系統(tǒng)的邏輯控制原理

邏輯控制是指變頻器與其它外部控制信號間實現(xiàn)對特定設(shè)備的開啟和運行進(jìn)行邏輯互鎖。比如在紙廠對供料泵進(jìn)行變頻控制時，改供料泵開啟的必要條件有：（1）閥門打開到位；（2）料罐液位正常；（3）供料泵密封水正常。如果此3條件缺少任何一個，將不能開啟該設(shè)備。而該供料泵持續(xù)運行的條件，除以上3個條件，尚需增加管路流量、壓力正常這一條件，否則將自動停止供料泵的運行。

邏輯控制的目的是為了保護(hù)人身安全、保證設(shè)備正常和穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量，因此在多電機交流控制中對其進(jìn)行邏輯互鎖的保護(hù)是必不可少的一步。

3.3變頻器的閉環(huán)控制原理

通常情況下，變頻器以開環(huán)方式運行，但對于較高的生產(chǎn)要求時，尤其在多電機交流傳動控制中，變頻器必須在閉環(huán)控制下才能達(dá)成生產(chǎn)所需的目標(biāo)。比如膠片機、冷軋機、造紙機等連續(xù)性生產(chǎn)線，閉環(huán)控制尤其重要。

在圖3中，變頻器是以閉環(huán)控制進(jìn)行工作。其中電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制直接由變頻器內(nèi)部完成，未在本圖中注明。圖中描述的是速度控制閉環(huán)，從模擬輸入信號（按照各變頻器的說明書來決定是電流或電壓信號，并且需設(shè)置好相應(yīng)的DIP開關(guān)和參數(shù)），通過最高和最低頻率的限定，即與從速度傳感器反饋回來經(jīng)過濾的信號相比后，進(jìn)入PID控制（PID的參數(shù)可在變頻器參數(shù)中整定），再通過斜率發(fā)生器（包括RAMPONTIME/RAMPDOWNTIME）后，直接進(jìn)入電流環(huán)控制電機的輸出。如此就構(gòu)成了變頻器的閉環(huán)控制。

圖3多電機交流控制系統(tǒng)的軟件流程

4.結(jié)束

通過對本系統(tǒng)的建構(gòu)，能廣泛應(yīng)用于小型漿紙廠、粉末加工廠、樓宇風(fēng)泵控制等領(lǐng)域。由于它通過一種開放式、具有IEC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線Profibus系統(tǒng)進(jìn)行組構(gòu)，因此具有（1）低柔性的修改和擴展功能；（2）實現(xiàn)分布式控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高控制精度；（3）降低系統(tǒng)的不可靠性，增強可維護(hù)的功能。