基于Profibus的高水頭水利機械試驗臺控制系統的設計

　　1 控制系統的構成

　　高水頭試驗臺是由兩臺最大功率為550kW、轉速范圍為250～1100r/min的水泵電機將管道中的水流加速到用戶所需要的水頭米數,并保持水頭平穩運行。由測功機監測轉輪的各項參數,測功機的電機功率為500kW,轉速介于300～2300r/min之間,A、B工位各一臺測功機。高水頭水利機械試驗臺原理如圖1所示。系統要求電機控制精度小于0.5%,平均無故障時間MTTF大于5000小時。在經過大量的調研后,選用了ABB公司生產的DCS500直流調速系統。DCS500可以通過兩種方式接收控制命令,其一為接收4～20mA信號以滿足轉速要求;其二為增加Profibus-DP模塊,以數字方式接收滿足速度要求。第一種方式控制簡單,價格便宜,但電流傳輸中會受到干擾,影響控制精度;第二種方式雖價格較貴,但可以保證傳輸過程中數據的準確性,保證了控制精度。故而,系統采用了四臺DCS500,分別用來控制兩臺測功機、兩臺水泵電機。四臺設備作為Profibus-DP從站與主站PLC按主—從方式通訊,PLC控制測功機、水泵電機的啟/停,將電機運行轉速通過Profibus-DP傳到DCS500,并從DCS500獲得電機運行狀態及參數,通過Profibus-FMS傳到上位IPC,實現實時監控。

　　PLC選擇NAiS歐洲公司生產的AFP37911模塊作為主站,該模塊同時支持FMS和DP協議。該模塊既是FMS主站,與IPC及數據采集系統實現主—主方式通訊;又是DP主站,與DCS500實現主—從方式通訊。

　　數據采集系統采用VXI總線技術采集測功機的各項參數通過大屏幕顯示,并將檢測結果形成表格和圖形輸出(此部分由其他公司完成)。IPC通過FMS與數采系統相連完成通訊。整個系統構成如圖2所示。

　　1.1 現場總線Profibus

　　Profibus是由SIEMENS、ABB、AEC等13家公司和5家科研機構在聯合開發的項目中制定的標準,已列入歐洲標準EN50170,是我國推薦使用的工業現場總線標準之一。具體包括以下幾種形式：

　　· Profibus-FMS解決車間級通用性通信任務提供大量的通信服務完成中等傳輸速度的循環和非循環通信任務。NAiS的Profibus模塊支持的最高通信速率為1.2Mbps,不支持循環通信模式與其他FMS主站只能采用MMA非循環數據傳輸主主連接　通信并且該模塊與ABB公司的Profibus-FMS不能兼容所以在方案設計時不能只用一種形式的Profibus。

　　· Profibus-DP經過優化的高速、廉價的通信連接,專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信所設計。因DP、FMS采用相同的通信協議,故可以在同一網段內共存。NAiS與ABB之間采用MSAZ非循環數據傳輸主從連接從站不主動　方式通信。

　　· Profibus-PA專為過程自動化設計的標準的本質安全的傳輸技術實現了IEC1158-2中規定的通信規程用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。

　　本系統采用的傳輸介質為銅質屏蔽雙絞線通信協議為RS485通信速率為500kbps。工業現場總線的應用為系統的安全性、可靠性提供了保障。

　　1.2 IPC工業控制計算機

　　上位工業控制計算機采用臺灣的ADVANTECH工控機運行Windows NT4.0 workstation操作系統采用SIEMENS公司的WinCC工業組態軟件大屏幕顯示系統的運行工況、報警信息,以圖形方式表示管路流通及阻塞狀況。所有數據由PLC經Profibus傳輸而來。IPC內部配置一塊由德國Softing公司出品的Profiboard 網絡卡,該卡專為Profibus而設計。通過Softing提供的配置軟件,可以完成組網、建立網絡通信關系CR(Communication Relation),建立對象字典OD(Object Dictionary)。WinCC為SIEMENS公司生產,它只支持與該公司S5/S7 PLC直接連接,與其他PLC只能通過Windows提供的DDE技術實現通信。Softing公司提供了DDE Server軟件,實現了與WinCC的Profibus通信。

　　1.3 PLC

　　PLC選用NAiS公司的FP10SH。

　　2 控制系統功能

　　控制系統除了控制兩臺水泵電機、兩臺測功機以外,還需要控制28個電動閥、4臺砝碼電機、8臺油泵電機、3臺真空泵電機、4臺排油泵電機、2臺潤滑電磁閥,通過閥門的開關控制水的流向與流量來滿足用戶的試驗要求。

　　2.1 定水頭

　　調節水泵轉速使其穩定在某一數值,此時水頭一定;調整測功機轉速為某一數值,工況穩定2～4分鐘后,采集有關數據。試驗過程中,要求保持水頭不變。在水泵電機安放碼盤采集電機轉速,使DCS500構成閉環控制。水泵轉速由IPC鍵盤輸入。

　　2.2 定轉速

　　調節測功機轉速,使其穩定在某一數值,此時測功機轉速一定;調整水泵轉速為某一數值(即調整水頭),工況穩定2～4分鐘后,采集有關數據。DCS500對測功機轉速構成閉環,穩定測功機轉速。

　　2.3 飛逸試驗

　　調節測功機轉速為某一數值,保持測功機轉速不變調節水泵轉速,使測功機輸出力矩近似為零(該工況下,測功機時作發電運行,時作電動運行),采集有關數據。試驗過程中要求水泵電機轉速不變,由DCS500調節。

　　2.4 流量校準

　　系統設有兩個流量校正罐,用于標定系統中的流量計。校準前先確定所標流量值,然后啟動水泵電機,并不斷調節水泵電機的轉速,此時注意觀察流量值,當流量值達到所需要的數值時,使水泵電機穩定在當前的轉速(此時水在標定管路中循環)。設定好折向器切換時間,待工況穩定后,接通電磁閥,計時開始,同時把管路中的水切換到校正罐中。計時時間到,電磁閥斷開,此時水又切換到標定管路中,下調水泵電機轉速,穩定在某一轉速,讀取有關數據。然后把水排掉,再標定下一點。

　　2.5 手動/自動無擾切換

　　為使系統檢修和調試方便,系統設計了專用手動鍵盤,操作人員通過鍵盤可以單獨控制某個閥門的動作,不受互鎖的約束。系統采用NAiS Remote I/O模塊,可以使鍵盤在異地操作。手動/自動切換時,閥門狀態保持不變。

　　系統采用PLC作為主控制器,簡化了系統,保證了系統的高可靠性和易維護性;Profibus實現完全的數據傳輸,避免了電磁干擾,使系統達到了設計的精度要求;實現了不同設備之間的數據共享;Profibus的靈活性為系統的擴展提供了方便條件。以工業現場總線為核心的系統設計方案將成為工業界應用的主流。