基于PROFIBUS-DP總線的變頻器控制系統

現場總線是一種計算機網絡，這個網絡上的每一個節點就是一個智能化設備。現場總線由網絡通信、功能模塊、對象字典和設備描述、網絡管理、系統管理等部分組成。現場總線技術是3C技術(computer, control, communication),是從控制層發展到工藝設備現場的技術結果。

1 現場總線PROFIBUS的引入

PROFIBUS以IS07498為基礎，以開放式系統互聯網絡OSI(open system interconnection昨為參考模型，定義了物理傳輸特性、總線存取協議和應用功能。PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery), PROFIBUS-P A(ProcessAutomation), PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecification)構成了PROFIBUS家族。其中PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通信連接，使用了第1層第2層和用戶接口，第3一7層未加以描述，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效。它是專門為自動控制系統和設備分散的vO之間進行的通信而設計的。使用PROFIBUS一DP模塊可取代24V或4 ---2(hnA的串聯式信號傳輸，減少投資成本。直接數據鏈路映像(DDLM)提供的用戶接a，使得對數據鏈路層的存取變得簡單方便，傳輸可使用RS一485傳輸技術或光纖媒體。

PROFIBUS-DP現場總線的硬件由主設備、從設備、網絡網路等三部分組成。其中主設備用以控制總線上的數據傳輸，且在沒有提供外部請求時發送信息和被授權可訪問總線，從設備是相對于主設備而言較為簡單的外部設備，且未被授權訪問總線;網絡網路如傳輸介質和網絡鏈接器，前者用屏蔽雙絞電纜構成電氣網絡，用塑料或玻璃纖維光纜構成的光纖網絡，或是基于兩種媒介之間由。LM轉換的混合網絡;后者如RS-485總線連接器、RS-485總線終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

在很多工業自動控制系統中，存在著多控制點且各交流變頻分布線長和分散的特點，采用現場總線技術可以把控制室內和現場操作臺所裝備的分布式I10模塊聯成總線網絡，以數字方式來進行控制數據的串行傳輸，控制系統將具有更佳的抗干擾能力，提供給變頻器的參考值也比較精確。

2 PROFIBUS-DP的變頻器控制系統結構

現以SIMENS公司的相關產品為例介紹現場總線系統的組成。作為PROFIBUS-DP網的典型配置如附圖所示，PLC(SIMATIC S7-300或S7-400系列)做為一級DP站，通過通信模塊再與PROFIBUS總線聯絡，作為主設備，它負責讀取懸掛在總線上的所有分布式I/O模塊的變頻器狀態字(包括數字量和模擬量)，同時進行變頻器控制字(包括數字量和模擬量)的傳送。組態軟件WinCC做為二級DP主站，用于系統操作和監視等e MM440變頻器加上CB通信板(PROFIBUS通信模塊)后做為從站，可帶這樣的從站32個，如果加上中繼器，最多可達125個從站，MM440是MICROMASTER4系列變頻器中的頂尖機型，而且有更加精確的控制功能，適應多種應用場合，除了包含MM420所具有的安裝簡便和用戶友好的優勢外，它還具有快速的輸人響應、優化的矢量控制等特點。另外內置制動單元，使變頻器在制動和減速方面，具有優良的功能品質。正因為所有的變頻器都有I/O接口，包括數字量、模擬量，其中數字量輸人有正向啟動、反向啟動、外接故障(如設備溫升等)、點動、使能，設定音頻啟動等，數字量輸出包括變頻器運行信號、故障信號、運行頻率區間信號、報警信號等。模擬量輸人/輸出必須進行UII方式的設定，以確認4-20mA信號或0-10V信號，其中模擬量輸人主要為設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，又因數據傳輸方式以串行的數字方式為主，只有在到達變頻器時才又采用部分模擬信號.所以絲毫不影響傳輸數據的可靠性和抗干擾性。

在變頻器現場總線控制系統中，PROFIBUS一DP的通信協議的信息幀分為協議頭、用戶數據和協議尾。用戶數據結構被指定為參數過程數據對象((PPO)，有的用戶數據帶有參數區域和過程數據區域，而有的用戶數據僅由過程數據組成。變頻傳動定義了5種PPO類型，MICROMASTER4僅支持PPO型1和型30參數值PKW是變頻器運行要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加/減速時間等，過程數據PZD用傳輸控制字和設定值(主一變頻器)或狀態字和實際值〔變頻器一主)等輸人l出的數據值。

MICROMASTER4系列變頻器與SIMATIC S7-300通信，必須完成下列變頻器功能碼的設置:P918(PROFIBUS地址)，設定值可以是1一125, PI000(頻率設定值的選擇)=6(CB通信板)，P2041.00(CB參數)=3(PP03), P2040(CB停止報文時間)>0, P927(修改參數的途徑)=1(COMMS摸板)，P700(選擇命令源)=b(PROFIBUSIFieldbus通信鏈路現場總線)。

工業組態軟件WinCC提供各種PLC的驅動程序，本文實例要建一個PROFIBUS一DP的二級主站，所以選擇支持S7協議的通信驅動程序SIIvIATIC S7 Protocol Suite，在其中的“PROFIBUS”下連接一臺57一300 PLC，設置參數時必須與PLC中的設置相同。在編程軟件STEP?中完成硬件網絡組態，為變頻器分配網絡地址，該地址必須與變頻器CB板中設置相同，在組織塊OB中選用SFC 14 "DPRD DAT" ,SFCIS "DPWR DAT"系統功能塊向變頻器的CB模塊接收/發送過程數據。

4 控制系統的軟件設計

組態監控軟件

該系統監控軟件主要采用了SIMEIVS公司的WinCC5.0組態軟件，WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術中性系統，它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊，高性能的過程禍合、快速的畫面更新以及可靠的數據，使其具有高度的實用性，它使用在Windows NT, Windows2fl00系統平臺上。該系統軟件具有生產的控制與操作、數據統計和記錄功能、超限值及開關動作報警和友好的人機界面及各種圖表顯示、圖形曲線報表顯示與打印的功能。

通信控制軟件

(1)PLC通信接b模塊的初始化:在現場總線啟動前，必須先配置PROFIBUS總線，并分配各個總線站的參數(總線上的傳輸速率，總線的標準(一般為DP-Standard)、設定故障模式(包括診斷設置和診斷地址等)。

(2)讀取1#變頻器的狀態字和實際值:通過連接在變頻器端從站的vo端子，通過對遠程uo的操作，讀取變頻器的狀態字(數字量)和實際值〔模擬量)。

(3)判斷變頻器是否處于故障，如故障報警存檔否則根據系統的要求輸出模擬量值到連接1#變頻器端的從站IIO端子，包括控制字和設定值。

(4)重復(2),(3)步驟，依次對2#、3#、4#....n#變頻器進行讀寫操作。

現場總線技術(FCS)作為新一代控制系統，是分散控制型控制系統的繼承、延伸和進一步發展，更適合工廠綜合自動化的要求。采用PROFIBUS-DP現場總線的變頻器控制系統，將增強整個系統的可靠性、可維護性，使它具有低柔性的修改和擴展功能。實現了分布式控制，提高了系統的響應速度、控制精度。西門子變頻器現場總線控制系統已成功應用于造紙、加工制造、煉鋼、水處理等多個項目中。