基于S7—300與Profibus—DP現場總線的多電機張力控制系統的設計

【摘要】本文介紹了某鋼帶廠大型鋼帶軋制機的控制系統，該系統由S7-300PLC、MM440變頻器、異步電動機、Wincc監控軟件等組成。S7-300PLC通過Profibus-DP現場總線來控制兩臺MM440變頻器以及現場執行設備，MM440變頻器分別驅動兩臺異步電動機，一臺電動機驅動主動輪，另一臺電動機控制從動輪。通過控制兩臺電動機之間的速度差，達到張力控制的目的，兩臺電動機分別實現智能模糊PI調節控制，從而有實現速度的無差控制。自安裝調試成功以來，系統運行良好、性能可靠，極大地提高了勞動生產率。

【關鍵詞】S7-300PLC；張力；Profibus-DP總線；Wincc

1.引言

近來，由于交流調速系統的發展，交流調速已被廣泛應用鋼鐵生產領域，鋼帶卷繞系統的張力與速度控制是最有挑戰性的控制環節。在卷繞機上，鋼帶張力的控制好壞是關系到產品的質量，鋼帶的卷繞速度是關系到生產效率，其中對張力的控制要求更高。本文作者受某鋼帶廠家委托，采用了西門子公司生產的MM440變頻器、S7-300PLC開發了一套新的基于PROFIBUS-DP現場總線的多電機張力控制系統，并配備了西門子Wincc監控軟件，提供了良好的人機界面。系統具有實時性強，運行和維護成本低，生產效率高的特點。

2.機械系統模型

圖1顯示了交流異步電機采用適量控制時的張力控制框圖。為了能夠控制卷繞系統上鋼帶的速度與張力，具體的控制方法是不僅控制一臺電機的轉速同時控制另一臺的電機的相反轉矩。電機1為從電動機執行張力控制，電動機2為主電動機執行系統的速度控制。不計轉輥與皮帶之間的粘磨系數和滑磨力，兩電機與轉輥間的齒輪比是15：1，卷繞系統的數學模型為（1）（2）和（3）所示。

3.Profibus-DP總線控制網絡構成

根據鋼帶軋扎機的工藝流程和控制要求，我們采用了PROFIBUS-DP解決方案。在Profibus-DP總線控制系統中，選一臺裝有Wincc6.0監控軟件的碩華工控公司生產的工業計算機（CPU為Pentium II 550MHz）作為第二類主站， 一臺S7-CPU315-2DP的PLC作為系統的第一類主站。兩臺MM440變頻器通過CB15接口連到Profibus-DP總線上，作為從站。第二類主站主要完成對系統底層設備變頻器的遠程診斷、故障報警及參數化等，第一類主站主要實現智能模糊控制算法的實現，從而控制MM440變頻器的運行和Profibus-DP總線網絡的管理。系統的總體控制結構圖，如圖4所示。

4.系統的通訊設計

MM440系列變頻器都集成有兩種標準的串口RS-485和RS-232，但是這種串口通信速度相對較慢，實時性差。因此我們加了Profibus-DP接口卡。Profibus-DP是目前最成功的現場總線之一，得到了廣泛的應用。DP主站通過不斷給DP從站發請求報文（含有控制和設置信息），DP從站接受報文，解析地址并與自己的站地址進行比較，如果是發給自己的信息，則在規定的時間內發響應報文（含有狀態信息等）。在這過程MM440變頻器還監控通訊，如果通訊失敗，MM440變頻器將觸發一個過時響應，通知主站重發信息。圖5為Profibus-DP通過FDL發送的用戶數據原理主成塊結構[2]，其中“DATA-UNIT”為用戶根據不同的傳動設備的行規而設置的用戶數。圖6為Profibus-DP報文基本的通訊模式。

Profibus-DP行規對用戶數據（DATA-UNIT）的定義做了具體說明，利用行規可使不同廠商所生產的不同零部件互換使用。這里采用了變速傳動行規：此行規規定了傳動設備如何參數化以及如何傳送設定值和實際值。此行規包括對速度控制和定位的必要的規格參數，規定基本的傳動功能而又為特殊應用擴展和進一步發展留有余地。根據變速傳動行規，這里的用戶數據結構被指定為參數過程數據對象（PPO），如圖7所示[2]。

圖7中參數PWK和過程數據PZD的具體含義：

PWK：對于任務報文，為設置變頻器的參數區；對于該控制區的數據為可選，使用數據包的短格式可以沒有此項數據，本論文中采用了短格式故沒用此項數據。

PZD：本論文中，采用4字節的過程數據。從主站（S7-300PLC）到從站（變頻器）時，PZD一般為兩字節的控制字（STW）和兩字節的主設定值（HSW）；由從站（變頻器）到主站（S7-300PLC）時，PZD一般的構成為兩字節的狀態字（ZSW）和兩字節的主實際值（HIW）。控制字和狀態字的具體構成如圖8和圖9所示， HSW為主站發送到從站的設定頻率值，HIW為從站的輸出實際頻率值。

5.系統軟件設計

系統的軟件設計主要內容是通過S7-300PLC實現張力的智能模糊PID控制。S7-300PLC編程語言為STEP7，是西門子公司開發用于S7-300/400PLC的編程語言。Step7的程序是由各種功能模塊構成的，正是由于這些功能模塊的編程特點，使得在Step7的程序設計中方法更靈活[4、5]。圖10所示為控制程序的塊調用的分層結構圖。

圖11所示為控制程序的主控制框圖。其中上電程序初始化在OB100中實現，具體的程序執行過程如圖12所示。當操作系統檢測到異步故障時，就會調用OB80-OB87中的故障處理程序。主程序循環OB1中我們放了一些NOP指令，程序的主體部分放在每100ms發生一次中斷的OB35中實現，如圖13所示，OB35中的中斷服務子程序。

在張力控制回路中智能模糊PID控制器的實現，可按照在速度控制回路中的方式來編程完成。模糊邏輯解耦補償器的編程實現相對比較簡單，只要查詢一維表即可。

6.結束語

本系統成功的開發了一套基于Profibus-DP現場總線的鋼帶軋扎機控制系統。現場執行設備和主控PLC通過總線通訊，使系統實時性強，提高了系統可靠性。西門子Wincc監控軟件可以方便的顯示系統運行狀態，設置參數和操作。系統自安裝以來運行良好，鋼帶軋扎質量和產量多大幅提高，產生較大的經濟效益。

參考文獻

[1]邵裕森.過程控制系統及儀表[M].機械工業出版社， 1994，5.

[2]陽憲惠主編.現場總線技術及其應用[M].清化大學出版社，2004，5.

[3]Ladder Logic（LAD ）for S7-300 and S7-400 programming.SIEMENS AG.1998.

[4]System Software for S7-300 and S7-400 System and Standard Functions Reference Manual.SIEMENS AG.1998.

作者簡介：時振偉（1979—），男，江蘇無錫人，工學碩士，講師，現供職于無錫機電高等職業技術學校，主要研究方向：電力電子技術應用，風電技術與微網。