現場總線在交流調速系統中的應用

孫　蓉, 呂淑平, 李　冰, 蘇　麗, 王春華

(1. 哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱　150001；2. 中國人民解放軍92956部隊, 遼寧 旅順　116041)

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現場總線在交流調速系統中的應用

孫蓉1, 呂淑平1, 李冰1, 蘇麗1, 王春華2

(1. 哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱150001；2. 中國人民解放軍92956部隊, 遼寧 旅順116041)

設計了一套基于西門子MM440的交流調速系統,通過PROFIBUS-DP現場總線,實現對調速系統的控制,使電機按照理想的狀態運行。首先使用STEP7對實驗設備進行組態編譯并進行地址的分配,然后運用軟件組態將控制字寫入變頻器MM440中,變頻器通過通信控制字來實現對電機的控制,再將硬件組態和軟件組態通過以太網下載到S7-300的CPU中,并運用監控軟件WinCC與S7-300進行通信,實現手控和遠程對電機的開、關、慢轉、快轉、正轉、反轉、快停、慢停的控制。

交流調速系統； 現場總線； 可編程序控制器(PLC)； 變頻器； WinCC

在早期,直流調速一直是控制系統的核心技術；矢量控制理論的出現,讓交流調速控制成為可能,并得到快速發展[1]。交流調速具有結構簡單、價格低廉、便于維護等優點,因此受到了人們的青睞。在交流調速控制中,變頻調速是主要的研究方向,變頻調速使控制系統的控制精度更高,動態效果更好。變頻調速主要有U/F控制方式和轉差率控制方式,除此之外還有降壓、改變極對數等調速方式[2]。為了能遠程控制交流電機的運行,本文研究了現場總線在交流調速控制系統中的應用問題,并給出了基于PROFIBUS-DP總線的變頻交流調速控制系統的硬件設計和軟件監控方案。交流調速控制系統作為從站,控制裝置作為主站,通過總線連接在一起,最后實現了控制裝置對電機的變頻調速功能。現場總線在交流調速系統中的數字通信功能和設備的互操作性等特點很好地解決了現場設備間的數字通信以及與高級控制系統之間的數據傳遞問題[3]?，F場總線在交流調速中的應用使得電機的響應速度更快,數據結果更具有可靠性[4-6]。

1　系統總體設計

本文主要是設計一套基于西門子MM440的交流調速控制裝置,通過組態和總線連接實現對電機的控制。設計的主要思路是:首先通過STEP7對S7-300的所有模塊進行硬件組態并下載至CPU中,確認沒有錯誤后再對變頻器進行組態并下載,通過設置控制狀態位后實現變頻器對電機的控制,并運用監控軟件與S7-300進行通信,用計算機來控制電機的開關、快慢和正反轉等。

調速系統總體流程如圖1所示。首先需要將PLC的狀態初始化,這里用到的是S7-300。S7-300與變頻器是通過PROFIBUS總線連接,用變頻器控制電機需要先將控制字寫入變頻器中[7]。變頻器寫入初始值時需要快速調試,將默認的出廠值設置成實際的初始值。通過變頻器使用手冊了解到,通過BOP面板或者通過接收從PROFIBUS總線傳輸的控制字等,都可以達到控制電機的效果。變頻器的控制字分別對應著電機的各種運行狀態,這樣就達到了PLC通過總線控制電機的目的。在控制的過程中若有錯誤信息，就會產生相應的報警提示[8-9]。

圖1　調速系統總體流程圖

在本設計中,需要進行硬件組態和軟件調試,最后實現監控。計算機與可編程控制器的通信可以通過以太網、MPI、網線等。本交流調速系統主要是在西門子技術示范實驗室開發的,根據基于PROFIBUS-DP的實驗型交流調速控制系統的結構圖搭建了如圖2所示的三級控制系統,其中在PROFIBUS總線上有IM151-1、EM277和MM440,在PROFINET上有IM151-3PN,除此之外還有S7-300、S7-200、ASI、SITOP、ET200、RS1e-X、和異步交流電機。

圖2　交流調速系統硬件結構圖

2　基于PROFIBUS-DP的硬件組態

2.1創建S7項目

打開SIMATIC MANAGER窗口界面,選擇選單中的“新建”命令來創建一個新的項目,在命名框中輸入項目的名稱“rrr”,單擊“確定”按鈕就完成了新項目的建立。也可以在打開STEP7時通過使用向導完成新項目的建立,打開STEP7時會自動彈出新建項目的選項,點擊“下一步”按鈕確認,進入CPU選擇窗口,選擇的CPU必須與實際的硬件型號相同。本設計采用的是CPU315-2PN/DP,設置MPI地址為2,名稱為“CPU315-2 PN/DP(1)”,點擊“Next”按鈕進入組織塊和編程語言選項框,勾選“OB1”主循環組織塊和“LAD”梯形圖編程語言,再進入向導的最后一步——項目名稱的填寫。本設計的項目名稱為“rrr”。需要注意的是,項目名稱的開頭必須為英文字母,最長由8個ASCII字符組成,如果超過了8個字符,系統會自動保存前8個字符。最后只要點擊“完成”按鈕則完成了新項目的建立,在新項目下已經建立了SIMATIC 300的工作站和MPI子網[10]。

2.2插入SIMATIC 300的站點

沒有使用“新建項目”向導的項目只有MPI子網而沒有SIMATIC 300的站點,因此需要插入一個站點。在“SIMATIC Manager”窗口中點擊“插入”→“站點”→“SIMATIC 300站點”,可以看到SIMATIC 300站點已經插入到該項目中。

2.3S7-300的硬件組態

打開SIMATIC 300站點,可以看到右邊有硬件的圖標生成,雙擊“硬件”按鈕進入硬件組態界面,然后在硬件組態界面的右邊配置目錄中插入SIMATIC 300的機架,如圖3所示。按照實驗設備上面的訂貨號和硬件次序依次組裝,將各個模塊插到機架上。

圖3　硬件組態窗口

2.4從站的硬件組態

(1) 變頻器MM440的組態。變頻器作為從站,通過PROFIBUS-DP總線與主站相連,PLC將控制字寫入變頻器中,控制字主要控制電機的運行狀態,在操作面板(BOP)上修改變頻器原有的默認出廠參數[11]。

(2) ET200S的組態。ET200S是模塊化的遠程I/O站,接在PROFINET總線上,在PROFINET子目錄下找到ET200S(315-2DP/PN),將315-2DP/PN插入總線上,在315-2DP/PN硬件目錄下配置各個模塊。

2.5編譯硬件組態

圖4為配置完成的系統硬件圖。當硬件組態完成后需要檢查是否出錯,點擊編譯按鈕對硬件的組態進行編譯,如果確定無誤后則進行相關軟件的組態,否則及時修改錯誤再進行下一步。

圖4　系統硬件圖

3　基于PROFIBUS-DP的軟件組態

程序主要在主程序OB1中編輯。在OB1中可以調用其他功能塊(FB)或者功能(FC)中的程序,可以用梯形圖、語句表或者功能塊圖對程序進行編輯。本次設計中用到的是梯形圖(LAD),它是編程語言中用到的最廣泛的一種。首先打開Blocks中的OB1程序塊,窗口左側為所有的程序元素窗口,用戶需要的程序都可以在里面查找。具體程序編輯是:

(1) 電機“開”指令:由變頻器的控制字定義可知,電機的開指令控制字是W#16#047F,常開觸點中將I8.0數字輸入操作定義為“開”,通過MOVE傳送指令將控制字傳送給變頻器的輸出地址264—265,將16位的轉速命令字傳送給變頻器的輸出地址266—267；

(2) 電機“關”指令:根據MM440的控制字可知,電機關的控制字為W#16#047E,同樣通過MOVE指令送給變頻器的輸出端口,轉速0也送到輸出端口,程序段2、3就完成了電機的開關控制；

(3) 電機“反向”指令:程序段4是電機的正轉和反轉指令,電機反轉指令的控制字為W#16#0C7F,轉速為2 000 r/min,當按下I8.2時電機反轉,否則正轉；

(4) 電機“慢停”和“快停”指令:電機慢停時的控制字為W#16#047C,快停時的控制字為W#16#047A,I8.3和I8.4分別控制著電機的“慢?！焙汀翱焱！辈僮鳎?/p>

(5) 電機“加速”和“減速”指令:在電機執行加速和減速前插入了程序段7和1,程序段7和1是在電機執行“開”動作時,通過MOVE指令將轉速500 r/min和2 000 r/min送入存儲器MW15和MW10中,2 000 r/min和500 r/min分別是電機轉速的最高和最低值。執行加速控制時,若轉速低于2 000 r/min則自動加速到2 000 r/min,這里采用的是“ADD_1”算術運算指令；當執行減速控制時,同樣若轉速高于500 r/min時,就會自動減速到500 r/min,這里采用的是“SUB_1”算術運算指令。

編輯完所有程序后,點擊編譯按鈕對軟件進行編譯并檢查錯誤,確認無誤后將系統的硬件和軟件都下載到S7-300的CPU中[12]。根據編程的設計方法達到控制電機的目的,最后實現電機的開、關，轉速快、慢，快速停止和慢速停止等功能。

4　系統測試

在進行完硬件和軟件調試后,就可以通過采用WinCC編譯的監控界面對整個系統進行測試了。在WinCC監控運行狀態時需要與S7-300建立通信連接,通過通信驅動程序實現WinCC與外部過程變量的通信并遠程監控,在通信時需要與外部硬件建立通信單元[13-14]。

具體的組態方法如下。

(1) 打開WinCC并建立一個項目,在項目中插入S7的連接,在變量管理下可以看到所建立的連接。

(2) 在WinCC項目管理器中創建過程變量。首先選擇通信方式,這里選擇的是PROFIBUS通信,同時在“PG/PC”中也要設置為PROFIBUS通信連接,在PROFIBUS條目下單擊鼠標右鍵創建新的變量。在創建新建變量時,系統會要求設置“數據類型”、“地址位”等主要變量屬性。屬性中“數據類型”選擇位操作,“地址”是在硬件配置時設置的相應操作地址,確定后修改變量的名稱即完成了變量的設置。依照此方法對電機的操作依次創建變量,分別是“開電機”、“關電機”、“加速”、“減速”、“快?！薄ⅰ奥！薄?/p>

(3) 創建操作監控畫面。在圖形編輯器界面，將所有的過程變量用圖形表示出來,每個變量都可以進行命名。雙擊對象進行屬性操作和事件操作,在事件操作中選擇源操作對象和目標操作對象。以“開電機”為例,在屬性對話框中選擇“鼠標”項目中的“按左鍵”操作,在事件中選擇源操作常數為“1”,目標操作為“開電機”。依次完成所有的變量屬性設置。圖形編輯和屬性窗口如圖5所示。另外在圖形編輯器中創建電機頻率監控界面,這樣就形成了一個基于PROFIBUS-DP的交流調速系統的監控界面。

圖5　圖形編輯和屬性設置

(4) 創建完過程變量后,點擊圖形編輯器中右上方的三角圖標運行程序,通過監控界面和操作圖標即可實現操作和監控。在操作“加速”和“減速”控制按鈕后,可以看到頻率在監控界面上的變化,這與變頻器上

顯示的相同,它表示的是電機此時的轉速,2000 r/min對應的是25 Hz頻率。監控界面如圖6所示。

圖6　監控界面

5　結語

通過以太網實現了計算機與S7-300的通信,將STEP7中的硬件配置和軟件程序下載到CPU中,通過更改總線的站點地址實現主站與從站的通信。這里主要是實現與MM440的通信。通過變頻器的控制字來控制電機的運行,實驗結果展現了PROFIBUS-DP總線在交流調速控制系統中的應用,實現了遠程設備與控制裝置的通信,所創建的WinCC監控界面可以實現對電機運行狀態的監控。

References)

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Application of field bus in AC speed control system

Sun Rong1, Lü Shuping1, Li Bing1, Su Li1, Wang Chunhua2

(1.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.The 92956 Unit of PLA,Lüshun 116041,China)

The main object is the application of field bus in AC speed control system. This paper develops an AC speed control system device which is based on Siemens MM440 and PROFIBUS-DP field bus, to achieve the speed control system and make the motor operate according to the ideal state, and accept the operational status and fault status that feeds back. This design is to realize the remote control system for AC variable speed device based on the PROFIBUS-DP field bus. Firstly, STEP 7 is used to configure the experimental device and distributed address. Then, the control word is written in the inverter MM440 by the use of software configuration, the frequency converter can drive through the control word to achieve the motor control, the hardware configuration and software configuration are downloaded to the S7-300 CPU via Ethernet, which realizes many functions, such as manual control and remote control. Finally, the system achieves several functions including the motor on, off, slow turn, fast forward, forward, reverse, fast stop and slow stop.

AC speed control system; field bus; PLC; frequency converter; WinCC

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.036

2015- 09- 06

黑龍江省高等教育學會高等教育科學研究“十二五”規劃課題(HGJXHC110370)；黑龍江省教育教學改革項目(JG2013010203)；黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2012010147)；哈爾濱工程大學教育教學改革研究項目(JG2013YB20,SYJG20140402,SYJG20140404)

孫蓉(1978—),女,山東肥城,博士,副教授,研究方向為控制理論與控制工程.

E-mail：sunrong@hrbeu.edu.cn

TM344.4; TM921.51

A

1002-4956(2016)4- 0131- 04

計算機技術應用