现场总线Profibus在多电机交流控制系统中的应用

1前言

随着现代工业的高速发展，多电机交流控制系统已经被广泛地应用于造纸、化工、钢铁、食品等工业领域，而且形成了各自独特的变频器控制系统。在实际运行中，这样的控制系统具有可靠性强、抗干扰率高，但相应的维护费用却随着时日的推移而越来越高。比如，某类型的变频器采用其独特的通讯协议和通讯接口，一旦通讯故障所造成的通讯接口板烧毁将直接导致系统的崩溃，除非购买该型号的通讯接口；同样如果该变频器由于烧毁，亦需要购买同型号的变频器；另外，系统要升级换代，必须全面更换所有变频器。如此一来，采购费用巨大、备品库存积压等现象将不可避免地存在。
本文将引入一种基于现场总线的多电机交流控制系统，它结合了目前最主流的现场总线技术，并考虑了实际应用的便利性，从总线引入、硬件组构、软件原理三方面出发详细阐述了该多电机交流控制系统的主要特点。

2现场总线Profibus的引入

现场总线Profibus，即Processfieldbus，它自1984年开始研制现场总线产品，经过十多年的开发、生产和应用，Profibus已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。目前PNO（Profibus用户组织）已拥有600多个成员，生产近千种产品。Profibus产品在欧洲市场占有率大于40％，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。
Profibus以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络（OSI，Opensysteminterconnection）作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。Profibus-DP,Profibus-PA和Profibus-FMS构成了Profibus家族。其中Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）是一种高速和便宜的通信连接，它专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用。使用Profibus-DP模块可取代24伏或4～20毫安的串联式信号传输。直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便，传输可使用RS－485传输技术或光纤媒体。本文介绍的就是DP部分。
标准现场总线ProfibusDP的硬件由主设备、从设备、网络网路等三部分组成。其中主设备用以控制总线上的数据传输，且在没有提供外部请求时发送信息和被授权可访问总线；从设备是相对于主设备而言较为简单的外部设备，且未被授权访问总线；网络网路如传输介质和网络链接器，前者如屏蔽双绞电缆构成电气网络、用塑料或玻璃纤维光缆构成的光纤网络、或是基于两种媒介之间由OLM转换的混合网络，后者如RS485总线连接器、RS485总线终端、RS485中继器、光链路模块OLM等。
在多电机交流控制系统中，存在着电机控制点、各交流变频器分布线长而且分散的特点，采用现场总线技术可以在控制室内和现场操作台各装设分布式I/O模块，联成总线网络，以数字方式来进行控制数据的串行传输，这样一来，控制系统将具有更佳的抗干扰能力，所提供给变频器的参考值亦比较精确。

3多电机交流控制系统的硬件组构

图一（左）是多电机交流控制系统的硬件联络图。由图中可知，现场总线Profibus的主设备采用了西门子可编程控制器PLCS5，通过IM308接口模块再与Profibus总线联络。做为主设备，PLCS5负责读取悬挂在总线上的所有分布式I/O模块的变频器状态字（包括数字量和模拟量），同时进行变频器控制字（包括数字量和模拟量）的传送。从设备为分布式输入输出模块ET200，每一个ET200从站可以挂接最大至32个的数字量或模拟量输入输出卡（如DI、DO、AI、AO等），并通过对于ET200从站接口卡IM318进行地址DIP设置后即可确认该挂接的I/O卡的地址值。
由于ET200从站的远程分布特性，因此在变频器较为集中的地方进行设置相应的从站，并对相关联的变频器进行点对点的连接，具体接线方式如图一（右）所示。所有的变频器都有I/O接口，包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出。其中数字量输入有正向启动、反向启动、外部故障（如电机温升等）、点动、使能、设定频率启动等，数字量输出包括变频器运行信号、故障信号、运行频率区间信号、报警信号等；模拟量输入输出必须先进行U/I方式的设定，以确认4～20mA信号抑或0～10V信号，其中模拟量输入主要为设定速度或频率的参考值，模拟量输出为电流实际值、速度实际值、频率实际值、DC回路电压值等。
多电机交流控制系统的硬件组构相对简单，以可编程控制器为中心，通过Profibus总线依次连接了相关联的ET200从站组，并通过各从站组连接相应的变频器组。其中总线采用电气双绞线路，布线明了；从ET200从站到关联变频器组采用较短的控制线路连接即可。此传输数据方式以串行的数字方式为主、只有在到达变频器时才又采用部分模拟信号，因此丝毫不影响传输数据的可靠性和抗扰性。

4多电机交流控制系统的软件设计

4.1多电机交流控制系统的软件流程
基于现场总线的多电机交流控制系统的软件设计包括以下几点，如图二（左）所示：
1）PLCIM308接口模块的初始化：在现场总线启动前，必须先配置Profibus总线，并分配各个总线站的参数（总线上的传输速率、总线的标准（一般为DP-Standard）、设定故障模式（包括诊断设置和诊断地址等）。