Profibus-DP總線技術(shù)在同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

付 娟，張省偉

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，陜西 西安 710014）

Profibus總線控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)同步控制是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要控制技術(shù)。Profibus-DP是一種堅(jiān)固耐用、功能強(qiáng)大、開放性好的通訊總線，主要用于與現(xiàn)場設(shè)備的連接并快速、循環(huán)交換數(shù)據(jù)。多電動(dòng)機(jī)同步網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的控制系統(tǒng)中。目前，許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域同時(shí)涉及到Profibus總線和多電動(dòng)機(jī)同步控制。本文將Profibus-DP總線運(yùn)用于數(shù)控橫剪生產(chǎn)線，解決粗矯、圓盤剪和精矯機(jī)同步問題，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和控制精度。

1 多電機(jī)同步網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制原理

1.1 多電機(jī)同步控制原理

同步運(yùn)動(dòng)控制是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，其控制器控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)同步控制。對于多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨，當(dāng)受到擾動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其他電機(jī)轉(zhuǎn)速隨該電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的初始狀態(tài)，電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速趨于同步，即應(yīng)盡快消除轉(zhuǎn)速偏差[1]；當(dāng)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速趨于同步時(shí)，要盡量減小轉(zhuǎn)速發(fā)生超調(diào)。因此，對于多電機(jī)同步系統(tǒng)需通過同步控制使各受控量的控制過程相互協(xié)調(diào)配合，使各變量之間保持協(xié)調(diào)，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)合算的協(xié)調(diào)工作狀態(tài)。目前使用的同步控制方法主要有：基于同一給定電壓的并聯(lián)運(yùn)行方法、基于同一給定電壓的串聯(lián)運(yùn)行方法、基于補(bǔ)償原理的控制方法以及基于現(xiàn)代控制理論的控制方法。本文采用基于同一給定電壓的并聯(lián)運(yùn)行方法，其工作原理如圖1所示。

圖1 基于同一給定電壓并聯(lián)運(yùn)行同步控制

圖1中，各調(diào)速系統(tǒng)采用同一給定電壓，電動(dòng)機(jī)之間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系由同步系數(shù)決定。穩(wěn)態(tài)時(shí)ntg=n1,ntg=（1/α1）n2,ntg=（1/α2）n3,…，當(dāng) α =1 時(shí)，即為常用同步控制系統(tǒng)。

1.2 Profibus總線控制技術(shù)

Profibus現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行數(shù)字化、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA 3個(gè)兼容版本。其中，Profibus-DP是一種高速、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，它主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信[2]，滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求。

標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線Profibus-DP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等3部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線數(shù)據(jù)傳輸，且在無提供外部請求時(shí)發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線。從設(shè)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備，未被授權(quán)訪問總線；網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器，前者采用屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò)，采用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò)，或基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換構(gòu)成混合網(wǎng)絡(luò)；后者采用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[3]。

2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

數(shù)控橫剪生產(chǎn)線采用v1=v2=v3同步關(guān)系，其控制系統(tǒng)組成通訊網(wǎng)絡(luò)：Profibus-DP；1個(gè)主站,主要設(shè)備PLC；10個(gè)從站，設(shè)備分別為2個(gè)觸摸屏、4個(gè)調(diào)速器、4個(gè)PLC遠(yuǎn)程I/O端。整個(gè)控制系統(tǒng)由12個(gè)子系統(tǒng)組成。同步傳動(dòng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

圖2 同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步傳動(dòng)子系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，粗矯、圓盤剪和精矯機(jī)由3組4臺(tái)電動(dòng)機(jī)共同拖到同一鋼板，要求4臺(tái)電動(dòng)機(jī)是在線速度同步條件下運(yùn)行。由于粗矯、圓盤剪和精矯機(jī)3組系統(tǒng)與鋼板接觸的輥徑不同，要求的力矩也不同，所以各組的轉(zhuǎn)速比和電動(dòng)機(jī)容量都不同，對實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行的技術(shù)水平和技巧性要求較高。系統(tǒng)分為厚板（大于8 mm）和薄板2種模式。在厚板模式下，粗矯機(jī)與圓盤剪都跟隨精矯機(jī)，要求三者完全同步；在薄板模式下，只要求粗矯機(jī)與圓盤剪完全同步。以厚板模式為例，當(dāng)粗矯機(jī)、圓盤剪及精矯機(jī)線速度相同時(shí)，其對應(yīng)轉(zhuǎn)速比為：

式中，n1、n2、n3分別為粗矯機(jī)、圓盤機(jī)、精矯機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；m1、m2、m3分別為粗矯機(jī)、圓盤機(jī)、精矯機(jī)齒輪箱轉(zhuǎn)速比；φ1、φ2、φ3分別為粗矯機(jī)、圓盤機(jī)、精矯機(jī)輥徑。

在實(shí)際操作時(shí)，在觸摸屏上將粗矯機(jī)、圓盤剪和精矯機(jī)設(shè)置為同一給定速度，需要在調(diào)速器中對給定參數(shù)乘以同步系數(shù)k，在此以圓盤剪作為標(biāo)準(zhǔn) （因?yàn)閳A盤剪沒有高低速切換）。由于粗矯機(jī)、圓盤剪和精矯機(jī)由3組4臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率不同，此輪轉(zhuǎn)速比不同，輥徑不同，阻力力矩不同，存在多變量耦合問題，帶來電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的不同步。功率小的電動(dòng)機(jī)慣性小，啟動(dòng)、停止都快，而功率大的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止都慢，即功率小的南、北圓盤剪電動(dòng)機(jī)啟停都快，功率大的精矯輥電動(dòng)機(jī)啟停都慢，對此可通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的上升時(shí)間和下降時(shí)間來解決。

3 Profibus-DP總線通訊

Profibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層采用EIA-RS485協(xié)議，如圖3所示。

圖3 RS-485總線結(jié)構(gòu)

圖3中A和B為2根數(shù)據(jù)線，分別對應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號?？偩€上一個(gè)主站控制多個(gè)從站，在同一總線上最多可連接126個(gè)從站。主站與每個(gè)從站建立1條邏輯鏈路。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。Profibus-DP通訊主要使用主-從方式周期性的與傳動(dòng)裝置交換數(shù)據(jù)，由于數(shù)控橫剪生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求采用變速傳動(dòng)，將周期型通道MSCY-C1的可用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為PPO；可用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分成不同的2部分且能用報(bào)文分別傳送，如圖4所示。

圖4 PPO類型

圖4中，PKW為參數(shù)識別值；IND為變址；ZSW為狀態(tài)字；PZD為過程數(shù)據(jù)；PWE為參數(shù)值；HSW為主設(shè)定值；PKE為參數(shù)識別；STW為控制字；HIW為主實(shí)際值。

過程數(shù)據(jù)組PZD部分包括控制字、設(shè)定值、狀態(tài)字和實(shí)際值；參數(shù)部分PKW用于讀寫參數(shù)值[5]。當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用于Profibus-DP主站到尋址傳動(dòng)裝置的PPO類型被選用，過程數(shù)據(jù)在傳動(dòng)系統(tǒng)中總是最高優(yōu)先級進(jìn)行傳輸和處理，其主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 結(jié)束語

本文在研究Profibus-DP總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，對鋼板橫剪生產(chǎn)線進(jìn)行分析[6]，通過同一給定電壓的并聯(lián)運(yùn)行方法解決了系統(tǒng)中的多電機(jī)同步問題，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和控制的精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，減少系統(tǒng)的維護(hù)成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的智能化程度和柔性，符合現(xiàn)代集散控制思想。

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