現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 主-從站技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃敦華， 崔躍芬

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176)

0 引 言

現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 主-從站控制技術(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)的控制系統(tǒng)模式。PLC 與其它現(xiàn)場總線設(shè)備組成“一主站一從站”或“一主站多從站”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有技術(shù)先進(jìn)，控制方案靈活，運(yùn)行效率高，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在目前工廠自動(dòng)化和生產(chǎn)過程自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文論述了PLC 實(shí)現(xiàn)主-從站數(shù)據(jù)接收/發(fā)送的多種交換模式，PLC 主-從站閉環(huán)變頻調(diào)速編程技術(shù)要點(diǎn)與多種調(diào)試方法。

1 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)采用了“現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 主-從站，PLC 控制器，智能控制、數(shù)字測速、上位監(jiān)控，變頻調(diào)速”等多種先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了管理層、主站層、從站層和現(xiàn)場層變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，旨在說明與剖析“一主站一從站”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)難點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)路線，如圖1 所示。

圖1 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

管理層由PC 機(jī)、STEP7 編程軟件、STEP7-Micro WIN V4.0 編程軟件、WINCC 和組態(tài)王上位監(jiān)控軟件等組成，PC 機(jī)與主、從站采用MPI(或PROFIBUS-DP)和PPI 通訊方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)管理層與主、從站層的通訊與信息交互的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容［1］。

主站層選用S7-300PLC 作為主站，采用MPI 和現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 通訊技術(shù)，擴(kuò)展了電源模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊等。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主站層與管理層、從站層的通訊與信息交互的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。

從站層選用S7-200PLC 作為從站，采用PPI 通訊方式，擴(kuò)展了現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 通訊模塊EM277，擴(kuò)展了模擬量輸入/輸出模塊EM235，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)從站層與主站層、現(xiàn)場層的通訊與信息交互的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。

現(xiàn)場層由MM440 變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、磁粉制動(dòng)器、光電編碼器、轉(zhuǎn)速測量模塊等組成，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層與從站層的數(shù)據(jù)檢測與反饋，接收并執(zhí)行控制量，對電機(jī)實(shí)時(shí)控制等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。

2 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調(diào)速的數(shù)據(jù)交換與編程實(shí)現(xiàn)

2.1 PROFIBUS-DP 主-從站的通訊映像區(qū)

2.1.1 主-從站硬件組態(tài)

遵循“先主站，后從站”的原則進(jìn)行硬件組態(tài)，先進(jìn)行S7-300PLC 主站的硬件模塊組態(tài)，設(shè)定CPU 地址為2，PROFIBUS-DP 通訊速率為1.5 Mbps［2］。再安裝S7-200PLC 從站的EM277 現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 通訊GSD 文件(SIEM089D. GSD)，并把S7-200PLC 從站掛在主站的 PROFIBUS-DP 總線上，設(shè)定從站PROFIBUS-DP 地址設(shè)為6，通訊速率為1.5 Mb/s。

2.1.2 主-從站通訊映像區(qū)

S7-300PLC 與200PLC 主-從站PROFIBUS-DP 通訊映射區(qū)與對應(yīng)關(guān)系是該設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸量大小來配置PROFIBUS-DP 通訊映射區(qū)的大小，配置的通訊區(qū)大小為8 Byte 輸入/8 Byte 輸出，通訊映像區(qū)輸入地址IB6 ～I(xiàn)B13 為接收，輸出地址QB0 ～QB7 為發(fā)送。

S7-200PLC 從站通訊區(qū)默認(rèn)是全局變量V 存儲(chǔ)區(qū)，V 區(qū)的起始地址設(shè)為200。配置的S7-200PLC 從站通訊映像區(qū)輸入地址VB200-VB207 為接收(對應(yīng)300PLC 主站的QB0 ～QB7)，輸出地址VB208-VB215為發(fā)送(對應(yīng)300PLC 主站的IB6 ～I(xiàn)B13)。

S7-300PLC 主站與200PLC 從站的通訊映像區(qū)地址對應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 PROFIBUS-DP 主-從站地址映像區(qū)對應(yīng)關(guān)系

2.2 PROFIBUS-DP 主-從站的數(shù)據(jù)交換模式

探索出了PROFIBUS-DP 主-從站數(shù)據(jù)發(fā)送/接收多種交換模式，如不打包的數(shù)據(jù)交換模式，打包的數(shù)據(jù)交換模式，各有特點(diǎn)，方便靈活，易于實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 不打包的數(shù)據(jù)交換模式

在S7-300PLC 主站控制程序中，采用MOVE 指令進(jìn)行不打包的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送，每次最多接收或發(fā)送4 Byte 數(shù)據(jù)［3］。接收數(shù)據(jù)時(shí)，MOVE 指令的IN 管腳為映射區(qū)輸入I 的地址，用指針式指令“PIB(W 或D)+輸入地址”接收，OUT 管腳為接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、共享數(shù)據(jù)塊等;發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MOVE 指令的IN 管腳為發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、共享數(shù)據(jù)塊等，OUT 管腳為映射區(qū)輸出Q的地址，通過“PQB(W 或D)+輸出地址”發(fā)送，如圖3所示。

圖3 MOVE 管腳功能與接收/發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.2.2 打包的數(shù)據(jù)交換模式

(1)打包的SFC14(接收)與SFC15(發(fā)送)數(shù)據(jù)交換模式［3］。SFC14 為接收數(shù)據(jù)塊，每次最多4 Byte;SFC15 為數(shù)據(jù)發(fā)送塊，每次最多4 Byte。SFC14 接收塊的LADDR 管腳為映射區(qū)的輸入I 的地址，RECORD管腳為“解包讀數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)區(qū)，可以是共享數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)器與指針數(shù)據(jù)塊等［4］。

SFC15 發(fā)送塊的LADDR 管腳為映射區(qū)輸出的Q的地址，RECORD 管腳為“打包寫數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)區(qū)，可以是共享數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)器與指針數(shù)據(jù)塊等。

再通過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信息交換。SFC14 接收和SFC15 發(fā)送應(yīng)用與管腳功能如圖4 所示。

圖4 SFC14/SFC15 管腳功能與接收/發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)用

(2)打包的SFC20(接收/發(fā)送)數(shù)據(jù)交換模式。SFC20 既可以接收數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送數(shù)據(jù)，沒有字節(jié)的限制。在S7-300PLC 主站控制程序中，SFC20 接收塊的SRCBLK 管腳為映射區(qū)的輸入I 的地址，必須以指針P 方式書寫，DSTBLK 管腳為“解包讀數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)區(qū)，可以是共享數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)器等［5］。

SFC20 發(fā)送塊的SRCBLK 管腳為“打包寫數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)區(qū)，可以是共享數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)器等，DSTBLK 管腳為映射區(qū)的輸出Q 的地址，必須以指針P 方式書寫。

再通過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信息交換。SFC20 接收和發(fā)送應(yīng)用與管腳功能如圖5 所示。

圖5 SFC20 管腳功能與接收/發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.3 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調(diào)速的編程實(shí)現(xiàn)

S7-300PLC 主站控制器實(shí)現(xiàn)主-從站的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送信息交換，并與上位監(jiān)控進(jìn)行技術(shù)鏈接［6］;S7-200PLC 從站控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)變頻調(diào)速，參數(shù)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，主-從站的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送信息交換等功能［7］。

2.3.1 S7-200PLC 從站層程序設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

閉環(huán)控制原理:S7-200PLC 的模擬量輸出0 ～10 VDC(對應(yīng)數(shù)字量0 ～32 000)，作為MM440 變頻器的模擬量輸入0 ～10 VDC，對應(yīng)頻率0 ～50 Hz;對應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速0 ～1 500 r/min。光電編碼器實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)反饋到PLC 的I0.0 和I0.1高速計(jì)數(shù)口，與轉(zhuǎn)速給定進(jìn)行比較，其偏差按PID 算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量控制變頻器，構(gòu)成了閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)［8］。

S7-200PLC 從站采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，包括主程序，定時(shí)中斷程序;參數(shù)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、中值數(shù)字濾波等子程序。

(1)定時(shí)中斷程序。采用定時(shí)器中斷SMB34(采樣周期為100 ms)，HDEF/HSC 中斷指令，高速計(jì)數(shù)器HSCO(/模式9/增計(jì)數(shù))等編程技術(shù)，設(shè)計(jì)出定時(shí)中斷程序INT0，在有轉(zhuǎn)速給定與PID 參數(shù)運(yùn)行系統(tǒng)的前提下，光電編碼器實(shí)時(shí)采集A、B 兩相正交脈沖數(shù)并反饋到200PLC 高速計(jì)數(shù)口I0.0，I0.1，再把脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)與給定進(jìn)行比較，其偏差與PID 參數(shù)進(jìn)行輸出控制量的計(jì)算，每100 ms 刷新一次控制量，實(shí)時(shí)控制閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行。

(2)參數(shù)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換子程序。采用數(shù)字測速、M 法整定、數(shù)據(jù)運(yùn)算等技術(shù)來編寫參數(shù)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換子程序，實(shí)現(xiàn)主-從站的控制電壓、實(shí)際頻率、輸出電壓、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)交換［9］。

譬如:轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換是把數(shù)字脈沖整定成實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行主-從站數(shù)據(jù)交換與顯示的。M 法整定表達(dá)式為:

其中:M1為在TC時(shí)間內(nèi)所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù);Z 為光電編碼器每圈的脈沖數(shù)(600 個(gè));TC為采樣時(shí)間(s);n 為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min)。

(3)數(shù)據(jù)接收/發(fā)送子程序。設(shè)計(jì)S7-200PLC 從站數(shù)據(jù)接收/發(fā)送子程序時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是要通過發(fā)送映像區(qū)QB0 ～QB7 和接收映像區(qū)IB6 ～I(xiàn)B13 的地址來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，也就是從站編程時(shí)凡是與300PLC主站交換的數(shù)據(jù)放在VB200 ～VB215 中［10］。譬如:200PLC 從站發(fā)送的轉(zhuǎn)速反饋VW350 通過傳送指令發(fā)送到VW208 中;發(fā)送的輸出頻率VD512 通過傳送指令發(fā)送到VD210 中;接收主站的轉(zhuǎn)速給定VD200 通過傳送指令存入到VD400 中;接收主站的啟動(dòng)/停止命令 存 入 到V204. 0，V205. 0 中，再 通 過 現(xiàn) 場 總 線PROFIBUS-DP 進(jìn)行主-從站的數(shù)據(jù)交換。

2.3.2 S7-300PLC 主站層程序設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

S7-300PLC 主站采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，包括主程序，F(xiàn)C 數(shù)據(jù)接收/發(fā)送子程序，共享數(shù)據(jù)塊DB1，VAT_1 變量表等，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是掌握主-從站映像區(qū)地址的對應(yīng)關(guān)系與數(shù)據(jù)接收/發(fā)送交換模式程序的設(shè)計(jì)［11］。

本設(shè)計(jì)采用了不打包的數(shù)據(jù)交換模式MOVE，打包的數(shù)據(jù)交換模式SFC14/SFC15，打包的數(shù)據(jù)交換模式SFC20 都實(shí)現(xiàn)了主-從站的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送操作［12］，詳見“PROFIBUS-DP 主-從站的數(shù)據(jù)交換模式”編程，這里不再論述。

3 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調(diào)速的調(diào)試方法

3.1 程序變量調(diào)試法

3.1.1 S7-200PLC 從站狀態(tài)表調(diào)試

在S7-200PLC 從站建立程序狀態(tài)表，與S7-300PLC 主 站 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 接 收/發(fā) 送 信 息 交 換［13］。200PLC 從站接收300PLC 主站發(fā)送來的“轉(zhuǎn)速給定”存入VD200 中;接收主站發(fā)送來的“啟動(dòng)/停止”命令存入VB204、VB205 中;發(fā)送“轉(zhuǎn)速反饋”VW208 到300PLC 主站的IW6 中;發(fā)送“輸出頻率”VD210 到300PLC 主站的ID8 中。VD112 為增益KC;VD120 為積分時(shí)間TI。

3.1.2 S7-300PLC 主站VAT 變量表調(diào)試

在300PLC 主站建立VAT 變量表，與S7-200PLC從站進(jìn)行數(shù)據(jù)接收/發(fā)送信息交換［14］。300PLC 主站發(fā)送“轉(zhuǎn)速給定”QD0 到200PLC 從站的VD200 中;發(fā)送“啟動(dòng)/停止”命令QB4、QB5 到200PLC 從站的VB204、VB205 中;接收“轉(zhuǎn)速反饋”VW208 到IW6 中;接收“實(shí)際頻率”VD210 到ID8 中。

S7-200PLC 從站狀態(tài)表與300PLC 主站VAT_1 變量表數(shù)據(jù)接收/發(fā)送對應(yīng)關(guān)系如圖6 與圖7 所示。

圖6 S7-200PLC 從站狀態(tài)表

3.1.3 S7-300PLC 主站共享數(shù)據(jù)塊調(diào)試

在S7-300PLC 主站中，建立共享數(shù)據(jù)塊DB1，以便查看主-從站的數(shù)據(jù)交換［15］。把轉(zhuǎn)速反饋nfk 存入DB1.DBW0 中，把轉(zhuǎn)速給定ngd 存入DB1. DBD2 中，把實(shí)際頻率f 存入DB1.DBD6 中。如圖8 所示。

圖7 300PLC 主站VAT_1 表數(shù)據(jù)接收/發(fā)送對應(yīng)關(guān)系

圖8 S7-300PLC 主站共享數(shù)據(jù)塊DB1 運(yùn)行畫面

3.2 上位監(jiān)控調(diào)試法

采用組態(tài)王上位監(jiān)控技術(shù)與PLC 控制技術(shù)相結(jié)合的方法，把300PLC 主站程序變量鏈接到組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中，再建立驅(qū)動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)了上位監(jiān)控與S7-300PLC 主站層的技術(shù)鏈接。設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的工藝圖形、數(shù)據(jù)報(bào)表、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢與歷史趨勢等畫面，為系統(tǒng)調(diào)試、分析性能指標(biāo)提供了更有效的手段［16］。

在上位監(jiān)控的工藝圖形中，300PLC 主站發(fā)送“轉(zhuǎn)速給定”，“啟動(dòng)/停止”命令到從站;并接收轉(zhuǎn)速反饋、實(shí)際頻率等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控畫面中。

從上位監(jiān)控的歷史趨勢圖9 中看出，轉(zhuǎn)速給定1 000 r/min，帶3 N·m 的負(fù)載運(yùn)行，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間10 s 左右，超調(diào)量小于2%，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%，突增負(fù)載擾動(dòng)能很快克服掉，實(shí)踐結(jié)果證明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與控制策略是有效的［17］。

圖9 轉(zhuǎn)速給定與轉(zhuǎn)速反饋的歷史趨勢

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)不論在主站、從站還是上位監(jiān)控系統(tǒng)，都能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)主-從站系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)操作，可靠性高，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)?；赑ROFIBUS-DP主-從站技術(shù)的變頻調(diào)速控制方案與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保了整個(gè)系統(tǒng)硬件配置靈活，軟件設(shè)計(jì)方便，數(shù)據(jù)交換實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，為現(xiàn)場復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一主站多從站”的完整解決方案提供了有效的技術(shù)依據(jù)。

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