基于工业以太网和PROFIBUS多电机同步调速控制系统

１、引言基于变频调速的控制系统已广泛应用于机械、冶金、化工、纺织等各个行业。

大中型自动化生产线或者一些生产设备中，往往要求实现多电机的同步控制。

变频技术的发展使得采用变频调速的方式驱动各个电机，实现同步控制成为一种可行的方式。

近几年，随着现场总线技术的发展，很多变频器也提供了现场总线的接口，通过通讯方式完成各个变频器的控制，增强了系统抗干扰能力，提高了系统的控制精基于工业以太网和
PROFIBUS 多电机同步调速控制系统
赵涛 安徽建筑工业学院机械与电气工程学院
度，并且可以实时方便地读取变频器的运行参数。

另外由于采用了总线方式，减少电缆量，简化了系统，有效地提高了系统的可靠性与安全性，给设计、　调试和维护工作带来了极大的方便。

另外，控制系统采用了网络化模块设计，具有极强的扩充能力。

２、控制系统方案
２．１　系统通信网络
最近几年，工业以太网正在渗透到工业控制中来，其发展趋势表明，工业以太网将占据自动控制系统中层、上层的通信网络［１，２］。

以太网通信技术以其协议简单、开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持，且具有以下优点：通信速率高、成本低廉、软硬件资源丰富、可持续发展潜
力大、易于与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接，能实现办公自
动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ使用了ＩＳＯ／ＯＳＩ通信标准中的第一及第二层（即物理层和数据链路层）和用户接口。

这种精简的结构确保高速数据传输。

直接数据链路映像程序（ＤＤＬＭ）提供对第二层的访问［３～５］。

在用户接口中规定了ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行为特性。

这种为高速传输用户数据而优化的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ协议特别适用于可编程控
制器与现场级分散的Ｉ／Ｏ设备之间的通信。

２．２　系统结构
本系统为两层网络结构，如图１所示，监控级采用工业以太网作为通信网络，由工控机、ＰＬＣ作为网络节点；现场级采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ作为通信网络，由ＰＬＣ作为主站，ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ和变频器作为从站。

２．２．１　监控级通信网络
ＰＣ和ＰＬＣ控制站构成了工业以太网的网络节点，节点之间的数据交换主要在ＰＣ与各台ＰＬＣ之间、备用线ＰＬＣ与各生产线ＰＬＣ之间进行。

在该系统中，ＰＣ与各台ＰＬＣ之间信息交换的特点是数据报文通常都比较长，信息交换量较大，因此要求网络必须具有较大的带宽。

当某生产线的变频器发生故障时，备用线ＰＬＣ与各生产线ＰＬＣ之间交换信息。

备用线的相应的变频器要切换到运行状态，替代故障变频器控制生产线电机的运转。

在这种情况下，要求备用线变频器和生产线变频器工作频率保持一定的比值。

２．２．２　设备级通信网络
设备级通信的实时性、可靠性要求比较高，而传输的信息长度较小，通常仅为几位或几个、十几、几十个字节，对网络传输的数据量要求不高。

因此选用适合系统控制特点的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ。

（１）ＰＬＣ控制站
设备级通信网络的主站是ＰＬＣ，每台ＰＬＣ通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ网络与４个ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ站（备用线没有ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ站）和１７台变频器从站通信，传输的信息主要有ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ站的模拟量、数字量和变频器的控制参数等。

（２）ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ从站
由于系统的现场控制点数较多，选用ＥＴ２００Ｍ分布式Ｉ／Ｏ站。

ＥＴ２００Ｍ是模块化Ｉ／Ｏ站，可实现远程分布式Ｉ／Ｏ功能，通过ＩＭ１５３通信模块连接到下层的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ网络。

ＥＴ２００Ｍ主从站之间的数据交换　，采用周期Ｉ／Ｏ方式，即由下层通信网络主站，按主从方式周期地向
图１　改造后控制系统结构
从站发送数据，并要求从站马上带数据应答。

每个从站都要占据主站的一部分Ｉ／Ｏ区，所以这种方式适合传送少量数据，但优点是通信速度快，符合本系统的控制要求。

（３）变频器智能从站
变频器智能从站通过总线适配器ＴＤＳ－ＰＡ０１接入ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ总线，与ＰＬＣ控制站通信，变频器的运行参数和ＰＬＣ的控制参数可以通过总线相互传递。

从而使系统具有较高的智能化和自动化。

每条生产线有１７台变频器（ＩＮＶ　Ｆ１、ＩＮＶ　Ｆ２　、ＩＮＶ　Ｆ４～ＩＮＶ　Ｆ１０，ＩＮＶＦ１２～ＩＮＶ　Ｆ１８，ＩＮＶ　Ｆ２０），其中ＩＮＶＦ１拖动３０台同步电机，ＩＮＶ　Ｆ２拖动６台同步电机，其余每台变频器拖动一台电机。

３、系统拖动部分
图２　拖动系统示意图
腈纶纺丝是一个多输入、多输出、多回路控制系统，要求拖动系统具有较高的稳态精度和快速的动态响应。

（１）多点高精度同步调速比
腈纶纺丝要求系统具备高精度的牵伸比，即各工位电机保持同步速度比。

Ｆ１～Ｆ１２为同步电机，Ｆ１３～Ｆ２０为异步电机，异步电机以光电编码器作测速反馈组成闭环控制系统，使系统具备调速精度和转矩精度，满足多点高精度同步调速比传动要求。

（２）共直流母线拖动
在系统运行时，各传动点牵伸比不尽相同，为保持一定的牵伸力，有的传动单元处于电动状态，有的则处于发电状态。

为此采用共直流母线拖动技术，前纺工段的Ｆ２～Ｆ１５共用一条直流母线，后纺工段的Ｆ１６～Ｆ２０共用一条直流母线，直流母线上接有制动单元，如图２所示。

当某一电机处于发电状态时可通过公共直流母线进行能量交换。

在制动停车时，通过制动单元，可将制动停车状态时的发电能消耗在制动电阻上。

（３）备用变频器“一备多”
该系统采用“一备多”的方法：即备用线每个工位的变频器为１＃～６＃线相应工位的变频器备用，如备用线的Ｆ１为１＃～６＃线Ｆ１备用，依次类推。

备用线、生产线ＰＬＣ通过Ｅｔｈｅｒｎｅｔ控制变频器切换。

这样既保证了系统的可靠性，又使投资比较经济。

４、小结
本系统采用基于工业以太网和
于在画面上显示。

图５
至此程序完成把开阀／关阀（Ｍ３３．０／Ｍ３３．１）和开度指示ＭＷ９１２连到画面上，操作员用来操作和参考数值。

注：１、操作员在开／关阀时需点住面面按钮不动，到需要的开度指示时松开按钮即可。

２、由于图５除法块中的４４是人为规定，所以在实际运用中难免会与实际有所偏差，即开度指示ＭＷ９１２不一定十分准确。

不过这不影响阀的具体应用，
三、技术要点
本项目的优点：
ａ．不需要软、硬件投资，只需挖掘系统软件本身的功能，即可准确反映电动碟阀的实际位置，起到了初步替代执行器的作用。

ｂ．通过程序，运用各种功能块对阀位的运算处理，避免了运算误差。

ｃ．这种做法只须深挖软件的潜力，不增加任何硬件设施。

可大量节省工程成本和维护成本。

四、结束语
投产运行一段时间后，程序运行良好，结合操作员的正确操作，从未出现任何不良反应。

普遍认为是一成功的改造。

笔者认为具有可利用及推广的价值，并且为以后工程实践提供参考。