基于现场总线的多电机交流控制系统优化与实现

1、引言

　　随着工业现代化步伐的加快，多电机交流控制系统在造纸、化工、钢铁、食品等行业得到了广泛应用，并形成了各自特色的变频器控制方案。这类系统在运行中表现出优异的可靠性和抗干扰性，但维护成本却逐年攀升。例如，某些变频器采用专有的通信协议和接口，一旦通信故障导致接口板损坏，系统将直接瘫痪，除非采购原型号接口；若变频器损坏，亦需更换同型号设备；系统升级换代时，还需更换所有变频器，这导致采购成本高昂、备品积压等问题。

　　本文提出了一种基于现场总线的多电机交流控制系统，该系统融合了先进的现场总线技术，并兼顾实际应用便捷性，从总线接入、硬件结构、软件原理三个方面深入解析了系统的核心特性。

　　2、现场总线Profibus的融入

　　现场总线Profibus，即过程现场总线，自1984年起研发，经过十多年的研发、生产和应用，已成为欧洲领先的开放性现场总线系统。PNO（Profibus用户组织）成员超过600家，产品种类近千种。Profibus在欧洲市场的占有率超过40%，广泛应用于工业自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。

　　Profibus以ISO7498为基准，参照OSI（开放式系统互联）模型，定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。Profibus家族包括Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。其中，Profibus-DP（分布式外围设备）是一种高速、经济的通信连接，专为自动控制系统与设备级分布式I/O之间通信设计。使用Profibus-DP模块可替代传统的24伏或4～20毫安串联式信号传输。DDLM（直接数据链路映像）提供的用户接口简化了数据链路层的存取，传输可利用RS-485技术或光纤。本文重点介绍DP部分。

　　标准现场总线Profibus-DP的硬件由主设备、从设备、网络等三部分组成。主设备负责总线数据传输控制，并在无外部请求时主动发送信息，并可访问总线。从设备是相对简单的外部设备，无权访问总线。网络包括传输介质和网络连接器，前者如屏蔽双绞线构成电气网络、光纤网络或混合网络，后者如RS485总线连接器、终端、中继器、光链路模块OLM等。

　　在多电机交流控制系统中，采用现场总线技术，可在控制室和现场操作台安装分布式I/O模块，形成总线网络，实现控制数据的串行传输，从而提升系统抗干扰能力，确保变频器参考值的准确性。

　　3、多电机交流控制系统的硬件结构

　　图一（上）展示了多电机交流控制系统的硬件连接图。由图可知，现场总线Profibus主设备采用西门子可编程控制器PLCS5，通过IM308接口模块与Profibus总线相连。作为主设备，PLCS5负责读取总线上的分布式I/O模块变频器状态字（含数字量和模拟量），并传输变频器控制字（含数字量和模拟量）。从设备为分布式输入输出模块ET200，每个ET200从站可挂接至32个数字量或模拟量输入输出卡（如DI、DO、AI、AO等），通过设置ET200从站接口卡IM318的地址DIP开关，即可确定挂接的I/O卡地址。

　　ET200从站的远程分布特性使得在变频器集中区域设置从站，并进行点对点连接，具体接线方式如图一（下）所示。所有变频器均具备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。数字量输入包括正向启动、反向启动、外部故障等，数字量输出包括运行信号、故障信号等；模拟量输入输出需先进行U/I设定，确认4～20mA或0～10V信号，其中模拟量输入为设定速度或频率参考值，模拟量输出为电流、速度、频率等实际值。

　　图一多电机交流控制系统硬件连接图

　　多电机交流控制系统的硬件结构相对简单，以可编程控制器为中心，通过Profibus总线连接相关ET200从站组，并通过各从站组连接相应的变频器组。总线采用电气双绞线，布线清晰；从ET200从站到变频器组采用较短的控制线路连接。数据传输以串行数字方式为主，到达变频器时采用部分模拟信号，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软件设计包括以下步骤，如图二（上）所示：

　　1）PLC IM308接口模块初始化：在总线启动前，需配置Profibus总线，分配各总线站参数（传输速率、总线标准、故障模式等）。

　　2）读取1#变频器状态字和实际值：通过连接变频器的ET200从站I/O端子，操作远程I/O读取变频器状态字（数字量）和实际值（模拟量）。

　　3）判断变频器是否故障，若故障则报警存档，否则根据系统要求输出模拟量值至连接1#变频器端ET200从站的I/O端子，包括控制字和设定值。

　　4）重复2、3步骤，依次对2#、3#、4#……N#变频器进行读写操作。

　　4.2多电机交流控制系统的逻辑控制原理

　　逻辑控制是指变频器与外部控制信号间实现对特定设备的开启和运行进行逻辑互锁。例如，在纸厂对供料泵进行变频控制时，供料泵开启的必要条件包括：阀门打开到位、料罐液位正常、供料泵密封水正常皖南电机价格表。若缺少任何一个条件，将无法开启设备。供料泵持续运行的条件还包括管路流量、压力正常，否则将自动停止运行。

　　逻辑控制旨在保障人身安全、设备正常及稳定生产质量，因此在多电机交流控制中对其进行逻辑互锁保护至关重要。安徽皖南电机

　　4.3变频器的闭环控制原理

　　通常情况下，变频器以开环方式运行，但在高生产要求的情况下，尤其是在多电机交流传动控制中，变频器必须在闭环控制下才能实现生产目标。例如，胶片机、冷轧机、造纸机等连续性生产线，闭环控制尤为重要。

　　图二（下）展示了变频器闭环控制过程。其中，电流内环转矩控制由变频器内部完成，未在图中标明。图中描述的是速度控制闭环，模拟输入信号（根据变频器说明书确定是电流或电压信号，并设置好相应DIP开关和参数）通过频率限定与速度传感器反馈信号比较后，进入PID控制（PID参数可在变频器参数中整定），再通过斜率发生器（包括RAMPONTIME/RAMPDOWNTIME）后，直接进入电流环控制电机输出，从而构成变频器闭环控制。皖南电机

　　图二多电机交流控制系统软件流程

　　5、结语

　　本系统构建后，可广泛应用于小型浆纸厂、粉末加工厂、楼宇风泵控制等领域。由于采用开放式、符合IEC标准的现场总线Profibus系统进行构建，因此具有以下优点：（1）易于修改和扩展；（2）实现分布式控制，提高系统响应速度和控制精度；（3）降低系统不可靠性，增强可维护性。