【正文】 工、石油、冶金等行業(yè)的過程自動(dòng)化控制系統(tǒng) [12]。 2 PROFIBUSPA 對(duì)于安全性要求較高的場(chǎng)合，可選用 PROFIBUSPA 協(xié)議，這由 DIN19245的第四部分描述。 PROFIBUS 的基本特性 PROFIBUS 為多主從結(jié)構(gòu)，可 方便地構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)全是公開的，所有制造商都必須遵循?？刂普竟δ芊稚⒃诂F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就可以構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。用戶不必為集成不同廠商的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費(fèi)力氣或增加額外投資。用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并將不同廠商的設(shè)備互連。其中 PROFIBUSDP 是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 I/O 的通信 ，使用PROFIBUSDP 可取代辦 24VDC 或 420mA 信號(hào)傳輸，而 PROFIBUSPA 專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范；PROFIBUSFMS 主要用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu) 實(shí)時(shí)多主網(wǎng) 落 [9]。現(xiàn)場(chǎng)總線的含義表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡(luò) [8]。 交流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，交流調(diào)速領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，交流傳動(dòng)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，獲得了許多創(chuàng)造性的成果。如果把這些設(shè)備的控制系統(tǒng)換成交流調(diào)速系統(tǒng)，就能節(jié)省消耗在擋板和閥門上的能量。而高性能電力、電子器件的應(yīng)用更是推動(dòng)了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，例如在通用變頻器方面，針對(duì)中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）的高開關(guān)頻率使得高性能的變頻器成為可能，而在以后出現(xiàn)的智能功率模塊（ IPM），更加簡(jiǎn)化了通用變頻器的設(shè)計(jì)。在 20 世紀(jì)的大部分年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?80%的不變速傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)，這種狀況在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。且在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。對(duì)耗電大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用變頻技術(shù)更具有現(xiàn)實(shí)意義。強(qiáng)化節(jié)約意識(shí)，鼓勵(lì)生產(chǎn)和使用節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能省地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費(fèi)模式。我國(guó)具有各類風(fēng)機(jī)約 780 萬臺(tái)，水泵 4， 000 萬臺(tái)，空壓機(jī) 560 萬臺(tái)，這些裝置又占去了電機(jī)耗電的一半以上 [1]。 所以 本文針對(duì) PROFIBUS 總線的工作原理和特點(diǎn)，探討了 通用變頻器 MM 系列變頻器在 調(diào)速 系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并分析了 PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中主站和從站的建立，變頻器 GSD 文件的導(dǎo)入， MPI 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置， PLC 對(duì)變頻器控制的程序設(shè)計(jì)，最后給出了總線系統(tǒng)中控制字（ PQW） 和狀態(tài)字（ PIW）的數(shù)據(jù)格式。通用變頻器以及可編程控制器以其優(yōu)越的調(diào)速和 其 保停性能、高效率、高功率因數(shù)和顯著的節(jié)電效果而廣泛應(yīng)用于大、中型交流電機(jī)等，被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速控制。本課題就是針對(duì)交流電機(jī)的發(fā)展方向而設(shè)計(jì)的基于 PLC 和變頻器對(duì)交流電機(jī)調(diào)速 控制系統(tǒng)。從而最終達(dá)到通過 PLC 和變頻器對(duì)交流電機(jī)調(diào) 速的目的。由于這些設(shè)備一般均采用恒速驅(qū)動(dòng)，每年造成大量能源浪費(fèi)。我國(guó)對(duì)交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較晚，到上個(gè)世紀(jì) 90 年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，采用的控制技術(shù)幾乎都還只是 V/F控制，調(diào)速性能根本無法與國(guó)外產(chǎn)品相比。本課題以 PLC 和變頻器控制交流調(diào)速 為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出 基于 PLC 和 變頻 器 控制 交流調(diào)速 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。在現(xiàn)在的在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由 PLC 控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 20 世紀(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 70 年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化 ，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動(dòng)媲美 [5]。此后，交流調(diào)速系統(tǒng)主要沿用下 述 兩個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用 。根據(jù)有關(guān)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，由于風(fēng)機(jī)、水泵對(duì)調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能就已足夠，那么換成交流調(diào)速系統(tǒng)以后，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均約可節(jié)能 20%，這種節(jié)能效果是非?？捎^的。自從 70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問題 [7]。 PROFIBUS 是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場(chǎng)總 線標(biāo) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 準(zhǔn)，是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線，是 種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線的主要優(yōu)點(diǎn) 1 可靠性高。即使某臺(tái)設(shè)備有故障，換上其他廠商的同類設(shè)備 照常工作，實(shí)現(xiàn)即接即用。 4 綜合功能。 6 統(tǒng)一組態(tài)。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連；另外，用戶可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。針對(duì)不同的控制場(chǎng)合，它分為 3 個(gè)系列： 1 PROFIBUSDP 它用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，以 DIN19245 的第一部分為基 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 礎(chǔ)，根據(jù)所需要達(dá)到的目標(biāo)對(duì)通信功能加以擴(kuò)充。 PA 具有本質(zhì)安全特性，實(shí)現(xiàn)了 IEC11582 規(guī)定的通信規(guī)程。 3 PROFIBUSFMS PROFIBUSFMS 主要解決車間一級(jí)通用性通信任務(wù)，完成中等傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。 這一熱點(diǎn)問題涉及目前為什么會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線并存，這其中除了技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)外，商業(yè)利益上的激烈競(jìng)爭(zhēng)是其主要原因。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線有不同的功能，各有其適用的場(chǎng) 合，靠一種現(xiàn)場(chǎng)總線打天下的想法看來不太現(xiàn)實(shí)。 2 現(xiàn)場(chǎng)總線能否全面取代現(xiàn)時(shí)風(fēng)靡世界的 DCS 系統(tǒng)。就目前而言，領(lǐng)導(dǎo)世界 DCS 發(fā)展的幾家著名公司也在積極地改進(jìn)和升級(jí)它們的產(chǎn)品， DCS 也在朝著開放性、分散性與可互操作性方向發(fā)展。這是該系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。 FMS DP PA 用 戶 接 口 層 FMS 設(shè)備行規(guī) DP 行規(guī) PA 行規(guī) DP 擴(kuò)展 DP 基本功能 現(xiàn)場(chǎng)總線信息 規(guī)范 FMS 未使用 應(yīng)用層 表示層 未使用 會(huì)話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路 FDL IEC 接口 物理層 RS485/光纖 IEC11582 圖 21 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS－ DP 使用第 1 層、第 2 層和用戶接 口，第 3 層到第 7 層未加以描述，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院陀行?，直接?shù)據(jù)鏈路映像（ DDLM, direct data link mapper）提供易于進(jìn)入第 2 層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS－ DP 設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的 RS－ 485 傳輸技術(shù)或光纖。使用分段式 耦合器， PROFIBUS－PA 設(shè)備能很方便地集成到 PROFIBUS－ DP 網(wǎng)絡(luò)。主站從 PROFIBUS 協(xié)議講，也稱為主動(dòng)站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實(shí)施起來特別經(jīng)濟(jì)。 2 在復(fù)雜的程序控制器和簡(jiǎn)單的 I/O 設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過這種存取方法，可以實(shí)現(xiàn) 下列系統(tǒng)配置：純主 —從系統(tǒng)（單主站）；純主 — 主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）；混合系統(tǒng)（多主－多從）。另外，總線存取控制保證令牌按地址升序，依次在各主站間傳送，各主站的令牌具體保持時(shí)間長(zhǎng)短取決于該令牌配置的循環(huán)時(shí)間。 PROFIBUS 第 2 層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信（廣播及有選擇廣播）功能。該協(xié)議是通過 OSI 參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制 MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配 ， 并建立邏輯環(huán)。 PROFIBUS 總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（ PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。各 DP 從站的動(dòng)態(tài)激活 、 DP 從站組態(tài)的檢查 均由總 線完成，同時(shí)總線還具有 強(qiáng)大的診斷功能， 可提供 三級(jí)診斷信息 、 輸入或輸 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 出的同步 、 通過總線給 DP 從站賦予地址 、 通過總線對(duì) DP 主站（ DPM1）進(jìn)行配置 等等 。 2 PROFIBUSDP 的主要特點(diǎn) 中央控制器（主站）周期性地讀取從設(shè)備（從站）的輸入信息，并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時(shí)間必須比中央控制器的程序循環(huán)時(shí)間短，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，程序循環(huán)時(shí)間約為 10ms。 總線存取方式為：各主站間為令牌傳 送，主站與從站間為主－從傳送，它支持單主或多主站系統(tǒng)，總線上主、從站最多為 126 點(diǎn) 通信方式：用戶數(shù)據(jù)傳送采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，控制指令可用廣播方式。 3 PROFIBUS –DP 總線的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)的 3 個(gè)重要條件是：系列芯片 、 軟件技術(shù)和開發(fā)工具。具有 的信息報(bào)文存儲(chǔ)器， SPC 3 可獨(dú)立完成全部 PROFIBUSDP 通信功能，這樣可加速通信協(xié)議的執(zhí)行，而且可減少接口模板微處理器中的軟件程序。在與應(yīng)用對(duì)象之間硬件連接方面，微處理了提供方便的接口。 SIM 1 芯片用于 PROFIBUSPA 單元，數(shù)據(jù)傳輸符合 IEC 11582。 ASPC2 是一種用于主站的智能通信芯片，支持 PROFIBUSDP 和PROFIBUSFMS 協(xié)議?？蓪ぶ?1M 字節(jié) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 J u n 2 00 6 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \陳淋 \ M yD e s i gn 1 .d db D r a w n B y :b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b80 p 1起始位 數(shù)據(jù)位 偶校驗(yàn)停止位1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 J u n 2 00 6 S he e t o f F i l e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計(jì) \ 陳淋 \ M yD e s i gn 1 .d db D r a w n B y :P RO FI BU SD AE S AES AE D AEDADASASA站1 站2的外部信 息報(bào)文存儲(chǔ)器，總線存取驅(qū)動(dòng)由硬件完成。 SPM2具有 64I/O 位接口，部分 I/O 可設(shè)置為輸入或輸出，具有 I/O 診斷位。只需將其管腳連接到 I/O 信號(hào)線上及總線電纜上即可。 圖 23 FDL 幀的組成結(jié)構(gòu) FDL 幀的格式總共有三種：（ 1）不帶數(shù)據(jù)且長(zhǎng)度固定的幀；它包括請(qǐng)求幀、應(yīng)答幀、簡(jiǎn)短應(yīng)答幀。當(dāng) b7=1 時(shí)， b6b5 表示 FCB與 FCV， FCB 位為幀計(jì)數(shù)位， 0/1 交錯(cuò)。除傳輸安全性 、傳輸距離和高傳輸速度等要求外，在過程自動(dòng)化場(chǎng)合，一根公共電纜必須傳輸數(shù)據(jù)和電源。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUSDP 還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。每個(gè) DP 從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為 246 字節(jié)，所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進(jìn)行， DP 從站帶看門狗定時(shí)器，對(duì) DP 從站的輸入 /輸出進(jìn)行存取保護(hù)。 RS485 傳輸技術(shù) PROFIBUS 經(jīng)常使用的是 RS485 傳輸技術(shù)，其基本特點(diǎn)見表 。在一根電纜段上可以連接 32 個(gè)站點(diǎn)，如果使用中繼器，總線上最多可以掛 126 個(gè)站。 表 23 IEC11582 傳輸技術(shù) 服務(wù) 功能 SDA 發(fā)送數(shù)據(jù)需應(yīng)答 SRD 發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)需應(yīng)答 SDN 發(fā)送數(shù)據(jù)無需應(yīng)答 CSRD 循環(huán)地發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)需應(yīng)答 光纖傳輸技術(shù) 在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用 PROFIBUS 系統(tǒng)時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體以增長(zhǎng)高速傳輸?shù)木嚯x。其總線存取 協(xié)議如圖 所示。 其后介紹了 FDL 幀的結(jié)構(gòu)組成 ， 最后介紹了 PROFIBUS 提供 3 種傳輸方式， RS485 傳輸技術(shù) IEC11582