基于plc和变频器控制交流调速控制系统

基于plc和变频器控制交流调速控制系统内容摘要：

自动化系统和过程控制系统与现场设备如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了 4~20mA模拟信号传输技术、节约了设备成本，且大大提高了系统功能和安全可靠性。 因此， PROFIBUSPA 特别适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统 [12]。 3 PROFIBUSFMS PROFIBUSFMS 主要解决车间一级通用性通信任务，完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务。 由于它是完成控制器与智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要问题是系统的功能，而不是系统的响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换（如改变设定参数等）。 FMS 给用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围和复杂的通信系统 [13]。 现场总线的前景与发展 现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不穷，其中令人关注 的焦点集中在以下两个方面： 1 能否出现全世界统一的现场总线标准。 这一热点问题涉及目前为什么会出现几种现场总线并存，这其中除了技术上的竞争外，商业利益上的激烈竞争是其主要原因。 对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线，这些总线已经有成千上万个节点安装在现场，成为事实上的标准[14]。 比如让 Echelon 公司放弃 LonWork，则意味着它要失去其产品和客户。 在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。 不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场 合，靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。 当然，从另一方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近，在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。 因而今后几年内很难说谁的标准能够统领现场总线，而应该说谁将成为主流总线技术。 可以说，对于未来的工业控制系统，谁能统领现场总线标准，它在工业控制界的作用和影响将相当于微软公司在计算机领域的地位 [15]。 2 现场总线能否全面取代现时风靡世界的 DCS 系统。 现场总线尚处于发展阶段，总体来讲，工业控制系统将朝着现场网络集成 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 自动化系统体系结构的方向发展。 由于现场总 线具有巨大优势，所以人们都认为它取代传统的 DCS 系统是必然趋势。 当然，就技术而言，从 1975 年Hneywell 公司推出世界上第一套集散控制系统以来， DCS 经历了 20 多年的发展和完善，依靠其灵活方便和功能丰富的组态功能以及可靠的网络通信能力，已在工业控制中获得广泛应用。 就目前而言，领导世界 DCS 发展的几家著名公司也在积极地改进和升级它们的产品， DCS 也在朝着开放性、分散性与可互操作性方向发展。 因而 DCS 在未来几年里仍然是工业控制的主流 [16]。 本论文的内容安排 此次设计为《基于 PLC 与变频器的交流电机调速控 制系统》，在设计中用到了西门子 MM420 系列的通用变频器、西门子系列的 PLC（ S7400 和 S7300）和 PROFIBUSDP 现场总线。 其中由于 S7400 和 S7300 均带有中央处理器，可处理数字信息，因此在本系统中，将 S7400 作为主站而将 S7300 作为从站，通过它们之间的数据交换来共同控制系统。 这是该系统的一大特点。 在论文中，第 1 章为概述，主要介绍了交流调速系统的特点及本课题的运用前景同时也介绍了 PROFIBUS 现场总线的基本概念和在交流调速中的运用；第 3 章主要介绍的是系统的组成部分且着重讲的是硬件 组成部分，另外还介绍了一些基本概念如：现场总线的网络拓扑图等。 而硬件组成部分又包括了各组件的介绍及选型和主从站的建立及通信；第 4 章主要介绍了软件部分，着重介绍了 PLC 的组成及程序的建立，同时也对编程软件和人机界面作了一些简单的介绍。 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 第 2章 PROFIBUS 的通讯原 理 协议及通讯方式 协议结构 PROFIBUS 协议的结构定向根据 ISO7498 国际标准，以开放系统互联网络OSI 为参考模型，结构如图 所示。 FMS DP PA 用 户 接 口 层 FMS 设备行规 DP 行规 PA 行规 DP 扩展 DP 基本功能 现场总线信息 规范 FMS 未使用 应用层 表示层 未使用 会话层 传输层 网络层 数据链路层 现场总线数据链路 FDL IEC 接口 物理层 RS485/光纤 IEC11582 图 21 PROFIBUS 协议结构 PROFIBUS－ DP 使用第 1 层、第 2 层和用户接 口，第 3 层到第 7 层未加以描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速性和有效性，直接数据链路映像（ DDLM, direct data link mapper）提供易于进入第 2 层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－ DP 设备的设备行为，还提供了传输用的 RS－ 485 传输技术或光纤。 PROFIBUS— FMS 对第 2 和 7 层钧加以定义，应用层包括现场总线信息规范（ FMS fieldbus message specification）和底层接口（ LLI, lower layer interface） .FMS 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务， LLI 协调了不同的通信关系，并向 FMS 提供不依赖设备访问第 2 层。 第 2层现场总线数据链路（ FDL）可完成总线访问控制和数据的可靠性，它还为PROFIBUS－ FMS 提供了 RS485 传输技术或光纤。 PROFIBUS－ PA 数据传输采用扩展的“ PROFIBUS－ DP”协议，另外还使用了描述现场设备行为的行规，根据 IEC11582 标准，这种传输技术可确保其 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 本质安全性，并使现场设备通过总线供电。 使用分段式 耦合器， PROFIBUS－PA 设备能很方便地集成到 PROFIBUS－ DP 网络。 PROFIBUS－ DP 和 PROFIBUS－ FMS 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 PROFIBUS 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。 主站决定总线的数据通信，当主站得到总线的控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。 主站从 PROFIBUS 协议讲，也称为主动站。 从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。 它 们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认，或当主站发出请求时向它发送信息。 从站也称为被动站。 由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。 PROFIBUS 的 DP、 FMS 和 PA 均使用单一的总线存取协议，该协议通过OSI 参考模型的第 2 层来实现，它包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。 在 PROFIBUS 中，第 2 层称为现场总线数据链路（ FDL, fieldbus data link） .介质存取控制（ MAC， medium access control）具体控制数据传输的程序， MAC必须确保在任何一个时 刻只能有一个站点发送数据。 PROFIBUS 协议的设计旨在满足介质存取控制的两个基本要求： 1 在复杂的自动化系统（主站）间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 2 在复杂的程序控制器和简单的 I/O 设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此， PROFIBUS 总线存取协议包括主站主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。 如图 所示。 主站 PS,TN,NS 令牌流动 PS,TN,NS PS,TN,NS PS,TN,NS 从站 图 22 PROFIBUS 总线存取协议 令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权（令牌），令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在 PROFIBUS 中，令牌只在各主站之间通信时使用。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息，通过这种存取方法，可以实现 下列系统配置：纯主 —从系统（单主站）；纯主 — 主系统（带令牌传递）；混合系统（多主－多从）。 图 22 中的四个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站2 11 3 4 5 6 7 8 9 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照主－从关系表与所有从站通信，也可依照主－主关系表与所有主站通信。 令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递。 在总线系统初建时，主站介质存取控制 MAC 的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总线运行期间，断电或损坏的主站必 须从环中删除，新上电的主站必须加入逻辑环。 另外，总线存取控制保证令牌按地址升序，依次在各主站间传送，各主站的令牌具体保持时间长短取决于该令牌配置的循环时间。 此外， PROFIBUS 介质存取控制的特点是监测传输介质及收发器是否损坏，检查站点地址是否出错（如地址重复），以及令牌错误（如多个令牌或令牌丢失）。 第 2 层的另一个重要作用是保证数据的可靠性。 PROFIBUS 第 2 层的结构格式保证高度的数据完整性，这时所有报文的海明距离 HD＝ 4 以及使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节同步传输和每个字节的奇偶校验来保证。 PROFIBUS 第 2 层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信（广播及有选择广播）功能。 通讯方式 PROFIBUS 的通讯有许多种方式，如 FMS、 FDL、 DP 以及与 PA 的通讯等等。 这里所指的通讯方式与物理连接方式无关，即无论采用上述何种物理连接方式，逻辑通讯上都可以使用 FMS、 FDL 或 DP 的通讯方式。 1 PROFIBUS –DP 总线结构 三种 PROFIBUS 即 DP、 FMS、 PA 均使用一致的总线存取协议。 该协议是通过 OSI 参考模型第二层（数据链路层）来实现的。 它包括了数 据可靠性技术 、 传输协议和报文处理。 在 PROFIBUS 中，第二层为现场总线数据链路层 ，介质存取控制具体控制数据传输的 顺 序， MAC 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 PROFIBUS 总线存取协议 中 ，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。 在总线系统初建时，主站介质存取控制 MAC的任务是制定总线上的站点分配 ， 并建立逻辑环。 在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。 数据链路层（ FDL）的主要 任务是保证数据的可靠性。 PROFIBUS 第二层的数据结构格式可保证 数据的高度完整性 , PROFIBUS 第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信。 PROFIBUS 总线循环时间必须要比主站（ PLC）程序循环时间短。 除周期性用户数据传输外， PROFIBUSDP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。 PROFIBUSDP 的传输 采用 RS485 双绞线、双线电缆或光缆 ，传输 波特率从。 PROFIBUS DP 主站和 DP从站循环 进行 用户数据传送。 各 DP 从站的动态激活 、 DP 从站组态的检查 均由总 线完成，同时总线还具有 强大的诊断功能， 可提供 三级诊断信息 、 输入或输 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 出的同步 、 通过总线给 DP 从站赋予地址 、 通过总线对 DP 主站（ DPM1）进行配置 等等。 每 个 DP 从站的输入和输出数据最大为 246 字节 ， 所有信息的传输按海明距离 HD=4 进行 ， DP 从站带看门狗定时器 ， 对 DP 从站的输入 /输出进行存取保护。 DP 主站上带可变定时器的用户数据传送监视。 DPM1 和相关 DP 从站之间的用户数据传输是由 DPM1 按照确定的递归顺序自动进行 ， 在对总线系统进行组态时，用户对 DP 从站与 DPM1 的关系作出规定，确定哪些 DP 从站被纳入信息交换的循 环周期，哪些被排斥在外。 2 PROFIBUSDP 的主要特点 中央控制器（主站）周期性地读取从设备（从站）的输入信息，并周期性地向从站发送输出信息，总线循环时间必须比中央控制器的程序循环时间短，。