现场总线PROFIBUS-DP 主-从站技术在变频调速系统中的应用

2015-12-23黄敦华崔跃芬

实验室研究与探索 2015年9期

黄敦华，崔跃芬

(北京电子科技职业学院，北京100176)

0 引言

现场总线PROFIBUS-DP 主-从站控制技术与系统结构，是当今实际应用性强的控制系统模式。PLC 与其它现场总线设备组成“一主站一从站”或“一主站多从站”的系统结构，具有技术先进，控制方案灵活，运行效率高，安全可靠等优点。在目前工厂自动化和生产过程自动化领域应用广泛。本文论述了PLC 实现主-从站数据接收/发送的多种交换模式，PLC 主-从站闭环变频调速编程技术要点与多种调试方法。

1 PROFIBUS-DP 主-从站变频调速系统技术方案

系统采用了“现场总线PROFIBUS-DP 主-从站，PLC 控制器，智能控制、数字测速、上位监控，变频调速”等多种先进技术，构建了管理层、主站层、从站层和现场层变频调速系统结构，旨在说明与剖析“一主站一从站”系统结构、技术难点、实现方法与技术路线，如图1 所示。

图1 PROFIBUS-DP 主-从站变频调速系统结构图

管理层由PC 机、STEP7 编程软件、STEP7-Micro WIN V4.0 编程软件、WINCC 和组态王上位监控软件等组成，PC 机与主、从站采用MPI(或PROFIBUS-DP)和PPI 通讯方式，重点实现管理层与主、从站层的通讯与信息交互的关键技术内容［1］。

主站层选用S7-300PLC 作为主站，采用MPI 和现场总线PROFIBUS-DP 通讯技术，扩展了电源模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块等。重点实现主站层与管理层、从站层的通讯与信息交互的关键技术内容。

从站层选用S7-200PLC 作为从站，采用PPI 通讯方式，扩展了现场总线PROFIBUS-DP 通讯模块EM277，扩展了模拟量输入/输出模块EM235，重点实现从站层与主站层、现场层的通讯与信息交互的关键技术内容。

现场层由MM440 变频器、异步电动机、磁粉制动器、光电编码器、转速测量模块等组成，重点实现现场层与从站层的数据检测与反馈，接收并执行控制量，对电机实时控制等关键技术内容。

2 PROFIBUS-DP 主-从站变频调速的数据交换与编程实现

2.1 PROFIBUS-DP 主-从站的通讯映像区

2.1.1 主-从站硬件组态

遵循“先主站，后从站”的原则进行硬件组态，先进行S7-300PLC 主站的硬件模块组态，设定CPU 地址为2，PROFIBUS-DP 通讯速率为1.5 Mbps［2］。再安装S7-200PLC 从站的EM277 现场总线PROFIBUS-DP 通讯GSD 文件(SIEM089D. GSD)，并把S7-200PLC 从站挂在主站的 PROFIBUS-DP 总线上，设定从站PROFIBUS-DP 地址设为6，通讯速率为1.5 Mb/s。

2.1.2 主-从站通讯映像区

S7-300PLC 与200PLC 主-从站PROFIBUS-DP 通讯映射区与对应关系是该设计的技术难点，根据实际数据的传输量大小来配置PROFIBUS-DP 通讯映射区的大小，配置的通讯区大小为8 Byte 输入/8 Byte 输出，通讯映像区输入地址IB6 ～IB13 为接收，输出地址QB0 ～QB7 为发送。

S7-200PLC 从站通讯区默认是全局变量V 存储区，V 区的起始地址设为200。配置的S7-200PLC 从站通讯映像区输入地址VB200-VB207 为接收(对应300PLC 主站的QB0 ～QB7)，输出地址VB208-VB215为发送(对应300PLC 主站的IB6 ～IB13)。

S7-300PLC 主站与200PLC 从站的通讯映像区地址对应关系如图2 所示。

图2 PROFIBUS-DP 主-从站地址映像区对应关系

2.2 PROFIBUS-DP 主-从站的数据交换模式

探索出了PROFIBUS-DP 主-从站数据发送/接收多种交换模式，如不打包的数据交换模式，打包的数据交换模式，各有特点，方便灵活，易于实现。

2.2.1 不打包的数据交换模式

在S7-300PLC 主站控制程序中，采用MOVE 指令进行不打包的数据接收/发送，每次最多接收或发送4 Byte 数据［3］。接收数据时，MOVE 指令的IN 管脚为映射区输入I 的地址，用指针式指令“PIB(W 或D)+输入地址”接收，OUT 管脚为接收数据的存储器、共享数据块等;发送数据时，MOVE 指令的IN 管脚为发送数据的存储器、共享数据块等，OUT 管脚为映射区输出Q的地址，通过“PQB(W 或D)+输出地址”发送，如图3所示。

图3 MOVE 管脚功能与接收/发送数据应用

2.2.2 打包的数据交换模式

(1)打包的SFC14(接收)与SFC15(发送)数据交换模式［3］。SFC14 为接收数据块，每次最多4 Byte;SFC15 为数据发送块，每次最多4 Byte。SFC14 接收块的LADDR 管脚为映射区的输入I 的地址，RECORD管脚为“解包读数据”存储区，可以是共享数据块、存储器与指针数据块等［4］。

SFC15 发送块的LADDR 管脚为映射区输出的Q的地址，RECORD 管脚为“打包写数据”存储区，可以是共享数据块、存储器与指针数据块等。

再通过PROFIBUS-DP 现场总线进行数据发送/接收信息交换。SFC14 接收和SFC15 发送应用与管脚功能如图4 所示。

图4 SFC14/SFC15 管脚功能与接收/发送数据应用

(2)打包的SFC20(接收/发送)数据交换模式。SFC20 既可以接收数据，也可以发送数据，没有字节的限制。在S7-300PLC 主站控制程序中，SFC20 接收块的SRCBLK 管脚为映射区的输入I 的地址，必须以指针P 方式书写，DSTBLK 管脚为“解包读数据”存储区，可以是共享数据块、存储器等［5］。

SFC20 发送块的SRCBLK 管脚为“打包写数据”存储区，可以是共享数据块、存储器等，DSTBLK 管脚为映射区的输出Q 的地址，必须以指针P 方式书写。

再通过PROFIBUS-DP 现场总线进行数据发送/接收信息交换。SFC20 接收和发送应用与管脚功能如图5 所示。

图5 SFC20 管脚功能与接收/发送数据应用

2.3 PROFIBUS-DP 主-从站变频调速的编程实现

S7-300PLC 主站控制器实现主-从站的数据接收/发送信息交换，并与上位监控进行技术链接［6］;S7-200PLC 从站控制器实现闭环变频调速，参数量程自动转换，主-从站的数据接收/发送信息交换等功能［7］。

2.3.1 S7-200PLC 从站层程序设计技术要点

闭环控制原理:S7-200PLC 的模拟量输出0 ～10 VDC(对应数字量0 ～32 000)，作为MM440 变频器的模拟量输入0 ～10 VDC，对应频率0 ～50 Hz;对应电动机转速0 ～1 500 r/min。光电编码器实时检测电动机的转速，并转换成脉冲数反馈到PLC 的I0.0 和I0.1高速计数口，与转速给定进行比较，其偏差按PID 算法计算出实时控制量控制变频器，构成了闭环变频调速控制系统［8］。

S7-200PLC 从站采用模块化程序设计方法，包括主程序，定时中断程序;参数量程自动转换、数据接收/发送、中值数字滤波等子程序。

(1)定时中断程序。采用定时器中断SMB34(采样周期为100 ms)，HDEF/HSC 中断指令，高速计数器HSCO(/模式9/增计数)等编程技术，设计出定时中断程序INT0，在有转速给定与PID 参数运行系统的前提下，光电编码器实时采集A、B 两相正交脉冲数并反馈到200PLC 高速计数口I0.0，I0.1，再把脉冲数转换为实数与给定进行比较，其偏差与PID 参数进行输出控制量的计算，每100 ms 刷新一次控制量，实时控制闭环变频调速系统运行。

(2)参数量程自动转换子程序。采用数字测速、M 法整定、数据运算等技术来编写参数量程自动转换子程序，实现主-从站的控制电压、实际频率、输出电压、电动机转速等数据交换［9］。

譬如:转速转换是把数字脉冲整定成实际电动机转速来进行主-从站数据交换与显示的。M 法整定表达式为:

其中:M1为在TC时间内所计的脉冲个数;Z 为光电编码器每圈的脉冲数(600 个);TC为采样时间(s);n 为电动机的实际转速(r/min)。

(3)数据接收/发送子程序。设计S7-200PLC 从站数据接收/发送子程序时，关键技术点是要通过发送映像区QB0 ～QB7 和接收映像区IB6 ～IB13 的地址来进行数据交换的，也就是从站编程时凡是与300PLC主站交换的数据放在VB200 ～VB215 中［10］。譬如:200PLC 从站发送的转速反馈VW350 通过传送指令发送到VW208 中;发送的输出频率VD512 通过传送指令发送到VD210 中;接收主站的转速给定VD200 通过传送指令存入到VD400 中;接收主站的启动/停止命令存入到V204. 0，V205. 0 中，再通过现场总线PROFIBUS-DP 进行主-从站的数据交换。

2.3.2 S7-300PLC 主站层程序设计技术要点

S7-300PLC 主站采用结构化程序设计技术，包括主程序，FC 数据接收/发送子程序，共享数据块DB1，VAT_1 变量表等，关键技术点是掌握主-从站映像区地址的对应关系与数据接收/发送交换模式程序的设计［11］。

本设计采用了不打包的数据交换模式MOVE，打包的数据交换模式SFC14/SFC15，打包的数据交换模式SFC20 都实现了主-从站的数据接收/发送操作［12］，详见“PROFIBUS-DP 主-从站的数据交换模式”编程，这里不再论述。

3 PROFIBUS-DP 主-从站变频调速的调试方法

3.1 程序变量调试法

3.1.1 S7-200PLC 从站状态表调试

在S7-200PLC 从站建立程序状态表，与S7-300PLC 主站进行数据接收/发送信息交换［13］。200PLC 从站接收300PLC 主站发送来的“转速给定”存入VD200 中;接收主站发送来的“启动/停止”命令存入VB204、VB205 中;发送“转速反馈”VW208 到300PLC 主站的IW6 中;发送“输出频率”VD210 到300PLC 主站的ID8 中。VD112 为增益KC;VD120 为积分时间TI。

3.1.2 S7-300PLC 主站VAT 变量表调试

在300PLC 主站建立VAT 变量表，与S7-200PLC从站进行数据接收/发送信息交换［14］。300PLC 主站发送“转速给定”QD0 到200PLC 从站的VD200 中;发送“启动/停止”命令QB4、QB5 到200PLC 从站的VB204、VB205 中;接收“转速反馈”VW208 到IW6 中;接收“实际频率”VD210 到ID8 中。

S7-200PLC 从站状态表与300PLC 主站VAT_1 变量表数据接收/发送对应关系如图6 与图7 所示。

图6 S7-200PLC 从站状态表

3.1.3 S7-300PLC 主站共享数据块调试

在S7-300PLC 主站中，建立共享数据块DB1，以便查看主-从站的数据交换［15］。把转速反馈nfk 存入DB1.DBW0 中，把转速给定ngd 存入DB1. DBD2 中，把实际频率f 存入DB1.DBD6 中。如图8 所示。

图7 300PLC 主站VAT_1 表数据接收/发送对应关系

图8 S7-300PLC 主站共享数据块DB1 运行画面

3.2 上位监控调试法

采用组态王上位监控技术与PLC 控制技术相结合的方法，把300PLC 主站程序变量链接到组态王数据词典中，再建立驱动连接，实现了上位监控与S7-300PLC 主站层的技术链接。设计出了系统的工艺图形、数据报表、故障报警、实时趋势与历史趋势等画面，为系统调试、分析性能指标提供了更有效的手段［16］。

在上位监控的工艺图形中，300PLC 主站发送“转速给定”，“启动/停止”命令到从站;并接收转速反馈、实际频率等数据，这些数据实时显示在监控画面中。

从上位监控的历史趋势图9 中看出，转速给定1 000 r/min，带3 N·m 的负载运行，系统调节时间10 s 左右，超调量小于2%，稳态误差小于1%，突增负载扰动能很快克服掉，实践结果证明了该系统的设计方案与控制策略是有效的［17］。

图9 转速给定与转速反馈的历史趋势

4 结语

本设计不论在主站、从站还是上位监控系统，都能准确地实现主-从站系统的启动/停止，接收/发送数据操作，可靠性高，实际应用性强。基于PROFIBUS-DP主-从站技术的变频调速控制方案与网络结构，确保了整个系统硬件配置灵活，软件设计方便，数据交换实时性好，抗干扰能力强，为现场复杂系统实现“一主站多从站”的完整解决方案提供了有效的技术依据。

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