現場總線PROFIBUS-DP 主-從站技術在變頻調速系統中的應用

黃敦華， 崔躍芬

(北京電子科技職業學院，北京100176)

0 引 言

現場總線PROFIBUS-DP 主-從站控制技術與系統結構，是當今實際應用性強的控制系統模式。PLC 與其它現場總線設備組成“一主站一從站”或“一主站多從站”的系統結構，具有技術先進，控制方案靈活，運行效率高，安全可靠等優點。在目前工廠自動化和生產過程自動化領域應用廣泛。本文論述了PLC 實現主-從站數據接收/發送的多種交換模式，PLC 主-從站閉環變頻調速編程技術要點與多種調試方法。

1 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調速系統技術方案

系統采用了“現場總線PROFIBUS-DP 主-從站，PLC 控制器，智能控制、數字測速、上位監控，變頻調速”等多種先進技術，構建了管理層、主站層、從站層和現場層變頻調速系統結構，旨在說明與剖析“一主站一從站”系統結構、技術難點、實現方法與技術路線，如圖1 所示。

圖1 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調速系統結構圖

管理層由PC 機、STEP7 編程軟件、STEP7-Micro WIN V4.0 編程軟件、WINCC 和組態王上位監控軟件等組成，PC 機與主、從站采用MPI(或PROFIBUS-DP)和PPI 通訊方式，重點實現管理層與主、從站層的通訊與信息交互的關鍵技術內容［1］。

主站層選用S7-300PLC 作為主站，采用MPI 和現場總線PROFIBUS-DP 通訊技術，擴展了電源模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等。重點實現主站層與管理層、從站層的通訊與信息交互的關鍵技術內容。

從站層選用S7-200PLC 作為從站，采用PPI 通訊方式，擴展了現場總線PROFIBUS-DP 通訊模塊EM277，擴展了模擬量輸入/輸出模塊EM235，重點實現從站層與主站層、現場層的通訊與信息交互的關鍵技術內容。

現場層由MM440 變頻器、異步電動機、磁粉制動器、光電編碼器、轉速測量模塊等組成，重點實現現場層與從站層的數據檢測與反饋，接收并執行控制量，對電機實時控制等關鍵技術內容。

2 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調速的數據交換與編程實現

2.1 PROFIBUS-DP 主-從站的通訊映像區

2.1.1 主-從站硬件組態

遵循“先主站，后從站”的原則進行硬件組態，先進行S7-300PLC 主站的硬件模塊組態，設定CPU 地址為2，PROFIBUS-DP 通訊速率為1.5 Mbps［2］。再安裝S7-200PLC 從站的EM277 現場總線PROFIBUS-DP 通訊GSD 文件(SIEM089D. GSD)，并把S7-200PLC 從站掛在主站的 PROFIBUS-DP 總線上，設定從站PROFIBUS-DP 地址設為6，通訊速率為1.5 Mb/s。

2.1.2 主-從站通訊映像區

S7-300PLC 與200PLC 主-從站PROFIBUS-DP 通訊映射區與對應關系是該設計的技術難點，根據實際數據的傳輸量大小來配置PROFIBUS-DP 通訊映射區的大小，配置的通訊區大小為8 Byte 輸入/8 Byte 輸出，通訊映像區輸入地址IB6 ～IB13 為接收，輸出地址QB0 ～QB7 為發送。

S7-200PLC 從站通訊區默認是全局變量V 存儲區，V 區的起始地址設為200。配置的S7-200PLC 從站通訊映像區輸入地址VB200-VB207 為接收(對應300PLC 主站的QB0 ～QB7)，輸出地址VB208-VB215為發送(對應300PLC 主站的IB6 ～IB13)。

S7-300PLC 主站與200PLC 從站的通訊映像區地址對應關系如圖2 所示。

圖2 PROFIBUS-DP 主-從站地址映像區對應關系

2.2 PROFIBUS-DP 主-從站的數據交換模式

探索出了PROFIBUS-DP 主-從站數據發送/接收多種交換模式，如不打包的數據交換模式，打包的數據交換模式，各有特點，方便靈活，易于實現。

2.2.1 不打包的數據交換模式

在S7-300PLC 主站控制程序中，采用MOVE 指令進行不打包的數據接收/發送，每次最多接收或發送4 Byte 數據［3］。接收數據時，MOVE 指令的IN 管腳為映射區輸入I 的地址，用指針式指令“PIB(W 或D)+輸入地址”接收，OUT 管腳為接收數據的存儲器、共享數據塊等;發送數據時，MOVE 指令的IN 管腳為發送數據的存儲器、共享數據塊等，OUT 管腳為映射區輸出Q的地址，通過“PQB(W 或D)+輸出地址”發送，如圖3所示。

圖3 MOVE 管腳功能與接收/發送數據應用

2.2.2 打包的數據交換模式

(1)打包的SFC14(接收)與SFC15(發送)數據交換模式［3］。SFC14 為接收數據塊，每次最多4 Byte;SFC15 為數據發送塊，每次最多4 Byte。SFC14 接收塊的LADDR 管腳為映射區的輸入I 的地址，RECORD管腳為“解包讀數據”存儲區，可以是共享數據塊、存儲器與指針數據塊等［4］。

SFC15 發送塊的LADDR 管腳為映射區輸出的Q的地址，RECORD 管腳為“打包寫數據”存儲區，可以是共享數據塊、存儲器與指針數據塊等。

再通過PROFIBUS-DP 現場總線進行數據發送/接收信息交換。SFC14 接收和SFC15 發送應用與管腳功能如圖4 所示。

圖4 SFC14/SFC15 管腳功能與接收/發送數據應用

(2)打包的SFC20(接收/發送)數據交換模式。SFC20 既可以接收數據，也可以發送數據，沒有字節的限制。在S7-300PLC 主站控制程序中，SFC20 接收塊的SRCBLK 管腳為映射區的輸入I 的地址，必須以指針P 方式書寫，DSTBLK 管腳為“解包讀數據”存儲區，可以是共享數據塊、存儲器等［5］。

SFC20 發送塊的SRCBLK 管腳為“打包寫數據”存儲區，可以是共享數據塊、存儲器等，DSTBLK 管腳為映射區的輸出Q 的地址，必須以指針P 方式書寫。

再通過PROFIBUS-DP 現場總線進行數據發送/接收信息交換。SFC20 接收和發送應用與管腳功能如圖5 所示。

圖5 SFC20 管腳功能與接收/發送數據應用

2.3 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調速的編程實現

S7-300PLC 主站控制器實現主-從站的數據接收/發送信息交換，并與上位監控進行技術鏈接［6］;S7-200PLC 從站控制器實現閉環變頻調速，參數量程自動轉換，主-從站的數據接收/發送信息交換等功能［7］。

2.3.1 S7-200PLC 從站層程序設計技術要點

閉環控制原理:S7-200PLC 的模擬量輸出0 ～10 VDC(對應數字量0 ～32 000)，作為MM440 變頻器的模擬量輸入0 ～10 VDC，對應頻率0 ～50 Hz;對應電動機轉速0 ～1 500 r/min。光電編碼器實時檢測電動機的轉速，并轉換成脈沖數反饋到PLC 的I0.0 和I0.1高速計數口，與轉速給定進行比較，其偏差按PID 算法計算出實時控制量控制變頻器，構成了閉環變頻調速控制系統［8］。

S7-200PLC 從站采用模塊化程序設計方法，包括主程序，定時中斷程序;參數量程自動轉換、數據接收/發送、中值數字濾波等子程序。

(1)定時中斷程序。采用定時器中斷SMB34(采樣周期為100 ms)，HDEF/HSC 中斷指令，高速計數器HSCO(/模式9/增計數)等編程技術，設計出定時中斷程序INT0，在有轉速給定與PID 參數運行系統的前提下，光電編碼器實時采集A、B 兩相正交脈沖數并反饋到200PLC 高速計數口I0.0，I0.1，再把脈沖數轉換為實數與給定進行比較，其偏差與PID 參數進行輸出控制量的計算，每100 ms 刷新一次控制量，實時控制閉環變頻調速系統運行。

(2)參數量程自動轉換子程序。采用數字測速、M 法整定、數據運算等技術來編寫參數量程自動轉換子程序，實現主-從站的控制電壓、實際頻率、輸出電壓、電動機轉速等數據交換［9］。

譬如:轉速轉換是把數字脈沖整定成實際電動機轉速來進行主-從站數據交換與顯示的。M 法整定表達式為:

其中:M1為在TC時間內所計的脈沖個數;Z 為光電編碼器每圈的脈沖數(600 個);TC為采樣時間(s);n 為電動機的實際轉速(r/min)。

(3)數據接收/發送子程序。設計S7-200PLC 從站數據接收/發送子程序時，關鍵技術點是要通過發送映像區QB0 ～QB7 和接收映像區IB6 ～IB13 的地址來進行數據交換的，也就是從站編程時凡是與300PLC主站交換的數據放在VB200 ～VB215 中［10］。譬如:200PLC 從站發送的轉速反饋VW350 通過傳送指令發送到VW208 中;發送的輸出頻率VD512 通過傳送指令發送到VD210 中;接收主站的轉速給定VD200 通過傳送指令存入到VD400 中;接收主站的啟動/停止命令 存 入 到V204. 0，V205. 0 中，再 通 過 現 場 總 線PROFIBUS-DP 進行主-從站的數據交換。

2.3.2 S7-300PLC 主站層程序設計技術要點

S7-300PLC 主站采用結構化程序設計技術，包括主程序，FC 數據接收/發送子程序，共享數據塊DB1，VAT_1 變量表等，關鍵技術點是掌握主-從站映像區地址的對應關系與數據接收/發送交換模式程序的設計［11］。

本設計采用了不打包的數據交換模式MOVE，打包的數據交換模式SFC14/SFC15，打包的數據交換模式SFC20 都實現了主-從站的數據接收/發送操作［12］，詳見“PROFIBUS-DP 主-從站的數據交換模式”編程，這里不再論述。

3 PROFIBUS-DP 主-從站變頻調速的調試方法

3.1 程序變量調試法

3.1.1 S7-200PLC 從站狀態表調試

在S7-200PLC 從站建立程序狀態表，與S7-300PLC 主 站 進 行 數 據 接 收/發 送 信 息 交 換［13］。200PLC 從站接收300PLC 主站發送來的“轉速給定”存入VD200 中;接收主站發送來的“啟動/停止”命令存入VB204、VB205 中;發送“轉速反饋”VW208 到300PLC 主站的IW6 中;發送“輸出頻率”VD210 到300PLC 主站的ID8 中。VD112 為增益KC;VD120 為積分時間TI。

3.1.2 S7-300PLC 主站VAT 變量表調試

在300PLC 主站建立VAT 變量表，與S7-200PLC從站進行數據接收/發送信息交換［14］。300PLC 主站發送“轉速給定”QD0 到200PLC 從站的VD200 中;發送“啟動/停止”命令QB4、QB5 到200PLC 從站的VB204、VB205 中;接收“轉速反饋”VW208 到IW6 中;接收“實際頻率”VD210 到ID8 中。

S7-200PLC 從站狀態表與300PLC 主站VAT_1 變量表數據接收/發送對應關系如圖6 與圖7 所示。

圖6 S7-200PLC 從站狀態表

3.1.3 S7-300PLC 主站共享數據塊調試

在S7-300PLC 主站中，建立共享數據塊DB1，以便查看主-從站的數據交換［15］。把轉速反饋nfk 存入DB1.DBW0 中，把轉速給定ngd 存入DB1. DBD2 中，把實際頻率f 存入DB1.DBD6 中。如圖8 所示。

圖7 300PLC 主站VAT_1 表數據接收/發送對應關系

圖8 S7-300PLC 主站共享數據塊DB1 運行畫面

3.2 上位監控調試法

采用組態王上位監控技術與PLC 控制技術相結合的方法，把300PLC 主站程序變量鏈接到組態王數據詞典中，再建立驅動連接，實現了上位監控與S7-300PLC 主站層的技術鏈接。設計出了系統的工藝圖形、數據報表、故障報警、實時趨勢與歷史趨勢等畫面，為系統調試、分析性能指標提供了更有效的手段［16］。

在上位監控的工藝圖形中，300PLC 主站發送“轉速給定”，“啟動/停止”命令到從站;并接收轉速反饋、實際頻率等數據，這些數據實時顯示在監控畫面中。

從上位監控的歷史趨勢圖9 中看出，轉速給定1 000 r/min，帶3 N·m 的負載運行，系統調節時間10 s 左右，超調量小于2%，穩態誤差小于1%，突增負載擾動能很快克服掉，實踐結果證明了該系統的設計方案與控制策略是有效的［17］。

圖9 轉速給定與轉速反饋的歷史趨勢

4 結 語

本設計不論在主站、從站還是上位監控系統，都能準確地實現主-從站系統的啟動/停止，接收/發送數據操作，可靠性高，實際應用性強。基于PROFIBUS-DP主-從站技術的變頻調速控制方案與網絡結構，確保了整個系統硬件配置靈活，軟件設計方便，數據交換實時性好，抗干擾能力強，為現場復雜系統實現“一主站多從站”的完整解決方案提供了有效的技術依據。

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