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基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

电子设计 来源:中国造纸 作者:孟彦京;周晓慧; 2020-04-03 12:35 次阅读

为了在造纸机高速运行状态(600 m/min以上)下对纸机各传动点进行同步控制和负荷控制,通常需要采用PROFIBUS-DP现场总线的多电机同步传动控制系统,解决多电机控制的同步性以及信号通讯的实时性、快速性和高精度性。

PR0FIBUS主要用以实现分散式数字化控制器从现场底层到车间级的网络化,它具有通信速率高、可靠性强、维护方便及总线协议开放等突出优点。开发PROFIBUS通讯转换接口,使现场底层的分散式数字化控制器能接到PROFIBUS-DP总线网络中就显得尤勾重要。本文对自行研究设计的PROFIBUS-DP转换接口在2350/650纸机传动控制系统中的应用作一介绍。

1 、纸机控制系统

以2350/650造纸机传动控制系统为例,该系统采用PC机作为上位机西门子400PLC作为中心控制器,并由ABB公司ACS400变频器通过PROFIBUS.DIP通讯转换接口与PLC构成PROFIBUS.DP控制系统同时驱动负载,如图1所示。

基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

2、 PROFIBUS-DP总线通讯转换接口

从图2中可以看出,PLC通过PROFIBUS-DP总线与变频器进行通讯的过程中,PR0FIBUS-DP通讯转换接口是信号通讯的关键部分。在本设计的通讯接口中使用的是PR0FIBuS通信专用ASIC结合单片机。其中PROFIBUS通信专用ASIC选用的是西门子公司的SPC3,系统的控制核心选用Intel公司的MCS.51系列单片机中的80C31。

PROFIBUS-DP接口主要由处理器接口和串行总线接口组成。在处理器接口电路中,80C31通过Po口和P2口扩展外部存储器,将SPC3内部的双口RAM作为自己的外部RAM,通过对双口RA M的读写来完成对SPC3的初始化和有关数据的交换。SPC3芯片通过请求发送信号(RTS),发送数据信号(TXD),接收数据信号(RXD),通过高速光耦HCPL7720和总线收发器SN75ALS176相连,构成串行总线接口。

基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

PROFIBUS-DP网络接口在物理上与RS485网络接口相近,从图3可以看出,PR0FIBUS-DP总线驱动一侧和主站连接;另一侧通过光耦与SPC3连接。采用光耦主要是为了消除来自零线上的干扰。在本设计中选用了SN75ALS176总线驱动芯片和HCPL772O光耦。HCPL7720光耦是一种比较特殊的光耦,为双电源供电,速度最高达25Mb/s。另外, 在本设计中PR0FIBUs-DP总线电缆采用的是A类型的屏蔽双绞线,有助于改善电磁兼容性,其特征阻抗为130~165Q,截面积》0.34 mm。

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFI.BUS-DP协议,因此8OC31不用参与处理PR0FIBUS.DP协议。80C31的主要任务是对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种报文的处理。图3为其主程序流程图。

基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

3、 基于PROFIBUS-DP总线的控制系统的工作过程

3.1 系统的控制过程

从图1可以看出,系统由PC机发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态的作用;数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器(PG),由PG分别测量造纸传动中各单元的实际速度,送入变频器,再通过自行开发的转换接口将此信号传输给PLC;PLC通过现场总线协议读取变频器寄存器中的运行频率与速度计算值,然后与设定运行参数综合,按既定的同步控制策略进行运算和控制,得到各单元电机的整定运行速度设定值,通过PROFIBUS.DP写入变频器执行。

由于PLC直接通过数字通讯模式,按照一定采样周期进行信息的输入、处理和输出,简化了系统外围模块,缩短了控制周期,同时提高了在线监测、运算和驱动能力,控制精度和工作可靠性也进一步提高。另外,可以通过通信接口将变频器相关参数反馈到PLC,并由PC机实时监控,并可根据实际情况做出相关的判断和调整,使操作更加简单、直观。系统运行参数的设定也可以通过远程通信实现,低操作故障,减少劳动力的投入。

3.2 通讯接口与变频器之问数据通讯

3.2.1 变频器参数设置

在通信接15与变频器进行通信时,通信接15的参数应与变频器的参数设置相对应。主要设置的参数有站地址、通信速率、校验等,变频器的参数设置见表1。

基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

3.2.2 通信接口与变频器之间的数据交换

通信接口与变频器之间的数据交换是根据PROFIBUS-DP主站传送的数据长度确定对变频器进行读、写操作的具体内容。这里选择8字节的输入及输出来说明读写操作的具体内容。读操作:当系统为8字节输出时,通信接口需要读取变频器的状态字、运行频率、计算车速、计算转矩。写操作:当系统为8字节输入时,通信接口需要给变频器发送控制字、外部给定1、外部给定2。详细内容如表2所示。

基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

4、 应用效果

(1)系统的通讯速率可达到1.5Mb/s,大大超过以前应用RS485总线的9.6kb/s,保证了各传动点实时同步。

(2)系统的控制精度达到0.1%,动态精度(最大扰动偏差)为5%,负荷分配控制精度可维持在5%以内。

(3)系统的动态响应小于0.02s,能够及时进行纸机运行信息的交换和共享,确保了纸机高速稳定运行,减少了纸幅断头。

(4)系统采用PROFIBUS.DP控制威廉希尔官方网站 ,全部的控制功能是由现场总线通讯完成,省去了成千上万个线路节点,提高了系统的可靠性,节约了控制电缆,降低了系统成本。

5、 结语

在这套控制系统中PROFIBUS-DP将所有的站点连接到一起,系统信息都是通过它进行传递。利用PROFIBUS-DP完成系统各设备间的通讯,形成网络系统,提高系统的智能化程度,实现复杂的控制功能。在实际中,用它对造纸机控制系统进行改造,完成了预期的通信和控制功能,大大提高了生产效率,取得了满意的效果。

责任编辑:gt


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