西门子PLC与ABB变频器

摘要：文章介绍了应用西门子PLC与ABB ACS800变频器设计的造纸机电气传动控制系统。通过系统软、硬件针对Profibus-DP网、速度链设计等问题进行较为详细地描述，较好地实现了系统控制的要求。这种基于PLC和变频器的全数字控制系统适用于造纸机高速度、高可靠性控制性能的需要。 关键词：西门子PLC；造纸机；变频器；速度链；矩阵功能；电气传动 中图分类号：TP273      文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码：A      文章编号：1009-2374?（2010）15-0057-03 在纸机电气控制系统设计时，考虑到造纸机传动系统的特殊性，既要满足纸机传动控制系统的高可靠性和快速响应需求，又要具有良好的控制精度与稳定性。因此，我们选择西门子S7-300PLC和ABB-ACS800全数字多功能矢量控制变频器，利用PROFIBUS现场总线 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 通信格式实现PLC与变频器的通信功能，组成该机的控制系统。 一、ACS 800系列变频器简介 ACS 800系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性。完整的保护功能以及灵活的编程能力。因而，它能够满足绝大多数的工业现场应用。DTC技术是ACS 800变频器的核心：直接转矩控制对交流传动来说是一个最优的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。 二、系统的控制网络组成 组成PROFIBUS网络必须具备两个条件：主站的网络组态工具和从站的GSD文件，两者缺一不可。主站的网络组态工具是一个网络组态软件，用来将各个站组成网络，设置网络参数和站的参数，并将已设置好的网络组态传送给主站。GSD文件称为设备数据库文件，对一种设备类型的特征GSD文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。 在组网时，必须先把你所需的从站的GSD文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工具里就有了你所需的从站的选项。用网络组态工具建一个你所需要的网络，并设置网络参数，然后在网络上添加你所需的站，并设置站的参数，最后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个PROFIBUS网络。本控制系统结构图如图1所示： 图1  控制系统结构图 三、系统配置及通讯协议 （一）系统配置 该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品为基本元件，实现全数字交流调速系统中Profibus-DP网络的通讯以及各种系统的控制功能。附图为该系统的Profibus-DP网的网络配置图，其中PLC为西门子公司的SIMATIC S7-313-2DP，变频器为ACS800系列，RPBA-01为与变频器配套的通讯适配器。编程软件为STEP7 V5.4软件，用于对S7-300 PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通讯配置，如图2所示： 图2  网络配置图 （二）通讯协议 在本系统中，S7-300 PLC作为主站，变频器作为从站时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈的运行状态及故障报警状态的信号。变频器与RPBA-01通讯适配器相连，接入Profibus-DP网中作为从站，接受从主站SIMATIC S7-313-2DP来的控制。RPBA-01通讯适配器将从Profibus-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，数据传输中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。 变频器现场总线控制系统若从软件角度看，其核心内容是现场总线的通讯协议。Profibus-DP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO，包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码;过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。ACS 800变频器在Profibus-DP网络共有两种类型的网络PPO:一类是无PKW而有2个字或6个字的PZD;另一类是有PKW且还有2个字、6个字或10个字的PZD。将网络数据这样分类定义的目的，是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。 四、STEP7项目系统组态及通讯编程 1．使用STEP7V5.4组态软件，进入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件组态。 2．选定S7-315-2DP为主站系统，将RPBA-01的GSD(设备数据库)文件导入STEP7的编程环境中，软件组态RPBA-01到以S7-313-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型，本设计使用PPO3，设定站点网络地址。在交流调速传动装置Profibus的结构中，ABB变频器使用Profibus-DP通信模块?（RPBA-01）进行数据传输，主要是主机周期性的从从站读取输入信息并把输出信息反送给从站，因此需要在PLC主程序中调用两个系统功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现到变频器的通信控制。 3．在主PLC程序中建立一个数据块，用于与变频器的数据通信;建立一个变量表，用于观测实时通讯效果。 五、矩阵功能 为了节约PLC的I/O数字量输入点且使操作方便，在软件中使用了矩阵功能：每一个传动点（除真空伏辊）的微升、微降、松纸、紧纸都有两组常开触头，其中一组用于识别传动点，一组用于功能识别，PLC的I/O数字量输入点的功能见表1： 表1  I/O数字量输入点功能图 CPU=313C-2DP 自带16DI16DO DI I0.0 真空压榨 M1 操作=1 操作台 柜体 I0.1 正压一 M2 操作=1 操作台 柜体 I0.2 正压二 M3 操作=1 操作台 柜体 I0.3 一组烘缸 M4 操作=1 操作台 柜体 I0.4 二组烘缸 M5 操作=1 操作台 柜体 I0.5 三组烘缸 M6 操作=1 操作台 柜体 I0.6 压光机 M7 操作=1 操作台 柜体 I0.7 卷取 M8 操作=1 操作台 柜体 I1.0 备用 I1.1 备用 I1.2 主速度升 M0UP 操作=1 操作台 柜体 I1.3 主速度降 M0DOWN 操作=1 操作台 柜体 I1.4 微升 UP 操作=1 操作台 柜体 I1.5 微降 DOWN 操作=1 操作台 柜体 I1.6 紧纸 操作=1 操作台 柜体 I1.7 松纸 操作=1 操作台 柜体               六、速度链设计及速差控制    速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器数值。 该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。算法设计采用了调节变比的控制方法。如图3所示，纸机真空伏辊点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在PLC内，我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给真空伏辊，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。下一个传动点的速度值是上一个传动点的速度运行值乘以相应的速比，若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的微升、微降按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级，适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图3来体现，由PLC软件实现。 图3  纸机速度链结构图 七、变频器运行设置 变频器选用ABB公司的ACS800系列高性能变频器，ACS800变频器采用先进的DTC控制技术，内置直流电抗器，从而降低进线电源的高次谐波含量，最大起动转矩可达200%的电机额定转矩；ACS800的动态转速误差，闭环时为0.05%，静态精度为0.01%。动态转矩的阶跃响应时间，闭环时达到1～5ms。可较理想地满足该机的高传动性能的需要。 变频器与PLC应用Profibus-DP现场总线连成网络后，除在PLC自动化系统中进行编程外，在每个变频器上也要进行适当的参数设置。 通讯电缆联接后，启动变频器，完成对变频器通讯参数的设定。 （一）基本设置 1．51.01—模块类型，本参数显示由传动装置探测到的模块型号。其参数值用户不可调整。如果本参数没有定义，则不能在模块与传动之间建立通讯。 2．51.02—本参数选择通讯协议，“0”为选择Profibus-DP通讯协议。 3．51.03—本参数为Profibus连接选择的PPO类型，“2”为PPO3，但变频器上的PPO类型应与PLC上组态的PPO类型一致。 4．51.04—本参数用于定义设备地址号，即变频器的站点地址，在Profibus连路上的每一台设备都必须有一个单独的地址。本次设计中九台变频器分别为3～11号站。 （二）过程参数的连接 过程参数互联完成RPBA-01双端口RAM连接器与变频器相应参数的定义和连接，包括主站?（PLC）到变频器的连接和变频器到主站?（PLC）的连接两部分。在变频器上设定下列连接参数。 1．从PLC发送到传动装置变频器的PZD值。 l PZD1—控制字，如变频器的启动使能、停止、急停等控制命令； 继续阅读