西门子PLC DP方式控制G130四变频主从同步

摘 要: 本文简述了炼钢转炉中四个变频电机主从同步控制中，用PROFIBUS-DP的方式替代传统的硬线连接控制。主要包括SIEMENS自动控制系统的特点、PLC与变频器通过DP通讯的硬件组态、交流变频传动、HMI上位机显示。该设计的成功应用，降低了生产成本，充分利用了变频器的灵活性，降低了故障率。

关键词:PROFIBUS-DP通信；西门子PLC应用；G130；力矩控制

中图分类号：TN830文献标识码： A

转炉炼钢是冶金行业目前使用最广泛的炼钢方法之一。高炉铁水的倒入和成品钢水的倒出，都是由转炉的倾动系统完成的。由于倾动装置在正常生产时，需要对倾动设备进行频繁的快速启动、快速制动、快速反向启动，对转炉倾动系统的控制精度和控制强度要求很高。本文通过西门子PLC用PROFIBUS-DP的方式连接西门子G130变频器，并实现四台变频电机的主从同步。

1系统设计

由于转炉倾动四台电机和氧枪两台电机都是采用交流变频调速控制，加上炼钢现场干扰信号多而复杂。我们采用抗干扰能力强的PROFIBUS-DP总线来取代传统的硬线链接的方式控制变频器，减少信号的干扰，提高控制的准确度。通过PROFIBUS-DP总线还可以提取变频器在运行时的电流、力矩、频率等信号。四台倾动电机与减速机之间硬性齿轮连接。我们采用一主三从的控制方式，达到四台电机的同步运行。

1.1硬件组成

西门子PLC选用S7-400控制系统, 上位机画面选用WINCC 6.2中文版。远程站选用ET200M带S7-300的SM信号模块。CPU、ET200M、变频器之间通过双绞线连接，采用PROFIBUS-DP通信协议。倾动变频器选择西门子的最新产品G130,四台变频器之间通过光纤高速通信。每台变频器在设置DP地址时，依次设置为不同的DP地址，防止地址冲突。上位机PC机选择用CP1613通讯卡连接到DP网络。在变频器输入输出侧配有与功率相适应的输入、输出电抗器。

1.2 软件组成

西门子PLC的编程软件采用STEP 7 V5.4中文版，上位机显示软件采用西门子WINCC V6.0组态软件。数据库选用WINCC配套的Microsoft Server 2000.西门子变频器的调试软件选用SIMOTION SCOUT V4.3。

2.系统功能实现

在STEP 7软件中添加西门子变频器G130的GSD 文件。在硬件组态中设置好变频器的DP地址、PPO 类型、通讯波特率。过程数据对象PPO 包含用户的数据,可用的数据结构分为两部分过程通道PZD 部分、参数通道PKW 部分。将G130连接到DP网上，并组态G130的通信区。通信区的设置与应用方式有关。设定值和控制字以及他们的反馈数据存放于PZD区。而读写变频器的电流、力矩、频率还要用到PKW区。

2.1西门子PLC系统

S7-400由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输入输出模块（SM）。各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。 CP5613自身带微处理器，用于将 PC 和 SIMATIC 编程器/PC 连接到 PROFIBUS-DP，最高速度 12 Mbit/s 。开放式通讯（发送/接收）基于 FDL 接口 。多达 4 个通讯处理器可多协议操作和并行操作。并且支持恒定的总线循环时间。

2.2PROFIBUS通信协议

PROFIBUS-DP是开放式的通讯协议,每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。传输速率可在9.6kB/S～12MB/S间选择。传输介质可以用金属双绞线或光纤。提供通用的功能模块管理规范。在一定范围内可实现相互操作。提供系统通信管理软件(包括波形识别、速率识别和协议识别等功能)。提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障时输出全为零)。在同一个PROFIBUS-DP网络段内最多可以加载31 个节点。如果覆盖节点距离大于50m，可采用RS485中继器来扩展节点间的连接距离。如果在两个RS485中继器之间没有其他节点，那就能在两个中继器之间设一条长达1000m的电缆，这是两个中继器之间的最长电缆长度。连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），网络插头（PROFIBUS接头）带有终端电阻在本系统中。网络中继器可以放大信号并带有光电隔离，所以可用于扩展节点间的连接距离(最多增大20倍)；也可用作抗干扰隔离。由于远程站ET200M相距较远且比较分散，选用PROFIBUS-DP网络减少了电缆线的敷设和故障率。变频器的命令源设定来自DP通讯，设定的站号地址和通讯速率与硬件组态一致。

2.3变频器传动控制

对变频器的传动设计中，首先指定四台变频器中的一台为主变频器，PLC将命令传递到主变频器，主变频器收到速度信号后，主变频器计算出相应的力矩信号通过光纤向另外的三台从变频器传递。此信号作为其他变频器的转矩给定进行转矩控制。当其中一台从变频器发生故障时,主变频器内部的转矩输出信号仍可以给另外两台从变频器传递转矩给定信号,继续进行转矩控制; 当任意一台变频器发生故障时, 西门子PLC 会通过PROFIBUS-DP读取变频器的故障字代码，在画面上提示操作人员进行紧急处理。

2.4矢量控制

采用矢量控制的方式主要是为了提高变频器调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。由于转炉倾动为重载启动，为防止在刚刚启动时出现溜车。本设计采用变频器控制抱闸。在变频器收到方向命令和速度数值后，首先检测变频器的电流值是否超过设定的打开抱闸预定的电流值。只有实际的电流值超过设定电流值时，变频器的DO输出抱闸启动，四台抱闸同时打开。四台变频器有三台工作即可正常工作，故障的变频器只提示操作者，系统仍正常运行。当主变频器故障时，可在操作画面上切换变频器的命令源，使其他变频器为主变频器。原来的主变频器作为从机。

2.5 PLC读取G130信息

西门子PLC在OB1中，调用特殊功能块SFC14和SFC15，完成从站数据的读写。其中功能块SFC14（“DPRD_DAT”）用于读PROFIBUS-DP从站（变频器）的数据；功能块SFC15（“DPWD_DAT”）用于将设定的数据写入PROFIBUS-DP从站中去。程程如下所示：

CALL“DPRD_DAT” SFCl4

LADDR ：= W#16#32

RECORD ：= P#DBl．DBX0．0 BYTE 20

RET_VAL ：= MW2

SFCl4解开主站存放在IB50～IB69的数据包并放在DBl．DBBO～DBl．DBB19中。 CALL“DPWR_DAT” SFCl5

LADDR ：= W#16#32

RECORD ：= P#DB2．DBX0．0 BYTE 20

RET_VAL ：= MW4

SFCl5给存放在DB2．DBBO～DBl．DBB19中的数据打包，通过QB50～QB69发送出去。

3.结束语

本系统已正常运行一年半，经过两次的设计再优化，设备运行完全能满足生产工艺的要求，运行稳定，故障率极低。证明了该设计在技术上是可行的，经济上是合理的，应加以推广。

参考文献

[1]吴忠智.调速用变频器及配套设备选用指南［M］.北京:机械工业出版社，2006

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[3]黎冰.变频器实用手册［M］.化学工业出版社 2011.

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