基于S7—300与Profibus—DP现场总线的多电机张力控制系统的设计

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【摘要】本文介绍了某钢带厂大型钢带轧制机的控制系统，该系统由S7-300PLC、MM440变频器、异步电动机、Wincc监控软件等组成。S7-300PLC通过Profibus-DP现场总线来控制两台MM440变频器以及现场执行设备，MM440变频器分别驱动两台异步电动机，一台电动机驱动主动轮，另一台电动机控制从动轮。通过控制两台电动机之间的速度差，达到张力控制的目的，两台电动机分别实现智能模糊PI调节控制，从而有实现速度的无差控制。自安装调试成功以来，系统运行良好、性能可靠，极大地提高了劳动生产率。

【关键词】S7-300PLC；张力；Profibus-DP总线；Wincc

1.引言

近来，由于交流调速系统的发展，交流调速已被广泛应用钢铁生产领域，钢带卷绕系统的张力与速度控制是最有挑战性的控制环节。在卷绕机上，钢带张力的控制好坏是关系到产品的质量，钢带的卷绕速度是关系到生产效率，其中对张力的控制要求更高。本文作者受某钢带厂家委托，采用了西门子公司生产的MM440变频器、S7-300PLC开发了一套新的基于PROFIBUS-DP现场总线的多电机张力控制系统，并配备了西门子Wincc监控软件，提供了良好的人机界面。系统具有实时性强，运行和维护成本低，生产效率高的特点。

2.机械系统模型

图1显示了交流异步电机采用适量控制时的张力控制框图。为了能够控制卷绕系统上钢带的速度与张力，具体的控制方法是不仅控制一台电机的转速同时控制另一台的电机的相反转矩。电机1为从电动机执行张力控制，电动机2为主电动机执行系统的速度控制。不计转辊与皮带之间的粘磨系数和滑磨力，两电机与转辊间的齿轮比是15：1，卷绕系统的数学模型为（1）（2）和（3）所示。

3.Profibus-DP总线控制网络构成

根据钢带轧扎机的工艺流程和控制要求，我们采用了PROFIBUS-DP解决方案。在Profibus-DP总线控制系统中，选一台装有Wincc6.0监控软件的硕华工控公司生产的工业计算机（CPU为Pentium II 550MHz）作为第二类主站， 一台s7-CPU315-2DP的PLC作为系统的第一类主站。两台MM440变频器通过CB15接口连到Profibus-DP总线上，作为从站。第二类主站主要完成对系统底层设备变频器的远程诊断、故障报警及参数化等，第一类主站主要实现智能模糊控制算法的实现，从而控制MM440变频器的运行和Profibus-DP总线网络的管理。系统的总体控制结构图，如图4所示。

4.系统的通讯设计

MM440系列变频器都集成有两种标准的串口RS-485和RS-232，但是这种串口通信速度相对较慢，实时性差。因此我们加了Profibus-DP接口卡。Profibus-DP是目前最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。DP主站通过不断给DP从站发请求报文（含有控制和设置信息），DP从站接受报文，解析地址并与自己的站地址进行比较，如果是发给自己的信息，则在规定的时间内发响应报文（含有状态信息等）。在这过程MM440变频器还监控通讯，如果通讯失败，MM440变频器将触发一个过时响应，通知主站重发信息。图5为Profibus-DP通过FDL发送的用户数据原理主成块结构[2]，其中“DATA-UNIT”为用户根据不同的传动设备的行规而设置的用户数。图6为Profibus-DP报文基本的通讯模式。

Profibus-DP行规对用户数据（DATA-UNIT）的定义做了具体说明，利用行规可使不同厂商所生产的不同零部件互换使用。这里采用了变速传动行规：此行规规定了传动设备如何参数化以及如何传送设定值和实际值。此行规包括对速度控制和定位的必要的规格参数，规定基本的传动功能而又为特殊应用扩展和进一步发展留有余地。根据变速传动行规，这里的用户数据结构被指定为参数过程数据对象（PPO），如图7所示[2]。

图7中参数PWK和过程数据PZD的具体含义：

PWK：对于任务报文，为设置变频器的参数区；对于该控制区的数据为可选，使用数据包的短格式可以没有此项数据，本论文中采用了短格式故没用此项数据。

PZD：本论文中，采用4字节的过程数据。从主站（S7-300PLC）到从站（变频器）时，PZD一般为两字节的控制字（STW）和两字节的主设定值（HSW）；由从站（变频器）到主站（S7-300PLC）时，PZD一般的构成为两字节的状态字（ZSW）和两字节的主实际值（HIW）。控制字和状态字的具体构成如图8和图9所示， HSW为主站发送到从站的设定频率值，HIW为从站的输出实际频率值。

5.系统软件设计

系统的软件设计主要内容是通过S7-300PLC实现张力的智能模糊PID控制。S7-300PLC编程语言为STEP7，是西门子公司开发用于S7-300/400PLC的编程语言。Step7的程序是由各种功能模块构成的，正是由于这些功能模块的编程特点，使得在Step7的程序设计中方法更灵活[4、5]。图10所示为控制程序的块调用的分层结构图。

图11所示为控制程序的主控制框图。其中上电程序初始化在OB100中实现，具体的程序执行过程如图12所示。当操作系统检测到异步故障时，就会调用OB80-OB87中的故障处理程序。主程序循环OB1中我们放了一些NOP指令，程序的主体部分放在每100ms发生一次中断的OB35中实现，如图13所示，OB35中的中断服务子程序。

在张力控制回路中智能模糊PID控制器的实现，可按照在速度控制回路中的方式来编程完成。模糊逻辑解耦补偿器的编程实现相对比较简单，只要查询一维表即可。

6.结束语

本系统成功的开发了一套基于profibus-dp现场总线的钢带轧扎机控制系统。现场执行设备和主控PLC通过总线通讯，使系统实时性强，提高了系统可靠性。西门子Wincc监控软件可以方便的显示系统运行状态，设置参数和操作。系统自安装以来运行良好，钢带轧扎质量和产量多大幅提高，产生较大的经济效益。

参考文献

[1]邵裕森.过程控制系统及仪表[M].机械工业出版社， 1994，5.

[2]阳宪惠主编.现场总线技术及其应用[M].清化大学出版社，2004，5.

[3]Ladder Logic（LAD ）for S7-300 and S7-400 programming.SIEMENS AG.1998.

[4]System Software for S7-300 and S7-400 System and Standard Functions Reference Manual.SIEMENS AG.1998.

作者简介：时振伟（1979—），男，江苏无锡人，工学硕士，讲师，现供职于无锡机电高等职业技术学校，主要研究方向：电力电子技术应用，风电技术与微网。