PLC通过现场总线控制变频器的运行的例子我们在前面的擂台中已经有所出现,这里我们要实现这么一个功能:采用PLC通过一种相应的现场总线控制两台变频器,从而控制两台异步电动机,其中电动机1的速度实际值作为电动机2的速度实际值。具体控制如下:
上位机PC通过工业以太网向PLC发送变频器1/电动机1的指令数据(比如速度、方向等);PLC通过相应的现场总线(如西门子PLC通过Profibus总线,罗克韦尔PLC通过DeviceNet总线等)向变频器1发送电动机1的指令数据,使电动机1按照指令运转;变频器1通过相应的现场总线返回电动机1运行过程数据给PLC;PLC根据返回的电动机1过程数据,作为电动机2的指令数据,通过现场总线发送给变频器2,控制电动机2跟随电动机1运转;电动机2运行的过程数据从变频器2通过现场总线再返回给PLC;所有返回给PLC的数据再通过以太网返回给上位机PC进行监控!(上微机的监控不需要大家做)。
其控制示意图如下图所示:
PLC通过现场总线控制两台变频器数据流向示意图
PLC品牌和变频器品牌不限。要求有详细的程序和变频器相关控制字的写入和状态字的指示说明。
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基于PROFIBUS现场总线的PLC与传动变频器间的通讯
1 profibus现场总线概述
profibus是一种应用较为广泛的现场总线,其总线标准是国际总线标准ie61158的重要组成部分。是一种开放式系统,令牌结构,以互联网(open system interconnection-sio)作为参考模型。有3个兼容部分组成部分即profibus-dp(decentralized periphery), profibus-pa(process automation),profibus-fms(fieldbus message specification)。其中dp是一种高速低成本通讯,用于设备级控制系统与分散式i/o的通讯。采用rs485数据接口,传输介质用光纤或双绞电缆,传输波特率从(9.6k~12m)bps,传输距离可以通过repeter进行扩展,每个dp网上可以同时配置122个从站,是一种功能强大的现场总线。下面介绍的plc和变频器间的通讯也是基于profibus-dp技术进行的。
2 profibus-dp的数据通讯格式
传动装置通过profibus-dp网与主站plc的接口是经过通讯模块cbp板来实现的,带有dp口的s7-300和400 plc也可以通过cpu上的dp口来实现。采用rs485接口及支持(9.6k~12m)bps波特率数据传输(数据传输的结构如图1所示),其中数据的报文头尾主要是来规定数据的功能码、传输长度、奇偶校验、发送应答等内容,主从站之间的数据读写的过程(如图2所示)核心的部分是参数接口(简称pkw)和过程数据(简称pzd),pkw和pzd共有五种结构形式即:ppo1、ppo2、ppo3、ppo4、ppo5,其传输的字节长度及结构形式各不相同。在plc和变频器通讯方式配置时要对ppo进行选择,每一种类型的结构形式如下。
3 实现通讯的软硬件要求和参数设置
(1) 硬件要求
·133mhz以上且内存不小于16mb的编程器。
·西门子s7-300/400系列plc,ram不小于12kb,并带有profibus-dp接口,或是s7-400(ram不小于12kb)配cp443-5的通讯板。
·带有cbp通讯模块和带有cu2/sc的vc板的变频器
(2) 软件要求
·win 95或win nt(v4.0以上)
·step7(v3.0以上)
·安装dva-s7-sps7
(3) 通讯设置基本步骤
·设置传动参数
· plc硬件配置
·创建数据块
·编写通讯程序
· 系统调试
(4) 传动参数的设置
·p053 = 3 参数使能
·p090 = 1 cbp板在2#槽
·p918 = 3 从站地址
·p554.1=3001 控制字pzd1
·p443.1=3002 主给定pzd2
·p694.1=968 状态子pzd1
·p694.2=218 实际值pzd2
4 plc与传动变频器通讯程序
要实现通讯功能,正确的程序编写是非常重要的,下面将以西门子的s7-416 plc和6se70变频器为例来介绍通讯的程序编写。
(1) 基本配置和定义
基本配置如图3所示:
ABB变频器与西门子PLC之间的现场总线通讯技术
Profibus 是目前工控系统中最成功的现场总线之一,得到了广泛的应用。济钢鲍德彩板有限公司煤气加压机控制系统采用Profibus-DP过程现场总线通讯技术方案,分别采用西门子的S7-300 PLC和ABB公司的ACS600变频器。
1 系统配置及通讯协议
(1) 系统配置
该 系统以西门子公司和ABB公司的相关产品来实现全数字交流调速系统在Profibus-DP网中的通讯及控制原理。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 S7-315-2DP,变频器为ACS600系列,NPBA-12为与变频器配套的通讯适配器。编程软件为STEP7 V5.2软件,用于对S7-300 PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通讯配置。上位机画面操作采用WinCC5.1进行画面编程和操作,与PLC通讯采用以太网通讯方式。
附图 系统网络配置图
(2) 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NPBA-12通讯适配器模 块相连,接入Profibus-DP网中作为从站,接受从主站SIMATIC S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从Profibus-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM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。Profibus-DP共有两类型的网络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。
2 STEP7项目系统组态及通讯编程
(1) 使用STEP7V5.2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NPBA-12的GSD(设备数据库)文件导入STEP7的编程环境中,软件组态NPBA-12到以 S7-315-2DP为主站的DP网上,并选定使用的PPO类型,本设计使用PPO4,设定站点网络地址。在变频传动装置Profibus的结构 中,ABB变频器使用Profibus-DP通信模块(NPBA-12)进行数据传输,主要是周期性的:主机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,用于于变频器的数据通信;建立一变量表,用于观测实时通讯效果。
3 变频器运行设置
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
3.1 基本设置。 机电专业
(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,“3”为PPO4,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。本次设计中两台变频器分别为2、3号站。[1]
3.2 过程参数的连接
过程参数互联完成NPBA-12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;
l PZD2—变频器的频率设定值。
(2) 从传动装置变频器发送到PLC的PZD值
l PZD1—状态字,如报警、故障等变频器运行状态;
l PZD2—变频器的速度实际值、电流实际值等。
S7—300PLC、MM440变频器在铁水脱硫喷吹系统中的应用
1 系统简介
1.1 系统工艺、设备简介攀枝花钢铁集团公司铁水预处理脱硫工艺主要包括粉料储存系统、供气系统、喷吹系统和除尘系统。其中粉料储存系统主要是将脱硫剂粉料从料仓送出并经旋转给料器进入分配罐,供气系统主要对作为工作气源和载体气源的氮气进行预处理,除尘系统对铁水喷吹过程中产生的烟尘进行处理排放。
整个工艺的关键是喷吹系统,如图1所示,主要由分配罐、喷抢和防溅罩3部分组成 分配罐的功能是向喷枪管道提供具有一定压力的粉气混合流体,即铁水脱硫剂粉料和氮气。喷枪的功能是按工艺要求将粉气混合流体喷送到不同深度要求的铁水中,使脱硫剂在上浮过程中与铁水充分接触,脱去铁水中的硫。防溅罩的功能则是降低喷吹过程中产生铁水飞溅到铁水罐外的可能性。
1.2 系统电气控制妻求系统的电气控制要求及动作顺序如下,各动作之间具有严格的连锁关系及转换条件:
(1)高炉铁水罐车到达脱硫位。
(2)分配罐自动加料结束、加压结束。
(3)防溅罩下降到下极限。
(4)脱硫喷枪下降到其中极限位,暂停5 8后打开下料球阀、流态化阀和助吹阀开始喷吹,之后喷枪依次下降到下限1、2,3位,并在各点依次喷吹3 min,然后上升到下限2等待。
(5)当“喷吹结束信号”到,喷枪上升到中极限暂停,关闭下料球阀和流态化阀,5 S后关闭助吹阎,最后喷枪上升到其上极限位停车。
(6)防溅罩上升到上极限后通知现场操作人员开出铁水罐车。
另外,为了保证喷吹效果及安全,系统将实时检测分配罐及喷吹管的压力,当分配罐压力低于O.50 MPa时,加压阀将自动打开加压,直至压力高于O.58 MPa后关闭。在喷吹过程中。当喷吹管压力小于O.45 MPa,或分配罐压力低于O.4oMPa时,系统将延时5 8自动提枪(也可手动)并紧急停车、报警。
2 控IlIl系统的网络结构及配置
2.1 控制系统的网络结构攀枝花钢铁集团公司以前的铁水炉外脱硫系统共有两套,各由一台低档的PLC来完成简单的电气动作控制,传动电机也只是作简单的正反转运行,自动化程度较低。
针对新的工艺及控制要求,新系统采用了先进的西门子PROFIBUS—DP现场总线网络结构。如图2所示,s『7—300PLC作为DP主站,通过其远程分布式I/O从站ET200M对现场所有DI/DO、AI/AO设备进行连接与控制。同时,主站通过DP总线与MM440变频器进行通讯,实现了对传动电机的远程控制。
另外,通过PROFIBUS—DP,两套系统的实时运行状况、各I/O设备及变频器的实时参数都可送至主站PIE,再由上位机pC的人机界面HMI(WinCC V5.1编写)实现对两套系统全面、直观的监控。主站PIE 还可通过通讯处理器CP341—1与其他系统的主站PIE进行工业以太网级的通信,从而实现全厂自动化网络的互连与互通。
2.2 控制系统的具体配置主站PIE:由于系统的控制规模不大,故选用q7—300PLC(315—2DP ceu)。
分布式I/O:选用模块化的ET200M DP从站,带IM153.1 DP接口模块。
总线传输介质:光纤、RS一485总线连接器。
变频器:选用西门子MICR.master44o(MM440)变频器,带PR0nBUS模板和制动电阻。
传动设备:选用带电子制动器的鼠笼异步电机,以及减速箱、卷筒和动滑轮。
主要1/O设备:电磁阀、压力变送器、限位开关、按钮、指示灯及控制柜显示表盘等。
3 系统的PLC程序设计
系统的PIE程序设计主要用Step7(V5.2)软件来完成,step7是SIMATIC s7—300/400 PIE组态和编程的基本软件包,用于PLC的项目管理与编程,以及各种网络通信设置。
PLC程序设计采用了“结构化”的编程方式,即按照系统任务和设备划分为若干个功能块(耶),按照控制要求相互配合并为主循环程序(oB1)调用。这些FB中的程序是用“形参”来编写的,由于没有针对具体的i/o地址,因此可作为通用程序块在具体使用时,两套喷吹系统都可以调用这些FB块,且只需要将各自的实际i/o地址(实参)来代替相应FB块中的“形参”即可,这样就大大减轻了程序编写的工作量。
这些FB块具体包括自动程序、控制台/机旁两地手动与检修程序、PIE 与变频器通信程序、显示报警程序、主要执行设备定期检修提示程序以及系统初始化与复位程序。
当然,程序设计中最为关键的是自动程序,它是一个典型的顺序控制。按照系统的工艺及控制要求,自动程序的各步序之间都有严格的转换条件和连锁关系,以确保系统工艺的顺利完成。自动程序的流程图及说明如图3所示。
4 系统的变频器控制设计
4.1 变频器的选择由于系统的传动对象都为典型的位能负载,所以传动装置必须具有很大的启动转矩、平滑的启动/停车曲线以及良好的制动、定位性能。
西门子MM440变频器适用于各种变速驱动装置,也非常适用于吊车和起重系统。选择MM440对电机进行一对一的控制,并通过其PROFIBUS模板实现与主站PIE 的DP通信,将是一个很好的传动改造方案。
通过埘负载转矩及电机容量的计算,选择了带有电子制动器的三相鼠笼异步电机,包括喷枪电机(15 kw/6极)两台和防溢罩电机(11 kw/4极)两台。加以一定的裕量,选择了3AC380—44)O V 18.5 kW和15 kW 的MM440变频器各两台。
4.2 电机运行特点分析聂变频器参数设置根据异步电机的机械特性,当位能负载提升时,电机处于止向电动状态,工作于第一象限。当负载下降时,在很大的负载转矩作用下,电机将从反向电动状态最终过渡到再生发电制功状态,工作于第四象限。
由于MM440变频器内置了制动单元,只需要选择适当的制动电阻就町防止电机因再生发电制动而产生的过电压,并将其产生的能量通过制动电阻释放,达到良好的电气制动效果。
为保证负载启动、停车安全,选择了带有电子制动器的相鼠笼电机,由变频器的一个继电器输出控制电机的制动器,并在电机启动前的最小频率(3 nz)时延时0.5 s释放抱闸,在电机停车前的最小频率(3 Hz)时投入抱闸并延时1 s,从而达到了良好的机械制动效果,保证了提升机构的安全。
另外,MMd40还设置了s型加速曲线,使电机的启/停过程更加平滑、稳定,从而大大减少了对负载的机械冲击,提高了定位的准确性。
在变频器参数的具体设置时,首先要根据电机的铭牌,对变频器进行快速参数化,之后根据具体的控制特点,再进行更详细的参数设置。
4.3 MM440与主站PI 的PROFIBUS—DP通信要实现MM440与主站PLC的PROFIBUS—DP通信,需要完成以下两个步骤:
(1)在MM440中设置通信参数,如表2所示。(注:cB为PROFIBUS通信模板。)(2)在Step7软件中进行硬件组态,选择MM440的PPO类型(例如都为PPO1:4 PKW/2 PZD),设置各变频器的总线站地址(4、5、7、8)。建立数据块DB1 DB4分别与各MM440的PkW、VZD对应,用以存储各自的通信数据。最后调用DP读/写专用系统功能块SFC14/SFC15来完成PLC与各MM440之间“控制字/状态字、主给定/主实际值”的通信。
当然,还可通过两门子传动控制软件DriveMoniter在上位机Pc上进行变频器的参数设置与监控。总之,控制方式较为灵活。
5 结束语
PLC、变频器以及现场总线技术在铁水预处理脱硫喷吹控制系统中的应用,大大提高了系统的自动化装备水平,使系统生产的连续性、准确性、可靠性大幅度提高,使系统的传动性能有了较大的改善,并有效地减小了电机启动电流对电网的冲击,同时还实现了对生产过程和现场设备的HMI远程监控,构建了较为完善的自动化网络结构。通过对旧的自动化系统的成功改造,配合炉内脱硫的先进工艺,使铁水预处理脱硫的产量和质量都匕了一个新台阶,取得了良好的技术、经济效益。在近期的三期改造中,采用了改进工艺的新3}}喷吹系统即将建成投产。