（检测技术与自动化装置专业论文）基于profibusdp现场总线的多直流电机同步控制研究.pdf

摘要 近年来，多电机同步控制已被越来越广泛地应用于现代化的工业生 产中。传统的多电机同步控制系统，大多采用数字和模拟系统相结合， 机械同步和电气同步相结合的方式来满足生产工艺的要求。这种同步控 制系统存在着线路复杂，控制精度低，鲁棒性弱，稳定性和实时性差等 缺点。解决这些问题，需要采用新的控制方法和技术。本文提出了一种 全数字式的电气同步控制方案，采用基于p r o f i b u s d p 现场总线来构 建控制系统，并将模糊控制应用到了系统的同步控制中。 p r o f i b u s d p 现场总线是一种在我国现代企业应用广泛的实时分 布式控制网络。它简化了控制系统结构，使系统接线简单，使用方便； 将控制功能彻底下放到现场，实现了真正意义上的分散控制；同时有丰 富的控制、通信、组态管理和自诊断功能。将p r o f i b u s d p 现场总线 应用于多电机同步控制系统中，大大提高了系统的控制精度、稳定性和 实时性。 模糊控制是模糊数学和自动控制理论相结合产生的新型控制策略。 非常适合应用于存在非线性、时变性以及随机干扰的控制系统。将模糊 控制应用于多电机同步控制系统中，可增强系统的鲁棒性。 作为底层的控制网络，现场总线信息传输的实时性非常重要。结合 相关理论，论文对本系统的实时性进行了分析。通过对实验数据进行分 析和比较，指出了影响系统实时性的相关因素，并提出了提高系统实时 性的若干方法。 关键词p r o f i b u s - d p ，多电机同步控制，模糊控制，实时性 m u l t i - m o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di n m o d e mi n d u s t d a lp r o d u c t i o n n et r a d i t i o n a lm u l t i m o t o r ss y n c h r o n i z a t i o n s y s t e mu s e dt h em e t h o do fn u m e r a la n ds i m u l a t i o nc o n t r o lu n i f i e d ，t h r o u g h t h ew a yo fu n i f y i n gt h e m e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h ee l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o nt os a t i s f yt h ep r o d u c t i o nc r a r sr e q u e s t s t h es y s t e mh a d d i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p l i c a t e dc i r c u i t y , l o wp r e c i s i o n ，l o wr e a l - t i m e c a p a c i t y , w e a kr o b u s t n e s s ，b a ds t a b i l i t ya n ds oo n t os o l v et h e s ep r o b l e m s ， n e wc o n t r o lm e t h o da n dt e c h n o l o g yi sd e m a n d e d i nt h i sc o n d i t i o n , a c o m p l e t e l y n u m e r a la n de l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m b a s e d0 1 1t h e p r o f i b u s - d pn e t w o r kw a sd e s i g n e d 1 1 峙f u z z yc o n t r o lm e t h o da l s ow a s u s e di nt h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo f t h es y s t e m p r o f i b u s d pi sat y p i c a lr e a l - t i m ed i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r k w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ec o r p o r a t i o no fo u rc o u n t r y i ts i m p l i f i e st h e s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec i r c u i t y , m a k e st h eo p e r a t i o nc o n v e n i e n t l ya n d r e a l i z e sr e a ld i s t r i b u t e dc o n t r o lb ym a k i n gc o n t r o lf u n c t i o n sd o w nt ot h e s p o t a l s o ，i tg i v e st h ef i e l de q u i p m e n t sm o r ef u n c t i o n ss u c ha sc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n ，c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ，s e l f - d i a g n o s ea n ds oo n 硼舱 a p p l i c a t i o no fp r o f i b u s d pi i lt h em u l t i m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l s y s t e mc a np r o m i n e n t l yi m p r o v et h es y s t e m sp r e c i s i o n ，s t a b i l i t ya n d r e a l - t i m ec a p a c i t y a san e wc o n t r o lm e t h o do ft h ec o m b i n a t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c sa n d a u t o m a t i o n , f u z z yc o n t r o lw a su s u a l l yu s e di nt h es y s t e m sw i t hn o - l i n e a r p r o p e r t y , t i m e - v a r y i n gp r o p e r t ya n d r a n d o mi n t e r f e r e n c e t h ea p p l i c a t i o no f f u z z ym e t h o di nt h em u l t i - m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mc a n i m p r o v et h es y s t e m sr o b u s t n e s s a st h eb o t t o mc o n t r o ln e t w o r k , t h er e a l - t i m ec a p a c i t yo ft r a n s m i t t i n g m e s s a g e si sv e r yi m p o r t a n tf o rf i e l d b n s w i t i lt h eh e l po f r e l a t i v et h e o r y , t h e r e a l - t i m ec a p a c i t yo ft h em u l t i - m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ep r o f i b u s d pn e t w o r ki sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no fe x p e f i m e n td a t a ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er e a l - t i m ec a p a c i t y o ft h es y s t e mh a v e b e e nd i s c u s s e d a l s o ，s o m em e t h o d so nh o wt h e r e a l - t i m ec a p a c i t yc o u l db ei m p r o v e di np r o f i b u s - d p s y s t e m sa r eg i v e n k e yw o r d sp r o f i b u s d p , m u l t i m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ， f u z z yc o n t r o l ，r e a l - t i m ep r o p e r t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作 的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：2 越年上月业日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 釉名哑日期：俎年上月堑日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间 实行双向、串行、多结点数字通信的技术【l i 。随着现场总线技术的不断发展和其内 容的不断丰富，各种控制、应用功能与功能块、控制网络的网络管理、系统管理等 内容的不断扩充，现场总线超出了原有的定位范围，不再只是通信标准与通信技术， 而成为网络系统与控制系统。控制网络由此而生，它是在现场总线技术的基础上发 展形成的，具有比现场总线一词更宽更深的技术内涵。本课题从应用研究角度，将 智能控制方法引入广泛应用的p r o f i b u s d p 现场总线系统，对多电机同步控制方 法进行研究。 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源及研究背景 本课题来源予中南大学工业控制网络实验室建设项目。课题的主要目的是构建 一套完整的与现代工业企业现场控制系统相似的浓缩型工业数据通讯和控制网络 系统。以便在此硬件平台上研究并解决工业现场的若干测控系统方面难题。该系统 包括：现场控制子系统和远程监控子系统。本论文是研究现场控制子系统部分，涉 及到的相关课题有： ( 1 ) 了解控制网络的理论和技术的发展过程及其发展趋势。 ( 2 ) 研究p r o f i b u s 控制网络的通信协议、传输技术、总线的存取协议、网络 的拓扑结构以及通信的实时性。 ( 3 ) 研究并实现通过p r o f i b u s 控制网络来组建控制系统的相关技术。 ( 4 ) 研究并实现多电机的同步控制。 ( 5 ) 研究模糊控制理论及其在基于p r o f i b u s d p 现场总线的多电机同步控制 中的应用。 1 1 2 课题的研究意义 现场总线控制网络是现在控制领域研究的热点之一。对其研究具有很重要的理 论和现实意义。主要表现如下： ( 1 ) 控制网络是一种全新的开放式，数字化、全分布式控制系统。它开放式 的国际标准通信协议，突破了集散控制系统中采用的专用网络的缺陷，提高了系统 的灵活性和可靠性，是最具有广阔应用前景的新一代控制系统。 ( 2 ) 随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，工业控制网络是未来工 硕士学位论文 第一章绪论 业控制的发展方向。而作为底层网络的现场总线与工业现场设备直接连接，是工业 控制网络的基础和关键。因此，对现场总线的研究和应用也显得非常有必要。 ( 3 ) 研究现场总线的网络拓扑结构，通信机理和连接方式，有助于我们的工 程实践。研究现场总线控制系统的实时性，有助于进一步扩展现场总线技术的应用 领域。 ( 4 ) 多电机的同步控制在现代化的工业生产中有着广泛的应用。研究对其进 行控制的新理论和新方法，为我们的工程实践提供必要的理论支持和技术指导。 1 2 相关技术综述 1 2 1 现场总线控制 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的出现导致了传统控制系统 结构的变革。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统、以及集散控制系统( d c s ) 之后控制系统的新型结构形式。 直到今天许多企业广泛采用的仍是由多个计算机递阶构成集中、分散相结合的 集散控制系统d c s 。典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级三个 层次。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过程控 制级中完成，而分散控制可以使得由系统中某个局部的不可靠造成的对整个系统的 损害降低到很低的程度。因而d c s 在工业自动控制系统中得到了广泛应用。然而 d c s 仍存在一些缺陷。首先，因其结构是多级主从关系，底层设各间进行信息传 递都必须经过主机，从而造成主机负荷过重，而主机一旦发生故障，会影响整个系 统的正常工作。其次，它是一种数字模拟混合系统，其现场仪表仍使用传统的4 2 0 m a 电流模拟信号，采用一对一连线，因而传输可靠性差，成本高。再者，各厂 家的d c s 自成标准，通讯协议兼容性差，难以实现互换与互操作，难以实现设备 之间以及系统与外界之间的信息交换，使得系统成为自封闭式的“信息孤岛”“2 1 。 为突破d c s 系统的技术瓶颈，最大程度地满足现场的需要，现场总线( f i e l d b u s ) 技术应运而生。根据国际电工委员会i e c 的定义：现场总线是连接智能现场设备和 自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。与传统的控制系统相比， f c s 具有以下几个主要特点“： ( 1 ) 全数字通信数字信号传输打破了传统控制系统一对一单向传输的结构， 实现了高速、双向、多节点传输，而且支持多传输介质和拓扑结构。数字信号提高 了测量和控制精度，也加强了信号的抗干扰能力。同时一条传输线上能挂接多个现 场设备，大大减少了设备投资和安装费用，据有关典型试验工程的测算资料表明， 可节约安装费用6 0 以上“1 。 ( 2 ) 系统的开放性现场总线为开放性互联网，从总线标准、产品检验到信 2 硕士学位论文 第一章绪论 息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。这种开放性增强了设备问的互 操作性和互用性。世界上任何地方遵守同一协议的不同厂商的产品可以进行统一组 态、交换信息或相互替换。不同协议的产品之间也可以通过特定的网关通讯，给用 户提供了很大的选择余地。 ( 3 ) 设备的智能化与功能自治性由于f c s 系统的现场设备中内置了微处理 器，现场设备能够完成传感测量、补偿计算、工程量处理、变换和运算等控制功能， 把任务下放到现场，实现了真正意义上的“控制分散”，缩短了控制周期，提高了 实时性。现场设备同时具有通讯功能，节点与节点之间，节点和上位机之间能相互 连成网络，互换信息，协调控制。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性f c s 是一种新的全分散性控制系统，从根本上 改变了d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系结构，简化了系统结构，提高 了可靠性。 ( 5 ) 提供复杂多样的通信服务f c s 一般都参照i s o o s i 参考模型来设计其 协议体系，从而可以提供多样化的通信服务，如广播、周期性点对点轮询以及网络 管理等。 ( 6 ) 对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为工业现场 环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有 较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 1 2 2 直流电机调速技术 直流电动机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在需要高 性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。 各种调速系统往往都是通过控制转速( 更本质的说，是控制电动机的转矩) 来 实现的，直流电动机的转速和其它参量的关系可用式( 1 - 1 ) 表达 刀；u - i r( 1 1 ) x 。西 式中疗转速，单位r m i r a i 卜电枢电压，单位为v ； 卜电枢电流，单位为a ； r 电枢回路总电阻，单位为q ； 垂励磁磁通，单位为w b ； e 由电机结构决定的电动势常数。 由式( 1 - 1 ) 可以看出，有三种方法调节电动机的转速 4 1 。 n 调节电枢供电电压u 2 1 减弱励磁磁通中 3 ) 改变电枢回路电阻r 硕士学位论文 第一章绪论 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式 为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 变压调速分为旋转变流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器 三种。其中旋转变流机组由于设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基， 运行有噪声，维护不方便等诸多缺点，已经被淘汰。现在，静止可控整流器已成为 直流调速系统的主要设备。 一直以来，直流电机调速系统大都采用转速电流双闭环调速系统，即在系统 中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图1 1 所 示。图中，a s r 为转速调节器，a c r 为电流调节器，t a 为电流互感器，g t 为触 发装置，u n 、u n 为转速给定电压和转速反馈电压，u i 。、u i 为电流给定电压和电流 反馈电压，t g 为测速发电机。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用 电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环 作为内环；转速调节环作为外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 1 ， 图1 - 1 双明环调速系统结构框图 图1 - 2 双闭环调速系统电路原理图 常规的直流调速驱动中，各电机的速度调节器a s r 和电流调节器a c r 一般都采 + 一 9，、 + 一 9j，、0 硕士学位论文 第一章绪论 用比例积分( p i ) 调节器，如图1 - 2 所示。两个调节器的输出都是带限幅的，转速调 节器a s r 的输出限幅( 饱和) 电压是u 。，它决定了电流调节器给定电压的最大值； 电流调节器a c r 的输出限幅电压是u c 。，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。 这种调节器具有结构简单，可靠性高，抗扰性好，稳态精度高等优点。 在直流调速领域，多台直流电机的同步控制在现代化的工业生产中有着广泛的 应用。多台直流电机的同步控制理论也一直是近年来很多专家学者研究的课题之 一 1 2 3 模糊控制技术 模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控$ 9 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以模糊集 合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1 9 6 5 年， 美国的l a z a d e h 创立了模糊集合论；1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关 的定理。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并 把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模 糊控制论的诞生。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大 特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西 方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。 近2 0 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控 制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的 许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机 和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉 等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车，汽车驾驶、电梯、自动扶 梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表 达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ，即f c ) 获得巨大成 功的主要原因在于它具有如下一些突出特点归j ； ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点 是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精 确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控 制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法。由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异：但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控 制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模 拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有定的智能水平。 ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减 弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 1 2 4p r o f i b u s 现场总线的实时性 现场总线作为连接工业现场底层传感器、执行器和控制器等智能设备的实时控 制网络，必须保证系统信息传输的实时性。作为底层控制网络，现场总线必须能支 持现场设备间短信息帧的频繁交换；具有有限的响应时间和确定的时态特性：满足 实时信息传输的时间限制和空间约束；具有灵活的系统在线组态功能和支持系统动 态通信的能力；具有周期信息和非周期信息处理能力；同时具有简单的模型结构， 减少信息传输的时延。 为了满足过程控制传输速度快和响应快的特点，现场信息一般采用短祯传送， 能有效处理周期事务和突发的非周期事务，具有上限响应时阃要求。p r o f i b u s 现 场总线采用了三种措施来提高实时性：简单的协议结构、有效的介质访问控制协议 和可靠的数据链路层信息调度技术。由于模型结构至少要包括物理层和数据链路 层，不可能进行无限简化。所以，有效的介质访问控制协议和信息调度算法，就成 为提高现场总线实时性能的关键，也是目前研究现场总线实时性能的重点。介质访 问控制是数据链路层的子层，控制总线设备对物理介质的访问权限和访问方式，而 信息调度算法则决定着各种类型信息在总线上的传送规则及效率。 国外学者在p r o f m u s 实时性方面研究的比较多，并取得一定的成果。有的文 献研究了基于截止期的p r o f i b u sm a c 预运行期调度方法l o j ，并分析了p r o f m u s 周期时间特性，考虑了最坏情况下的参数设置方法j ；也有文献研究了i e c6 1 1 5 8 网络报文调度特性例；韩国有些学者给出了计算通讯延迟的网络模型1 9 j 。在国内也 有些学者提出用p e t r i 网和排队论的方法来研究p r o f i b u s 的实时通信和容错问题， 并取得一定的进展u ，i “；通过对t v g 的不同典型设置分析目标令牌循环时间对系统 的测控周期的影响l i q 。还有学者还对p r o f i b u s 的组网进行了探讨，主要针对底层 网与工业以太网还有因特网组成控制网络系统进行了研究。意大利的s v i t t u r i 研究 了应用于工业以太网的p r o f i b u s - d p d 议i i 封；意大利p a d o v a 大学的d a n i e l em i o r a n d i 等，研究了基于以太网和蓝牙的p r o f i b u s - d p 的无线应用i i 卅；韩国釜山大学的k y u n g c h a n gl e e 等还研究了通过p r o f i b u s 控制网络对控制系统进行基于基因算法的p 1 d 调 节【1 5 1 。 1 3 论文的结构及主要内容 论文的主要结构安排如下： 6 硕士学位论文 第一章绪论 第一章阐述了本课题来源、研究内容及意义。介绍了课题中应用到的相关的理 论知识及技术。 第二章介绍了工业控制网络实验室的整体结构。该系统以我国现代化的工业生 产过程为参考对象，组建了底层为基于p r o f i 叫s d p 现场总线控制系统，上层为基 于工业以太网的监控系统的二级控制网络。重点介绍了基于p r o f i b u s d p 现场总线 控制系统的硬件结构。 第三章对本课题用到的众多现场总线中应用最广泛的一种p r o f l 8 u s 现场总线 进行了全面介绍。阐述了p r o f i b u s 现场总线的产生、发展及应用领域；分析了它 的协议结构、传输介质及网络拓扑结构；总结了它的应用优势和国内外研究现状。 第四章介绍了直流调速技术理论和多直流电机同步控制理论，提出了一种基于 模糊补偿器的多电机同步控制技术，并对模糊控制的相关理论和应用进行了阐述。 第五章介绍了系统的硬件结构和软件实现。重点介绍了利用西门子p l c 作为模 糊控制器的实现方法和过程。给出了实验结果并对结果进行了相关分析。 第六章对p r o f i b u s - d p 现场总线系统的实时性进行了分析，通过实验数据来说 明了影响系统实时性的相关因素，并给出了一些提高系统实时性的方法。 第七章对本课题进行了总结和展望。 1 4 本章小结 本章介绍了课题来源、研究的背景以及研究意义，综述了与课题相关的理论和 技术，并给出了论文的主要内容。 7 硕士学位论文第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 2 1 控制系统的硬件结构 在现代化的工业生产企业中，网络化管理和网络化生产越来越得到广泛的应 用。针对这种情况，本课题参考目前先进企业的网络化生产管理过程，组建了底层 为基于p r o f i b u s d p 现场总线控制系统，上层为基于工业以太网的远程监视系统的 二级控制网络如图2 1 所示。 图2 - 1 系统硬件结构图 其中，远程监视系统主要完成对西门子网络控制系统信息的实时监视和历史资 料查询打印。具体内容包括：人机交互界面、速度监测、电流监测、驱动器控制参 数监测、系统故障监测设备运行状况监测和数据查询和输出打印等。由于不是本论 文研究的方向，在此不再多述。 本论文主要研究基于p r o f i b u s d p 的现场总线控制系统，如上图2 1 所示。系 统的研究对象为在印染、纺织、造纸以及板带加工等行业广泛应用的多直流电机传 动系统。多电机协调控制是制造与生产过程中经常用到的很重要的控制，其中有要 求几台电机的轴严格同步传动的，如门型吊车，水闸闸门，升降桥等；有的则要求 几台电机转角或转速的比值按某一规律连续变化，如造纸机，塑料薄膜机等。在这 i 硕士学位论文 第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 些系统中多个电机之间协调结果的好坏，直接影响生产效率及产品质量。因此，多 电机协调控制一直是人们不懈研究的课题之一，具有非常重要的现实意义u 6 l 。 在图2 一l 中可以看到，基于p r o f i b u s - d p 现场总线的多直流电机传动系统采用 了单主一从式总线型拓扑结构。系统的一个重要特点是模块化，主站为西门子 s 7 - 3 0 0 p l c 模块。三个从站由一个西门子s 7 2 0 0 p l c 模块和两个西门予6 r a t o 系列 直流调速装置模块组成。系统的工作过程在后面第四章多直流电机同步控制方案 设计与相关理论研究中作了详细的介绍，在此简单表述如下： 不失一般性，实验过程以最简单的两台直流电机为例来模拟多直流电机传动系 统，一台作为主电机，令一台作为从电机，分别由两台直流调速器6 r a 7 0 驱动。 s 7 3 0 0 主站通过p r o f i b u s d p 现场总线将速度给定值分别传送至每台直流调速装 置6 r a 7 0 的速度给定端，6 r a 7 0 根据速度给定值，按照电流闭环控制原则驱动每 台直流电机按要求转动。每台电机装有光电编码器，光电编码器固定在电机的转轴 上，实现和电机的无差同步转动。每个光电编码器随电机转动产生的脉冲信号速度 值分别反馈到对应的直流调速器6 r a 7 0 中，形成速度环。这样就形成了内环电流 环，外环速度环的双闭环直流调速系统。 同时，s 7 3 0 0 p l c 主站还作为补偿器。通过p r o f i b u s - d p 网络从每个6 r a 7 0 中读取编码器的计数值，二者的偏差经模糊控制算法处理后，结果作为补偿量累加 到从电机的给定量。这样就实现了基于模糊控制器的补偿环节。 控制系统中主要模块的硬件设备均采用西门子公司的产品。每部分硬件的具体 组成介绍如下。 2 2s 7 3 0 0 主站模块 系统主站选用的s 7 3 0 0c p u 是s 7 系列中性能较高的一款s 73 1 3 - 2d p 。其位 操作指令最小执行时间为0 1 芦、字操作指令最小执行时间均为0 2 啦，整数运算 最小执行时间为3 坤，浮点数运算指令最小执行时间为3 膨。有两个总线接口( m p i 和d p 口) ，不需通讯模板即可方便地实现总线连接和点到点的连接。较高的电磁 兼容性和强抗振动、冲击性，使其具有优异的工业环境适应性1 1 7 1 0 $ 7 - 3 0 0 自动化 系统采用模块化设计，各种单独的模块之问可进行广泛组合以用于扩展。本系统中 s 7 3 0 0 主控制器由以下二个模块组成。 ( 1 ) 电源模扳p s3 0 75 a ( 标准型) 。在本系统中它为所有s 7 3 0 0 的其它模块 提供2 4 v 的工作电压。 ( 2 ) 中央处理单元c p us 7 3 1 3 2d p ，完成系统的控制任务和计算任务。它 本身自带有1 6 位的数字量i ，0 模块。 9 硕士学位论文第一二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 2 3s 7 2 0 0 从站模块 s 7 - 2 0 0 的产品定位在s 7 系列p l c 家族的低端产品。通常s 7 - 2 0 0 用于2 0 0 点开关量以内，3 5 点模拟量以内，程序量在1 6 k 以内的应用场合。$ 7 - - 2 0 0 外形小巧， 功能强，可用于各种自动化系统中，紧凑的结构，低廉的成本，强大的功能，使其 具有极高的性价比，非常适合中国的机器制造业的情况和需求。在中国，$ 7 - 2 0 0 在同类小型p l c 中，以绝对的优势占据着最大的市场份额。2 0 0 4 年，西门予又推 出了新一代的s 7 - 2 0 0 p l c ，不仅对老产品线的c p u 进行了性能的全面提升，而且 增加了新的c p u 类型c p u 2 2 4 x p ，使s 7 2 0 0 p l c 的产品线更加完善合理。 本系统中，2 0 0 从站主要完成现场控制信号的采集和输出。它由中央处理单元 c p u 2 2 2 ，p r o f i b u s d p 模块e m 2 7 7 和数字量扩展模块e m 2 2 3 三个部分组成。其 中，c p u 2 2 2 是$ 7 - 2 0 0 系列p l c 中性价比较高的一款，它功能强大，执行速度快， 程序执行时间仅为0 2 2 啦，在本系统中主要完成现场部分任务的控制和计算。但 c p u 2 2 2 自身没有p r o f i b u s d p 接口，不能直接作为从站与s 7 3 0 0 主战连接。因 此，必须通过p r o f i b u s d p 模块e m 2 7 7 来实现其从站功能，e m 2 7 7 主要完成2 0 0 从站和3 0 0 主站之间的p r o f i b u s d p 网络通信。同时，由于c p u 2 2 2 自身仅有8 个数字量输入端口和6 个数字量输出端口，远远少于现场需要控制的开关量输入输 出信号，系统选用了数字量扩展模块e m 2 2 3 来满足现场信号需要。e m 2 2 3 主要完 成现场控制信号的输入和输出。 2 4 直流调速装置 2 4 1 调速装置的结构特点 s i m o r e g6 r a 7 0 系列整流装置特点为体积小，结构紧凑。装置的门内装有一 个电子箱，箱内装入调节板，电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。各 个单元很容易拆装使装置维修服务变得简单，易行。 外部信号的连接( 开关量输入输出，模拟量输入输出，脉冲发生器等) 通过 插接端子排实现。装置软件存放在快闪( f l a s h ) e p r o m 中，使用基本装置的串 行接口可以方便地使软件升级。 电枢回路为三相桥式电路，励磁回路采用单相半控桥。额定电流1 5 - - 8 5 0 a 的 装置，电枢和励磁回路的功率部分为电绝缘晶闸管模块。更大电流或输入电压高的 装置，电枢回路的功率部分为平板式晶闸管。 所有装置在门内都有一个基本操作面板p m u 。基本操作板p m u 的5 个七段数 码管和3 个发光二极管用于状态显示，可实时显示工作状态，3 个按键用于参数设 定。 1 0 硕士学位论文第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 装置内含两台高效能的微处理器，承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制 功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。 调节系统中所有重要的量可用连接器来存取。经连接器获得的量与测量点相对 应并作为可存取的数字值。该值可在装置内部被使用，如控制给定值或改变限幅。 还可通过操作面板，模拟量输出及串行接口输出。下列量可通过连接器被访问：模 拟输入输出、实际传感器的输入、斜坡函数发生器、限幅电路、触发装置、调节 器、自由软件模块的输入和输出、数字量固定给定值、常用值( 运行状态、电机温 度、晶闸管温度、报警存储器、故障存储器、运行时间、处理器容量等) 。 开关量连接器是能采用数值为“0 ”或“1 ”的数字控制信号，主要是用于接入 一个给定值或执行控制功能。开关量连接器也能通过操作面板，开关量输出或经串 行接口被输出。下列状态可经开关量连接器进行访问：开关量输入状态、固定控制 位、调节器、限幅电路、故障、斜坡函数发生器、控制字、状态字的状态。 结合点由软件模块的输入通过相应的参数决定。在相应参数连接器信号的结合 点上对所希望的信号引入连接器编号，以便确定哪些信号被作为输入量。这样，不 仅模拟输入和接口信号，而且内部量都可用做给定值、附加给定值、极限值等等。 在开关量连接器信号结合点上引入作为输入量的开关量连接器编号，以便通过开关 量输入，串行接口的控制位，或调节中生成的控制位，执行控制功能或输出一个控 制位。 本系统所选用的直流调速装置型号为6 r a 7 0 1 8 6 d v 6 2 ，它的性能指标如表2 一l 所示l l 射。 表2 - 16 r a t 0 1 8 - 6 d v 6 2 的性能参数 电枢额定电压 v3 a c 4 0 0 励磁额定电压 v2 a c 4 额定频率h z4 5 6 5额定直流电压 v4 2 0 额定直流电流a3 0额定功率k w 1 2 6 励磁额定直流电压v最大3 2 5励磁额定直流电流a 5 控制精度a n = 0 0 0 6 的电机额定转速 ( 对于脉冲编码器和数字给定) a n - 暑o 1 的电机额定转速 ( 对于模拟测速机和模拟给定) 过载能力最大为额定额定直流电流 1 6 3 电流的1 8 0 下的功耗w 此型号的整流器是四象限工作的整流器，主回路采用两个三相全控桥无环流反 并联连接。励磁可控，励磁回路为2 脉冲单相半控桥电路。电枢和励磁的功率单元 硕士学位论文 第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 均采用独立晶闸管模块结构，散热器是绝缘的。主要特点有： ( 1 ) 体积小、硬件结构紧凑、故障率低。 ( 2 ) 功能齐全，软件内容丰富。该装置中使用了1 0 0 0 多个参数及连接量，使 得装置的控制功能十分强大。装置内除了常见的速度调节器、电流调节器、反电动 势调节器外，还有工艺调节器、电动电位计、摩擦和转动惯量补偿，以及内容丰富 的自定义功能块。 ( 3 ) 通讯能力强，能实现网络控制。6 r a 7 0 与主控制器s 7 - 3 0 0 的通讯是通过 通讯模块c b p 2 实现的，s 7 3 0 0 可以通过总线读取、修改其所有参数值。装置具有 很强的通信功能，可实现装置与装置之间的通信、装置与上位机的通信，从而实现 装置的网络化。 ( 4 ) 安全可靠，调试方便。该调速装置采用柜式的构造，柜门上有一个简易 的操作面板p m u ，面板由一个5 位7 段数码显示、作为状态显示的三个l e d 指示 灯、以及三个参数设置键组成。系统所有的参数配置均可以通过操作面板来设置， 操作非常安全。p m u 还具有根据r s 2 3 2 或r s 4 8 5 标准同u s s 接口的连接器。 2 4 2 调速装置的参数设置及优化 为了让电机能在调速装置的驱动下稳定可靠的按要求运行，需要在调速装置里 进行必要的参数设置及优化。整个设置过程在操作面板p m u 上实现，具体步骤如下： ( 1 ) 设置访问权限。当p 0 5 1 为0 时，所有系统参数处于保护状态，不能被设 置或修改。当需要设置或修改参数时，应将p 0 5 1 设置为4 0 ，此时系统参数处在可 修改状态。值得注意的是，当所有的参数设置完毕时，须将p 0 5 1 从新设置为0 ， 以避免参数出现不必要的误修改。 ( 2 ) 设置电动机铭牌参数。其中，p 1 0 0 为电动机的电枢额定电流，p 1 0 1 为电 动机的电枢额定电压，p 1 0 2 为电动机励磁额定电流。 ( 3 ) 设置速度反馈方式。在参数p 0 8 3 中设置完成。p 0 8 3 = 1 时系统为模拟测 速机反馈方式；p 0 8 3 = 2 的时候为脉冲编码器反馈方式；p 0 8 3 = 3 的时候为无测速机 运行方式，系统采用e i - i f 反馈( 反电动势反馈) 方式运行。由于本系统中采用了脉 冲编码器反馈方式运行，故应将p 0 8 3 设置为p 0 8 3 = 2 。 当选择了脉冲编码器反馈时，还需要设黄以下参数：p 1 4 0 - 脉冲编码器类型： p 1 4 1 一脉冲编码器每转脉冲数；p 1 4 2 一脉冲编码器的信号电压：p 1 4 3 一脉冲编码器的 最大运行速度。 ( 4 ) 设置励磁回路参数功能调整方式。当p 0 8 2 = 0 时，为内部励磁没有使用状 态，适用于永磁电动机的调速；p 0 8 2 = 1 时，为励磁回路与主回路一起合闸的工作 方式。p 0 8 2 = 2 时，为停机弱磁工作方式；p 0 8 2 = 3 时，为励磁电流恒定接入工作方 式。 此外，通常情况下，直流电机需要弱磁控制才能达到最大转速。若需此，则 硕士学位论文 第二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 p 0 8 1 = i 。当p 0 8 1 = o 时，系统为无弱磁调速功能。 ( 5 ) 设置斜坡函数发生器参数。斜坡函数发生器的作用是使跳跃变化的给定 值输入变为一个随时阃连续变化的给定信号。其中，p 3 0 3 为斜坡上升时间参数， p 3 0 4 为斜坡下降时间参数。 自此，调速装置大部分必须参数已经设置完毕。在外部控制回路接线无问题的 情况下，应对装置进行最优化运行。优化顺序为： 0 p 0 5 1 = 2 5 ，进行电流调节器的优化运行。 p 0 5 1 = 2 6 ，进行速度调节器的优化运行。 ( 要) p 0 5 1 = 2 7 ，进行励磁减弱的优化运行。 p 0 5 1 = 2 8 ，进行摩擦及转动惯量补偿的优化运行。 2 4 3 调速装置的外围电路设计 直流调速装置6 r a 7 0 不仅具有优良的调速性能，还提供了某些接口方便我们使 用。如数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口、编码器输入接口，串行通讯 接口等。根据系统需要，我们对调速装置外围电路做了如下设计，如图2 2 所示。 图中，4 6 和4 7 端子是开关量输出端子，通过设计其内部的连接器，将其设置 为6 r a t o 故障输出信号。1 4 和1 5 ，1 6 和1 7 是两对模拟两输出端子，同样地，通 过设置其内部连接器，将其分别设置为电枢电压和电枢电流信号输出。 来自操作台 来自操作台 来自操作台 来自脉冲编 码器信号 图2 - 2 调速装置的外围电路设计 硕士学位论文 第一二章现场总线实验系统硬件结构与原理分析 2 5c b p 2 通信模块 2 5 10 8 p 2 通信模块的功能 c b p 2 通讯模块用于通过p r o f m u s d p 总线实现s i m o r e