电机群网络管控一体化PLC-SCADA设计及应用.pdf

2 2 T业仪表 与 自动化装 置 2 0 1 2年第 3期 电机群 网络 管控 一体 化 P L CS CADA 设 计 及 应 用 赵黎明， 张冰 广 东海洋大学 信息学院， 广东 湛江 5 2 4 0 0 3 摘要 针对 电机数量众 多、 时序复杂、 传动要 求高、 地域分布分散等工业 生产过程 ， 利用 P L C、 S C A D A、 变频器在工控领域 中的优点， 设计 了一种基于网络和 P R O F I B U SD P 、 R S一 4 8 5总线技术 的电机群 网络管控一体化的 P L CS C A D A 系统。借 助网络和总线实现对电机群传动 系统的管理 和控制。通过在纺织印染机构多单元电机传动中的应用， 实践证明该控制方案可靠 、 有效。 关键 词 电机群 ； 网络 ； 传 动控 制 ； P L C； S C A D A； 变频 器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 3 0 0 2 20 5 De s i g n a n d a p pl i c a t i o n o f PLC - SCADA f o r m a c hi n e s g r o u p m a na g e m e nt a n d c o nt r o l i nt e g r a t i v e n e t wo r k s y s t e m ZHA0 Li mi n g，ZHANG Bi ng I n s t i t u t e o J I n f o r ma t i o n ， G u a n g d o n g O c e a n U n i v e r s i t y ， G u a n g d o n g Z h a i a n g 5 2 4 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Co n s i d e r i ng t h e c h a r a c t e r i s t i c o f i nd us t r i a l p r o d u c t i o n p r o c e s s s uc h a s l a r g e mu mb e r o f ma c h i n e s ，c o mp l e x s e q u e n t i a l l o g i c a l ， h i g h d r i v e c o n t r o l d e ma n d i n g a n d d i s t r i b u t e d i n d i f f e r e n t t e r r i t o ry． Th e pa p e r u s e s me r i t s o f PL C a n d S CADA a n d i n v e r t e r i n t h e s c o p e o f i n d u s t r y c o n t r o 1 ．Th e ma c h i n e s g r o u p d r i v e s y s t e m i s s t r uc t u r e d a s PL C SCADA u s i ng n e t wo r k a n d PROFI BUSDP a n d RS一48 5．a n d i mp l e me n t s ma c hi n e s g r o u p c o n t r o l a nd ma na g e me n t v i a n e t wo r k a n d b u s ．Th e r e s u l t s o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n mu l t i - - d r i v e d y e i n g a n d p r i n t i n g ma c h i n e s v e r i f y t h e r e l i a b i l i t y a n d e ffic i e n c y o f t he de s i g n s t r a t e -- g y o f s y s t e m ． Ke y wor ds ma c h i n e s g r o u p；n e t wo r k；d r i v e c o n t r o l ；PL C；S CADA ；i n v e r t e r 0 引言 随着 自动控制 、 计算机网络及通信 、 现场总线 、 S C AD A等技术的发展 ， 变频器作为交流调速 的重要 手段在工业生产中获得广泛 的应用 ； P L C由于具有 可靠性高 、 功能强大 、 编程简单 、 抗干扰强 、 使用方便 等特点 ， 在工控领域也颇受重用。在许多调速过程 中， 由于过程 的庞杂性 如 电机数 量众 多、 时序 复 杂 、 传动要求高 、 地域分布分散等 以及工艺不断更 新等原因使得控制设备变得庞大， 对由大量电机组 成的电机群传动调速系统进行网络一体化管理及控 制就显得尤为重要 。 收稿 日期 2 0 1 2一 O l一 0 5 基 金 项 目 湛 江 市 科 技 攻 关 计 划 项 目 2 0 1 1 C 3 1 0 8 0 0 7； 2 0 1 1 C 3 1 0 8 0 0 8 作者简 介 赵 黎明 1 9 7 3 ， 男 土家 族， 湖南 双峰人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 主要从事信息融合 、 智能控制等研 究。 该文采用 网络和 P R O F I B U SD P 、 R S一4 8 5总 线技术 的分层分布式设计 ， 提出一套实现 电机群 网 络传动控制 和设备 管理一体化的 P L CS C A D A系 统设计方案， 并介绍其在纺织印染机构 多单元 电机 传动 中的应用。系统由生产管理级 、 过程监控级 、 现 场控制级三层典 型结构组成 。 。 。其 中现场控制 级是该文重点阐述的内容。 1 系统硬件设计 系统组成如图 1所示， 由位于主控制室 内的分控 计算机与 1 0 0 0 M光纤网络连接 ， 作为控制设备和测 量设备的远程控制中心。光纤交换机通过网络接 口 向上与现场工业 以太 网连 接， 向下 通过 C P 3 4 31 与 S 7 3 0 0 P L C连 接 。s 73 0 0 P L C通 过 D P 口由 P R O F I B U SD P总线 连 接 多 个 s 72 0 0 P L C 的 E M2 7 7模块 ， 利用变频器的网络通信功能 ， s 72 0 0 P L C通过 R S一 4 8 5串行总线最多可与 3 1台变频器 2 0 1 2年第 3期 工业仪表与自动化装置 2 3 相连 ， 由变频器驱动电机 ， 从而达到电机群管控一体 化的 目的 ] 。 生 产 管 理 级 过 程 监 控 级 现 场 控 制 级 生产调度车间调度』 一 长办公室 图 1 电机群网络管控一体化 P L CS C A D A系统结构 1 ． 1系统硬件配置 1 ．1 ． 1 s 73 00 PL C 1 C P U类 型 选用 C P U 3 1 5 2 D P， 它具有大容量程序存储器 和 P R O F I B U SD P主／ 从接 口 C P U模块 ， 可 以使用 集成 的 I ／ O点处理运动控制工艺技术功能。对于运 动控制功能的编程 ， 提供符合 P L C o p e n标准功能块 F B ， 在用户程序 中可 以调用这些功能模块 ， 可最 大程度地降低工程与组态 、 调试及维护费用。且 F B 效率 。 2 以太 网模块 选用 C P 3 4 31 ， 全双工方式 ， 以 1 0 0 M b i t ／ s的 数据传输率直接将 s 73 0 0集成到系统 中， 具有惟 一 以太网地址 ， 通过网络可直接使用 ， 能独立处理工 业以太网上的数据拥塞问题。 1 ． 1 ． 2 S 720 0 P LC 1 C P U类 型 选用 C P U 2 2 6 ， 集成 2 4输入／ 1 6输 出共 4 0点 I ／ O。2 6 K程序和数据存储区， 具备 P I D控制器。2个 R S一 4 8 5通信／ 编程 口， 具有 P P I 、 M P I 、 自由口通信 能力 。系统 中将 0 口保 留为西 门子专用协议 ， 由 P P I 电缆外扩与 HMI 设备相连 ； 1 口定义为 自由口 通信方式。 2 P R O F I B U S D P从站通信模块 选用 E M 2 7 7 ， 其 D P通信端 口将 s 7 2 0 0 P L C连 接到 P R O F I B U SD P网络 ， 各 E M2 7 7之问经过串行 I ／ O总线通信 ， 通信速率 9 6 0 0 b i t ／ s ～1 ． 2 M b i t ／ s 。 1 ． 1 ． 3 变 频器 选用 F u j i 的 G 1 l ／ P 1 1系列通用变频器 ， 其 内部 集成 了 R S一 4 8 5通信 口， 能很方便 的通过 R S一 4 8 5 总线访 问其他设备。通过 R S一 4 8 5采用菊花链方 式最多可连接 3 1台变频器 ， 通信距离最长可达 1 ． 2 k m， 可应对电机群地域分布分散的弱点。每 台变频 器都被赋予睢一的站地址 ， 且处 于等待上位机来选 择 要求写入 或查询 要求读出 状态。 工业 以太 网 、 S 7 3 0 0 、 S 7 2 0 0 、 F u j i G 1 1 s ／ P 1 1 S 直接集成在 固件 中， 占用 C P U内存小 ， 可提高运行 之 间的硬件连接对应关系如表 1 所示 。 表 1 设备连接对应关 系 1 ． 2 系统设计的一些问题 1 S 73 0 0 P L C的 C P U 3 1 52 D P理论上 可最 多挂接 3 2个 s 7 2 0 0 P L C的 C P U 2 2 6 。 从站 ， 实际可 能达不到， 可根据系统运行时的负荷能力计算 ； 每个 S 7 2 0 0 P L C从站通过 R S一 4 8 5总线最多可控制 3 1 台变频器 ， 每台通用变频器可驱动一两 台电机 ； 这样 电机群网络管控一体化 P L CS C AD A系统可 以管 控 的电机数 目相当可观。 S 73 0 0 P L C的 C P U 3 1 52 D P通 过 D P 口与 S 7 2 0 0 P L C的 E M 2 7 7连接 ， 各 个 E M2 7 7模 块用 P R O F I B U S网络 ， E M2 7 7与 C P U 2 2 6之间通过扩展总 线连接 ， 组态的控制任务可从 C P U 3 1 52 D P传送 到 扩展模块 。扩展模块将信息传送给 C P U 2 2 6 ， C P U 2 2 6 将该信息传送至变频器去控制相应的电机。 2 为适应 R S一4 8 5网络电流环工作 要求 ， 在 R S一 4 8 5网络的 2个终端必须连接 1 0 0 Q 的终端 电 阻。若信号干扰过大 ， 则可以考虑在 R S一4 8 5网络 传输双绞线上加磁环。通信各环节和各设备必须可 2 g T业仪 表与 自动化装置 2 0 1 2年第 3期 靠接 地 。 3 关于 S 73 0 0及 s 7 2 0 0的 I ／ O点数选取需 由实际情况决定 ； F u j i G 1 1 s ／ P 1 1 S变频器容量 由驱 动电机的具体情况而定。对速度有高精度控制要求 的场合 ， 可 加装 测速装 置 ， 测 速信 号反 馈 至 s 7 2 0 0 ， 在 s 7 2 0 0内编制速度调节算法将频率调节命 令发 至变 频器 。 2系统软件设计 2 ． 1系统软件配置 系统以西门子软件 S I MA T I C S T E P -／ V 5 ． 3 、 V 4 ． 0 S T E P 7 Mi c r o WI N S P 6和 Wi n C C 6 ． 0为开发平 台。 S T E P 7 V 5 ． 3编程软件 主要完成 s 73 0 0硬件组态 配置 ， 物理地 址配置 ， 网络通 信端 口配 置 ， O B、 F B、 F c编程等任务。S T E P 7 Mi c r o WI N主要完成 s 7 2 0 0及其与变频器通信 的编程 。Wi n C C 6 ． 0主要完 成对过程监控级的分控计算机组态监控编程 ， 通过 监控操作画面实现对现场控制级的各 P L C 、 变频器 、 电机进行设备参数及控制参数设置 、 数据采集 、 数据 处理 ， 达到对电机群网络的管控一体化。 。 。 2 ． 2 硬 件 组态 在 S I MA T I C S T E P 7 H W C o n f i g中组态配置 硬 件名称 、 类型选择 、 D P网络参数 主从站地址、 传输 速率 、 操作模式 等。首先对 S 73 0 0进行组态， 安 装 G S D 文 件 ， 存 硬 件设 备 中 找 到 E M2 7 7 。设 定 C P U 3 1 5 2 D P地址为默认地址 2， 注意 E M 2 7 7地址 不能与主站地址重复 ； 然后定义 E M 2 7 7的通信接 口 区， 其大小定义为 3 2 b y t e I ／ O。将 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6 的 1口设定为 自由口通信方式， 与变频器进行通信 ； 将 0口保 留为两门子专用协议 ， 可扩展与现场 H MI 设备连接。 2 ． 3 通 信协 议及 编程 2 ． 3 ． 1 s 7 3 0 0与 S 7 2 0 0之间通信及编程 采用主从 总线通信方式 ， 1台 s 73 0 0 P L C主 站可与多台 S 72 0 0 P L C从站组成 P R O F I B U S总线 网络控制系统 ， s 73 0 0 C P U作为总的处 理器处理 来 自总线上多个 S 7 2 0 0 P L C的信息 ， 并通过 以太 网模块 C P 3 d 31 连接到工业 以太 网。 硬件组态结束后， 在 Wi n C C中添加 P R O F I B U S D P协议 ， 建立一个 新连 接 ， 地址设 置 为 C P U 3 1 5 2 D P的地址。在 s 73 0 0 C P U的 O B块 中， 用户程 序 中 的 X G E T指 令 可 通 过 E M2 7 7从 S 72 0 0 C P U 2 2 6中读取数据 ， 在 s 7 2 0 0中不需要对通信进 行组态和编程， 只需要将要进行通信的数据整理后 存放到 V存储区与 s 7 3 0 0组态 E M 2 7 7从站时的硬 件 I ／ O地址相对应就可 以了。组态时设定主站的输 入 、 输出区分别为 I B 0～I B 3 1 、 Q B 0～Q B 3 1 ， 对应从站 s 7 2 0 0的 V B 0～V B 6 3 ， 其中接收区为前 3 2 b y t e ， 发 送区为后 3 2 b y t e ， 其接 口对应关系如表 2所示。 表 2 主从站通信 数据对应关系 S 73 0 0主站 S 72 0 0从 站 Q B 0～Q B 3 1 I B 0 ～I B3l VB0 ～VB3l VB32～VB 63 2 ． 3 ． 2 s 7 2 0 0与变频器之间通信及编程 通信协议实现如下功能 读出各变频器所有参 数设置， 及所控电机的基本参数 ； 可启动 、 停机 、 加减 速、 复位等 ； 可对 当前运行状态进行监视 ， 包括 电机 输出频率 、 设定频率、 输 出电流、 输 出电压 、 转矩 电 流 、 转矩计算值 、 运行命令等。 F u j i 的 G1 1 s ／ P 1 1 s 系列通用变频器通信协议有 标准帧和选用帧两类 ， 每一类都包括要求帧和应答 帧。构成帧 的所 有字符都 用十六进 制 A S C I I码表 示。标准帧适用于所有通信功能， 共 1 6个字节 ； 选 用帧仅 限于输入变频器命令 和高速通信时监控用 。 其 中常用的标准帧格式如表 3所示。 表 中 S O H表示帧的开始 0 l H ； 2字节 的站地 址位包括站号十位 和个位 1～3 1 ； 请求 位表示从 上位机至变频器的要求 0 5 H ， 若是肯定 回答帧此 位为 0 6 H， 否定 回答 帧此位为 1 5 H； 命令 位包括 读 出、 写入 、 高速写入 、 报警复位 ； 种类位 包括基本功 能、 控制功 能、 高级功能 、 设定 数据 、 监视数 据等 ； 2 字节的号码位表示要获取 的数 据号码 的十位和个 位 ； 4字节的数据位表示要写入或读 出的数据 ； 2字 节的检验和位 由检验和十位和个位组成 用于检 查数据传送时通信帧中有无错误 ， 计算方法 除起始 位及检验和外 ， 其他字段的字节逐个相加 ， 取其低位 字节， 再 用 A S C I I码表 示。若 上述 和 计算 结 果 为 1 2 3 4 H， 则 检验 和 十位 为 A S C I I码 “ 3 ” 值 ， 个 位 为 A S C I I 码 “ 4 ” 值 。 表 3 标准帧 上 位机一变频 器 2 0 1 2年第 3期 工业仪表与自动化装置 2 5 设定 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6的接收缓冲区为 V B 2 0 0～ VB 2 1 5 ， 其 中 V B 2 1 4 、 V B 2 1 5存放接收数据的 B C C检 验和 ， V B 3 0 0 、 V B 3 0 1用于计算 B C C， 计算过程如下 L D S M0． 0 MO V D 0 ，A C O ／ ／ 累加器清零 M O V D V B 2 0 1 ， A C 1 ／ ／ 指针指向第二个字节 F O R AC 2 ，1 ，1 3 ／ ／ 计 算 1 3个 字节 的 A S C I I 码累加和 I lAC1．AC0 I NCD AC1 NEXT LD SM0． 0 MO V B A C 0 ， V B 3 0 0 ／ ／ 将 累加结 果低 位存 于 VW 3 00 H T A V B 3 0 0 ， V B 2 1 4， 2 ／ ／ 将 V B 3 0 0中的十六 进制数转换为 A S C I I 码 ， 存于 V B 2 1 4、 V B 2 1 5 当需要对 电机群进行相 同的命令 动作时 ， 例如 令所 有 电机 同时启／ 停、 转 速相 同等 ， 可利 用 F u j i G1 1 s ／ P 1 1 S 变频器专 门的广播 帧对所有变频器 的相 关参数进行设定。广播 帧格式与标准帧格式一样 ， 区别在于其 中的站地址设定为 9 9 。 2 ． 4系统 主程序 现场控 制级 主程序如图 2所示 ， 完成系统各个 功能模块初始化、 寄存器配置、 通信 自检和调用通信 中断等功能 。 图 2 系统主程序流程图 当上位机没有接 收到特殊要求 即命令时 ， 系统 轮询读取 电机群内各 电机运行参数 ， 调用数据处理 及报警 、 显示 ； 数据传输路径至下而上。当要执行电 机群运行命令等控制时 ， 数据传输路径至上而下进 行 。上位机 Wi n C C监控组态软件 主要完成 系统 中 各设备的数据采集和监视 、 数据处理 、 报警处理 、 操 作 自动记录、 数据库及曲线操作 、 报表制作等功能。 3 应用示例 电机群 网络管控一体化 P L CS C A D A可应用 到诸多电机数量众 多、 地域分散 、 监控要求 高的场 所 ， 下面介绍其在某 纺织厂 印染机构 的多单元电机 传动监控 中的应用 。 印染设备通常组合成联合机 ， 各加工单元的主 动辊分别 由一台电动机传动。织物在连续加工过程 中， 常要求从各单元进 出的速度一致 ， 否则会使织物 下垂或拉得过紧以至于绕辊或断料。所以多单元电 气传动系统必须“ 同步 ” 协调控制。在织物连续加 工过程 中， 根据工艺的不同要求 ， 各单元要以一定 的 速度关系保持协调运行 ， 即 一 1 其中 i 1 ， 2 ， ． ． ． ， n 。 当 一 ， 为牵伸加工 ； 当 k 时 V i 一 ， 为紧式加工 又称 同步运行 ， 这是 一 种极普遍的印染加工控制要求 ； 当 时 v i 一 ，为松式加工。图 3为典型纺织 印染机构多 单元 电机传动系统 ， 其 中 M。 ， M 一， M 为电机 ， B 。 ， B 一， B 为变频器； v o ， ， ⋯， 为轧辊线速度， S 一 ， S 为松紧架。可见对众多电机的传动调速控制工艺 要求较高 ， 这样采用 电机群网络管控一体化 P L C S C A D A系统不但能满足控制工艺 的要求 ， 也极便于 整个设备群的调试及维护 ， 提高了工厂 自动化管理 水平 。 退卷 总电 图 3 典型纺织印染机构多单元电机传动系统 系统在现场控制级 的控制采用轮询通信 的方 式 ， 及 S 73 0 0与多个 S 72 0 0之间、 S 72 0 0与多 个变频器之 间均通过轮询方式 。在轮询过程中各从 2 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 3期 站通信响应时间不同， 如果上一从站与主站通信执 行完， 响应还未结束时， 下一从站与主站通信开始运 行就会造成整个通信 网络 的错误响应 ， 从而导致整 个通信过程的故障 中断 ； 另外如果某个变频器从 站 因故障使其无法通信时 ， 轮询程序执行到该从站时， 无法读取到该变频器从站的应答帧 ， 将导致整个通 信轮询中断。考虑到上述特点， 提出了图 4所示 的 轮询通信优化算法 。一旦 s 7 2 0 0的通信故障累计 标志位 C 1 0达到 3次时 即通信失败 3次 ， 则认为 该变频器从 站通信故 障 此 时进 入故 障处理 子程 序 ， 并切换到下一从站地址继续轮询操作 ， 以确保 整个通信过程的不问断正确轮询。s 73 0 0与多个 s 7 2 0 0之间的轮询操作与此类似。 初始化通讯参数 s 7 2 0 0 收发予 序参数赋值 Y _ 1 _ 一 变频器应答处理 l l r _ ～ l 变频器B 通信故障及处理 图 4 s 7 2 0 0与变频器轮询通信优化算法流程图 备的连接和控制费用 ， 采用 P L CS C A D A也使 系统 具有数据采集实时高效 、 控制灵活可靠 、 编程简单 、 抗 干扰强、 使用方便、 便于扩展等特点， 便于系统调试和 设备管理及维护 ， 利于提高全 自动化生产水平 。 参考文献 [ 1 ] P h i l l i p G L e e ．P r o c e s s c o n t r o l a n d a r t i fi c i a l i n t e l l i g e n c e s o f t w a r e f o r a q u a c u l t u r e [ J ] ．A q u a c u h u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 0 2 3 1 3 3 6 ． [ 2 ] M u s a r i a K Ma h m o o d ，F a w z i M A 1 一N a i m a ．A n I n t e me t Ba s e d Di s t rib u t e d Co n t r o l S y s t e msA Ca s e S t u d y o f Oi l R e fi n e r i e s [ J ] ． E n e r g y a n dP o w e r E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 3 3 1 03 1 6 ． [ 3 ] 张冰， 王仲初 ， 赵黎明． 力控组态软件在电机监控系统 中的应用 [ J ] ．P L C＆ F A， 2 0 0 4 1 2 7 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