基于Profibus的高水头水利机械试验台控制系统的设计
1 控制系统的构成
高水头试验台是由两台最大功率为550kW、转速范围为250～1100r/min的水泵电机将管道中的水流加速到用户所需要的水头米数,并保持水头平稳运行。由测功机监测转轮的各项参数,测功机的电机功率为500kW,转速介于300～2300r/min之间,A、B工位各一台测功机。高水头水利机械试验台原理如图1所示。系统要求电机控制精度小于0.5%,平均无故障时间MTTF大于5000小时。在经过大量的调研后,选用了ABB公司生产的DCS500直流调速系统。DCS500可以通过两种方式接收控制命令,其一为接收4～20mA信号以满足转速要求;其二为增加Profibus-DP模块,以数字方式接收满足速度要求。第一种方式控制简单,价格便宜,但电流传输中会受到干扰,影响控制精度;第二种方式虽价格较贵,但可以保证传输过程中数据的准确性,保证了控制精度。故而,系统采用了四台DCS500,分别用来控制两台测功机、两台水泵电机。四台设备作为Profibus-DP从站与主站PLC按主—从方式通讯,PLC控制测功机、水泵电机的启/停,将电机运行转速通过Profibus-DP传到DCS500,并从DCS500获得电机运行状态及参数,通过Profibus-FMS传到上位IPC,实现实时监控。
PLC选择NAiS欧洲公司生产的AFP37911模块作为主站,该模块同时支持FMS和DP协议。该模块既是FMS主站,与IPC及数据采集系统实现主—主方式通讯;又是DP主站,与DCS500实现主—从方式通讯。
数据采集系统采用VXI总线技术采集测功机的各项参数通过大屏幕显示,并将检测结果形成表格和图形输出(此部分由其他公司完成)。IPC通过FMS与数采系统相连完成通讯。整个系统构成如图2所示。
1.1 现场总线Profibus
Profibus是由SIEMENS、ABB、AEC等13家公司和5家科研机构在联合开发的项目中制定的标准,已列入欧洲标准EN50170,是我国推荐使用的工业现场总线标准之一。具体包括以下几种形式：
· Profibus-FMS解决车间级通用性通信任务提供大量的通信服务完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。NAiS的Profibus模块支持的最高通信速率为1.2Mbps,不支持循环通信模式与其他FMS主站只能采用MMA非循环数据传输主主连接 通信并且该模块与ABB公司的Profibus-FMS不能兼容所以在方案设计时不能只用一种形式的Profibus。
· Profibus-DP经过优化的高速、廉价的通信连接,专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信所设计。因DP、FMS采用相同的通信协议,故可以在同一网段内共存。NAiS与ABB之间采用MSAZ非循环数据传输主从连接从站不主动 方式通信。
· Profibus-PA专为过程自动化设计的标准的本质安全的传输技术实现了IEC1158-2中规定的通信规程用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
本系统采用的传输介质为铜质屏蔽双绞线通信协议为RS485通信速率为500kbps。工业现场总线的应用为系统的安全性、可靠性提供了保障。
1.2 IPC工业控制计算机
上位工业控制计算机采用台湾的ADVANTECH工控机运行Windows NT4.0 workstation操作系统采用SIEMENS公司的WinCC工业组态软件大屏幕显示系统的运行工况、报警信息,以图形方式表示管路流通及阻塞状况。所有数据由PLC经Profibus传输而来。IPC内部配置一块由德国Softing公司出品的Profiboard 网络卡,该卡专为Profibus而设计。通过Softing提供的配置软件,可以完成组网、建立网络通信关系
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