基于PROFIBUSDP的变频器网络控制

    磁悬浮列车牵引控制系统的主要特点是：基于直线同步电机运动原理，在考虑效率和功率需求下，采用定子区段方式的长定子一直线磁场电动机的大规模、复杂、高实时性分布分散式的电力拖动控制系统。为避免列车在通常两段定子段转换过程中出现推力损失的干扰问题，设置两根平行于列车轨道的定子绕组结构，应用区段转换方法可以解决LI]。在实际的磁悬浮列车运行控制系统下，搭建基于PROFIBUS—DP现场总线网络的变频器远程控制系统，实现网络中主站与从站的数据交换及整个系统监控，对于研究和模拟基于牵引供电系统电力投切逻辑顺序，以及长定子换流方法的磁悬浮列车的牵引控制有重要意义。

1 模拟控制系统的PR0FIBUS—DP网络结构

    1.1 具有变频器的PROFIBUS-DP总线控制特点PROFIBU DP是一种针对较复杂设备的数字与模拟信号量传递的高速字节等级的设备总线通信系统，一般以在RS485网络中的主站与从站之间周期数据交换形式运行。这种所分配的主站轮寻网络中对应的从站是确定性总线的访问技术。其特点是：主站与从站之间的数据交换都是由主站设备发起的，从站无总线访问权，且各从站具有相同的优先级。PROFIBUS—DP在多变频器系统中的应用有很大的优越性：1)各个对象可在不同的应用场合下，采用多种传输介质，以一条传输介质即可实现所有设备对象的互联；2)采用数字信号技术，降低信号干扰，还可实现检错功能，从而极大地提高信号传输的可靠性和精度；3)变频器智能性和可靠性的提高，使其现场处理数据的功能增强，简化了设备之间的数据交换。这类现场总线的分散性和变频器本身智能性的统一，使得整个控制系统的可靠性得到加强；4)变频器控制算法的实现由主站控制器实现，针对不同的应用，仅需重新设计控制软件，提高了系统的灵活性；5)开放型网络使得不同的变频器产品可挂接在同一网络中，共同实现控制。

    1.2 模拟系统网络控制结构

    磁悬浮列车系统主要由下列子系统构成：1)运行控制子系统，其完成列车安全监控，列车给定信息的生成和实际信息的收集，并生成相应的运行控制命令发布给牵引控制子系统；2)牵引控制子系统，其接收运行控制子系统所发布的信息和命令，来完成基于直线同步电机为基本控制对象的控制任务，并根据当前运行状态控制长定子的换流控制等；3)联系各子系统，功能、设备的通信子系统。磁悬浮列车系统是一类结构分散，功能分层的网络系统。为模拟长定子换流过程，将分成3层功能：上位机监控、现场控制器及现场各执行设备，它们通过两层网络来联系。

    1.2.1 工业以太网 SIMATIC 控制系统通过CP343—1及上位PC机通过网络接口卡(NIC)连接到工业以太网中。上位机(安全计算机、监控计算机)应用SIEMENS提供的以太网软件SOFTNET所提供的函数，嵌入Windows应用程序中完成与SIMATIC系统实现数据交换，以完成上位机的监视和安全控制功能。

    1.2.2 PROFIBUS—DP现场总线网络

    PROFBUS—DP是本系统主干网络，网络拓扑结构为线性总线型。系统采用CPU315—2DP作为PROFIBUS一DP网络中现场主控制器，同时在主槽中通过背板连接数字I／O显示系统本身的网络通信、程序控制运行状态。系统远程I／O从站采用ET200M 分布式I／O系统，通过此I／O系统模拟电力开关站投切逻辑关系和远程监控[2]。系统控制对象采用了CT公司具有PROFIBUS—DP 网络接口的UD73可选模块的变频器。同时，此模块具有RS485／232串行通信接口和针对变频驱动器软件控制的操作系统，相应的驱动器编程语言DPL，可实现变频器局部自我控制。为实现各个软件层(PRCIFIBUS-DP中主站的STEP 7控制程序，CT变频器组局部控制DPL程序)中程序运行的变量值、状态的可视化及便于进行相应程序调试，将主站通过MPI接口与程序监控机，变频器通过UD73提供的串口与变频器监控机。

3 PROFIBUS—DP 网络中通信与监控的实现

    根据系统的硬件及通信要求，由STEP 7软件进行硬件和网络组态。根据硬件组态分配的从站PROFIBUS-DP地址和中央插槽I／O地址实现控制与通信。

    3.1 模拟系统各I／O定义

    根据系统要求的功能和组态过程中定义的I／O地址，对两类I／O功能定义做如下简述：

    1)ET200M 构成的分散型I／O 系统完成变频I／O控制。主要的I／O 功能：禁止运行、正常运行准备、启动、恢复上一时刻的速度值、恢复初始速度、加速、减速等输入控制；运行故障、运行准备(悬浮准备好)、正常运行、网络设备状态、电力供应状态等输出控制与监视。其中对于多点同时有信号情况下，在软件中根据模拟系统要求实现各控制输入优先级。

    2)中央插槽中的I／O 监视端口定义：控制器自身状态(可实现控制功能否)；以太网运行正常；PROFIBUS—DP运行正常等输出监视。

    3.2 主站与变频器数据交换

    变频器可选模块UD73提供用于实现网络控制的数据通道，表1对于它们的数据通道及映射参数含义进行了描述。通过设定UD73模块中的参数#20。05(设置变频器的PROFIBUS-DP地址参数)为组态中所分配的地址，实现与主站连接。

    由于应用MOVE指令来访问I／O或过程镜像输入输出表时仅能一次读出不多于4个字节的连续数据 ，为保证通信数据的连续性(这种连续性实现数据作为一个整体连续发送而不被中断，以防止由于中断而带来控制上的可能严重后果)，通常主站与从站进行数据交换过程中以连续的8个字节进行其间的数据交换。这样就需要应用SFC14(DPRD—DAT)和SFC15(DPWR—DAT)来完成，下面为实际应用程序中应用这两个系统功能的实例。 [page]

    //...
    CALL "DPRD— DAT" ／／主站读取变频器8个字节(4个字)
    LADDR ：=W 11O ／／从变频器读取数据的输入区域所组态的起始地址；
    RET_VAL：=MW20 ／／如果在函数运行过程中发生错误，返回故障代码；
    RECORD ：=P#M 30。0 BYTE 8 ／／所读取的用户数据的目的区域。要与在STEP 7中所选择的模块组态的数据长度相同。仅容许BYTE数据类型
    //...
    CALL "DPWR_DAT" ／／主站发送8个字节给变频器(4个字)
    LADDR ：=W #16#1OO ／／要被写入数据的模块的输出地址中所组态的起始地址；
    RECORD ：=P#M 6O。O BYTE 8 ／／与”DPRD_DAT”对应的参数含义相同，不过RET_VAL：=MW22 ／／在这里RECORD声明为“INPUT”；
    //...

    在表中看到，循环数据通道中IN Word3未用，如果在变频器参数#2O.04映射为=1，这样读入的数据是没意义的，应予以屏蔽。

    3.3 主站与远程I／O数据交换

    PROFIBUS-DP网络是将一般的“分散型外围设备”看成主站所处的中央插槽中的I／O模块。但实际位于中央插槽的I／O模块与远程I／O在STEP 7软件系统中的数据类型是不同的，不过对于其访问方法是一致的，即都可以应用STEP 7中的MOVE指令完成数据交换的。实际应用程序中读取远程I／O实例：

    //...
    L "ET200M_IN" ／／远程I／O输入符号变量对应PIW0，在变量表中定义
    T MW 140 ／／通过MOVE将远程I／O输入装在至内部中间继电器Mw14O；
    //...

    3.4 系统监控功能的实现

    STEP 7提供了大量的系统监控功能组织块。针对本系统应用情况，采用了诸如OB86(分布式I／O系统中子网，机架或站出现故障)，OB87(通信故障)，OB122(I／O访问错误)，OBI21(程序错误)等组织块[6]。由于这些组织块中的局部变量提供了所有其所处理故障的错误类型、代码，中断优先级及中断调用时间等信息。那么在应用中，采用了为每类故障定义的数据结构块(DB)来记录这些故障信息，比如故障类型，代码和故障时间等，在主应用程序中以一定的时间周期扫描这些DB，以完成整个系统运行的监控。同时，正是调用了这些组织块使得系统在某些故障下仍可保证系统控制程序的运行，从而保证了整个系统的安全与稳定。

4 基于PROFIBUS—DP的变频器控制在模拟控制系统的应用

    4.1 算法描述

    长定子换流技术描述了相关定子绕组基于当前列车运行状态在时间上逻辑顺序操作的方法，其过程可作为多电机在时间上的协调控制问题。对于长定子绕组换流技术的研究，可通过多电机协调控制系统来模拟。不同的运行情况，要求不同的牵引力，从而导致不同的换流方法。其对应的相关联的定子绕组数量、控制设备数量及控制复杂度等都将不同。现有的换流方法主要有：两步法(列车站内牵引)；三步法(列车高速运行牵引)等。以两步法为对象，将模拟磁悬浮列车一侧相邻两个长定子绕组的控制方法。

    两步法过程如下：当列车处于当前定子段某位置时，开始降低此定子段电流(必须保证列车进入下一定子段时电流为零)。当电流为零时，切断开关，断开此定子段与电源电气连接，并将下一定子段与电源连接，完成切换。整个过程中保证推力损失为最小。

    4.2 控制初步实现

    通过对基于PROFIBUS—DP的多电机控制系统的分析，采用了所形成的网络层次结构来模拟磁悬浮列车的换流过程，其控制结构如图2。将两台电机作为两步法中的相邻定子段，它们的速度和作为转换过程中推力变化的一种数量描述。

    以时间中断组织块OB35(时间基准为100 ms)作为控制软件周期查询和更新状态的时间基准。设计计数器Counter1作为主站从远程I／O取得控制状态信息和向变频器输出控制的时间周期，计数器Counter2作为非更新期间的网络中各设备状态监视的时间周期。设计基于PROFIBUS—DP的网络控制流程图如图3。

5 结 语

    文中描述了基于PROFIBUS-DP现场总线的远程变频控制系统，叙述了系统的硬件、软件，实现了主站与各类从站的通信任务和系统监控任务，完成了磁悬浮列车运动控制模拟系统的基本功能：列车运行过程的各类状态及长定子换流方法的模拟。讨论了基于PROFIBUS—DP现场总线的多变频器调速系统的可靠性，智能性及灵活性等特点，为复杂的多电机协调控制问题的解决提供了参考。