西门子变频器网络控制系统在中厚板精整系统的应用

1、西门子变频器网络控制系统在中厚板精整系统的应用摘 要：随着计算机、通信、网络等技术的飞速发展,处于生产过程底层的测控自动化系统需要一种能多点数字通信而形成廉价可靠的底层网络系统,现场总线控制系统正是满足这种需求的工业网络控制系统。近年来，PROFIBUS现场总线技术得到了日益发展，这样如何为一个设备开发PROFIBUS现场总线通信接口，使设备能接到PROFIBUS现场总线的网络中就显得尤为重要。PROFIBUS现场总线是工业自动控制领域最新最流行的控制技术，本文针对该总线的工作原理和特点，介绍了西门子变频器在该系统中的应用情况，详细分析了PROFIBUS-DP网络的拓扑结构、系统中主站和从站的

2、建立、变频器GSD文件的导入，给出了总线系统中控制字和状态字的数据格式，叙述了该系统在中厚板精整系统中的应用。关键词：变频器；PROFIBUS-DP；中厚板；精整系统Siemens frequency changer network control system in cut deal finishing system applicationABSTRACT：Along with technical and so on computer, correspondence, network rapid development, are in the production process first

3、 floor the observation and control automated system to need one kind to be able to select the digital communication to form the inexpensive reliable first floor network system, the field bus control system are precisely meet this kind of need the industry network control system. In recent years, the

4、 PROFIBUS field bus technology obtained has flourished more and more daily, how like this was an equipment develops the PROFIBUS field bus correspondence connection, enabled the equipment to receive the PROFIBUS field bus in the network to appear especially importantly.The PROFIBUS field bus is the

5、industry automatic control domain most newly most popular control technology, this article in view of this main line principle of work and the characteristic, introduced the Siemens frequency changer in this system application situation, in multianalysis PROFIBUS-DP network topology, the system the

6、master station and from the establishment, frequency changer GSD document induction which stood, has given in the main line system the control word and the condition character data format, narrated this system in cut deal finishing system application.Keywords: Frequency changer; PROFIBUS-DP; Cut dea

7、l; Finishing system前 言当今世界，信息技术突飞猛进，整个人类社会正在步入信息时代。随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖生产、生活的各个方面和各个层次。这一切，引起自动化领域的深刻变革。现场总线应运而生，并且成为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的局域网。它的出现标志着工业控制技术领域的一个新时代。现场总线系统实现了数字和模拟输入输出模块、智能信号装置、过程调节装置、可编程序控制器（PLC）和 PC之间的数据传输，把IO通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费用大大节省。原因之二是标准化的现

8、场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散IO装置和现场设备，同时也可以方便地实现二级及三级网络的连接。中厚板精整区域的主要设备有冷床输入辊道、输入提升链、滚盘、输出提升链及输出辊道、润滑站及冷床冷却风机，另外还有火焰切割系统、运输辊道、翻板机、电磁起重机等。由于中厚板精整区域由于设备数量较多，同时又分散在较大的范围内，因此特别适合采用现场总线方式实现生产过程的自动化控制。本文结合当前网络控制系统在生产实践中的应用情况阐述了中厚板精整系统的工作原理，设计出交流电机变频调速系统的现场总线的总体拓扑结构图以及变频器与总线网络的连接方式，并分析了它们之间的通讯机理,设计出了通讯程

9、序，确定了变频器和其他控制设备的型号，并设定了变频器的功能参数，并且在试验装置进行了试验，经分析验证，该系统能安全、可靠、稳定的运行，达到了此次设计的预期目标。第一章 系统概述1.1 现场总线的发展现状国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)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、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。Profibus（Process Field bus），是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技

10、术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信。 Profibus协议的结构根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型，Profibus-DP（分散型外围设备）只用了第一层、第二层和用户接口。第一层PHY，规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。Profibus-DP通过差分电压输出的RS485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线连接。第二层MAC，描述了连接到传输介质的总线存取方法。Profibus-DP采用一种混合访问方法。第二层FLC，规定了对低层接口。第二层FMA1/2完成第二层MAC特定总线参数设定和第一层设定。Profibus-DP是采用主从通讯

11、和令牌通讯的，主站和从站之间靠主站的查询和从站的响应进行通讯。主站和主站之间靠得到总线控制权(令牌)进行通讯。RS-485是Profibus-DP最常用的一种，通称为H2，采用屏蔽双绞铜线电缆，只要符合Profibus-DP协议的设备都可以挂在总线上。RS-485每段最多32个站点, 带中继器最多可到127点。传输可选9.6kbps12Mbps, 最大距离12Mbps时为100m，用中继器可以加大传输距离，网络最大传输距离可达90km。Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。另外一种传输介质是光纤FO传，它用于干扰很大地环境。现场总线控制系统由测量系统、控制系统

12、、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。现场总线的测量系统的特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。现场总线控制系统的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。现场总线的

13、设备管理系统则可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如FisherRosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。1.2 中厚板精整系统简介中厚板精整区域的主要设备有：冷床输入辊道、输入提升链、滚盘、输出提升链及输出辊道、润滑站及冷床冷却风机，另外还有火焰

14、切割系统、运输辊道、翻板机、电磁起重机等。在精整区域中，涉及设计、供货厂商不下十家，主体硬件使用SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives，可以用于交流鼠笼异步机和小容量的同步电机。将三相固定频率和电压的输入转换为三相交流可率和电压的输出电源，为交直交变频控制，由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗无关，而交流侧的电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形或接近三角波，或接近正弦波。使用形式各自不同：厚板厂主体驱动设备由德国SIEMENS提供，用的是标准的6SE70系列SIMOVERT Masterdrives控制，为柜式传动单元集中控制，如冷床、剪切线

15、、冷矫、涂漆线、喷印机及各类辊道控制；也有的采用SIMOVERT紧凑式单元单独控制，具有单体容量小、体积小、便于控制等特点，如LOI提供的热处理线，这条线与其它各生产线驱动控制相比，还有一个特点，就是采用了冗余的CBP2控制，提高了系统的稳定性能；也有采用6SE71系列的SIMOVERT产品，如USF设计的抛丸线，这种驱动设备采用的是SIEMENS整合技术，结构标准、使用也相当可靠。当然，从投资部分考虑，对小区域辅助设备也采用了部分MICROMASTER变频装置。1.3 课题研究的意义现场总线系统实现了数字和模拟输入输出模块、智能信号装置、过程调节装置、可编程序控制器（PLC）和 PC之间的数

16、据传输，把IO通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费用大大节省。原因之二是标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散IO装置和现场设备，同时也可以方便地实现二级及三级网络的连接。济钢中厚板三期工程精整区域由于设备数量较多，同时又分散在较大的范围内，因此特别适合采用现场总线方式实现生产过程的自动化控制。PROFIBUS具有较广的制造基础和较多的使用经验，其应用领域包括制造业加工自动化、过程自动化、楼宇自动化、交通、铁路、电力领域的自动化和自动控制等方面。采用这种技术，系统结构简单，监测和操作使用高可靠工控机，在软硬件两方面保

17、证了系统的高可靠性，同时系统可实现联网，集成度高，控制电缆的敷设大大减少。许多变频调速系统都是利用PROFIBUSDP网络实现，并且基于PROFIBUS现场总线网络控制系统的设计灵活、易于重构、易于维护，因此，研究设计基于PROFIBUS现场总线网络的应用具有十分深远的意义。1.4 课题的发展趋势现场总线应用工程的发展趋势可归类为以下几个方面：1 通过应用技术发挥现场总线的优势现场总线系统的优越性很多，主要突出它的哪一种优点。我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。但是，现场总线的这项优

18、点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。2 不同类型的现场总线组合更有利于降低成本针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人-机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人-机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。3 现场总线的本质是信息处理现场化 一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处

19、理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。4 网络的设计 一般控制系统也有网络设计问题，网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。许多现场总线的网络形态是

20、线形的，每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少，因此除考虑网络的物理布置之外，还要考虑减少信息在网络上的往返传递。减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。例如多回路调节中，一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。5 系统组态简单化 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。 考虑

21、这个问题的原则是尽量减少总线上的信息往返，一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到最佳状态。显然，广大用户对这种状态不满意。现场总线系统的制造商也正在努力，以使系统组态逐步简单化。现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。现场总线是一种不可阻挡的发展趋势，其先进的技术有着极强的生命力，使传统的工控系统发生了全新的变化，对工业控制发展起着深远的影响，可以断言，工控领域的下一个时代必将是现场总线的时代。第二章

22、PROFIBUS的网络配置中厚板精整区域的主要设备有冷床输入辊道、输入提升链、滚盘、输出提升链及输出辊道、润滑站及冷床冷却风机，另外还有火焰切割系统、运输辊道、翻板机、电磁起重机等。中厚板厂的原有自动化设备，绝大多数采用SIEMENS公司的产品。为了便于维护和网络连接，精整区域的自动化控制设备也以SIEMENS的产品为主，PLC选用S7300，其中CPU型号为3152DP。传动系统全部为SIMOVERT MASTERDRIVERS矢量控制型变频器。2.1 PROFIBUS系统网络结构图2.1 PROFIBUS系统网络结构在此次设计中，l#冷床及精整区域PROFIBUSDP系统中，2#站S730

23、0为主站，本站的模块均为冷床系统输入输出点。3样站，17样站为远程ET-200，其中3样站ET-200是精整系统的远程IO，17样站ET-200则作为冷床操作台远程IO。48#站是输入输出系统传动变频器，916#站是1#冷床系统传动变频器，182l样站则是2#冷床系统传动变频器。我们选择具有CPU 315-2 DP的S7-300 PLC和PC+PROFIBUS网卡CP5611作为主站。SIMATIC S7-300是模块化小型PLC系统，它有中央处理单元CPU315-2DP：，用于数字量和模拟量输入输出的信号模块SM，用于连接网络和点对点连接的通讯处理器CP5611，用于高速计数，定位操作和闭环

24、控制的功能模块，用于多机架配置时连接主机架CR和扩展机架ER的接口模块和用于将SIMATICS7300连接到120230V交流电源负载电源模块PS-307。2.2 主/从站设计 一类主站根据本此设计的要求我们选择具有CPU 315-2 DP的S7-300 PLC做一类主站。S7-300 PLC系统处理器CPU315-2DP内置一个符合EN50170标准的PROFIBUS-DP和一个MPI接口。PROFIBUS-DP接口使用一个九针D型插头，通信介质为屏蔽双绞电缆，传输速率为9. 6Kbps - 12Mbps。传输距离为l00m到1200m，通过中继器后传输距离还可加长。可连接的DP从站最大数目

25、为63.一类主站S7-315-2DP PLC具有较强的数据处理功能，利用它内部较大工作存储器(64K)，以及内部集成96K的装载存储容量，储存设备的运行参数。S7-315-2DP PLC负责采集和控制现场总线及各附属设备，最大限度保证设备正常运行。 二类主站选择PC+PROFIBUS网卡CP5611做二类主站。二类主站主要用于完成系统各站的系统配置、编程、参数设定、在线监测、数据采集与存储等功能。在本实验系统，采用PHI微机+PROFIBUS网卡CP55611作为二类主站。二类主站上主要运行Siemens公司提供的组态软件包Step 7用以对现场总线上的设备组态，运行WinCC软件包用于对现场

26、的监视，过程数据及报警信息的归档等。二类主站主要强化“上位机”的数据处理以及监视功能，而淡化其控制的功能，以保证系统具有一定的抗干扰，提高整个系统的可靠性。 DP从站的选择在这里ET200是一个带PROFIBUS-DP接口的分散式I/O，它是一种模块式结构的远程I/O站。ET 200远程I/O可使用CPU 315-2 DP S7-300的SM-321I/O模块进行输入和输出。通过ET 200，可以直接将电梯实验模型连接到PROFIBUS-DP现场总线，从而实现对具有52个开关量输入点电梯实验模型的控制。 主站卡设计 DP主站卡是FM811主控单元内的一块插卡，是一块智能DP协议卡，能完成Pro

27、fiBus-DP协议链路层和物理层功能，减轻主站CPU的负担。工作原理框图如图6.2所示。图2.2 工作原理框图DP主站卡的主要性能指标如表2.1所示。表2.1 性能指标2.3 PROFIBUS的网络配置2.3.1 S7-300西门子公司的PLC抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能完善；设计、施工、调试的周期短；体积小，维护操作方便。而西门子的S7300系列的PLC提供了多种性能递增的CPU和丰富的却带有许多方便功能的I/O模块，各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务，使用户完全根据实际应用选择合适的模块，当控制任务增加且愈加复杂时，可随时附加

28、模块对PLC进行灵活的扩展，并且，S7-300性能价格比越来越高，具有很强的模拟量处理能力和数字运算能力，为钢铁企业提供了完成控制任务既方便又经济的解决方案。所以被系统采用西门子300系列的PLC作为控制器，达到对中厚板精整的灵活控制。SIMATIC S7-300是模块化小型PLC系统，但它能满足中等性能要求的应用。它的模块化、无风扇结构、易于实现分布和易于用户掌握等特点使得其成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。它还有各种大范围的功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，而且控制任务增加时，它可以使用附加模块对PLC进行扩展。系统组成：中央处理单元(CPU)：各种C

29、PU有不同的性能，例如有的CPU上集成有PROFIBUSDP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于将SIMATICS7300连接到120230V交流电源，或244860110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。SIMATICS7300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有

30、最高的工业环境适应性。SIMATICS7300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下： 1 高速的指令处理：0.10.6u s的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。2 浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。3 人机界面(HMl)：方便的人机界面服务已经集成在S7300操作系统内、因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMl)从S7300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。4

31、诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时、模块更换等)。5 口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。6 通讯：这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATICS7300具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接ASI接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPl)集成在CPU中，用

32、于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7C7等自动化控制系统。CPU 作为DP类型1主站，CPU位于控制中心，本系统采用CPU315-2DP模块化中型PLC，它具有强大的处理能力，并集成了Profibus-DP现场总线接口装置，同时还具有0.3ms处理1024个语句的速度。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU315，并存储在CPU315中。CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制硬件设备。2.3.2 PC主机MICRO DOS/WINDOWS的PC机、笔记本计算机、工业级计算机均可配置成PROFIB

33、US的编程、监测、操作工作站。SIEMENS公司为其自动化系统专门设计提供了坚固结构工业级工作站，即PG。2.3.3 CPU 在本次的设计中，我们采用的CPU型号是CPU315/3152DP：CPU315是具有中到大容量程序存储器和大规模的CPU。 CPU3152DP 是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUSDP主/从接口的CPU，它包括分布式及集成式I/O的任务中。CPU封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示灯、方式选择钥匙开关、MPI接口。另外，CPU还有后备电池盒和存储器插槽。CPU以梯形图、功能块FBD或语句表STL进行编程，同时可以采用工程工具如S7-GRAPH

34、、S7-Hi-Graph、SCL、CFC或SFC。SIMATIC S7-300可采用不同性能级别的多种CPU，其中CPU315-2DP用于要求中到大规模程序和通过PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备。CPU315-2DP的内置为96K字节公羊，其插入式存储卡最大为512K字节FEPROM。CPU有4种操作模式：STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口和其它设备通信。1 STOP模式：CPU模块通电后，自动进入STOP模式，在该模式下不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。2 RUN模式：执行用户程序，刷新输入和输

35、出，处理中断和故障信息服务。3 HOLD模式：在起动和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执被挂起（暂停），定时器被冻结。4 START UP模式：启动模式，可以用钥匙开关或编程软件启动CPU。如果钥匙开关在RUN或RUNP位置，通电时自动进入启动模式。 输入/输出模块输入/输出模块统称为信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出模块。S7300的输入/输出模块的外部接线接在插入式的前连接器的端子上，前连接器插在前盖后面的凹槽内。不需断开前连接器上的外部连线，就可以迅速的更换模块。第一次

36、插入连接器时，有一个编码元件与之持配合，这样该连接器就只能插入同样类型的模块中。 ET200ET200系列几乎能完全适应环境条件处理所有的任务。对ET200而言，不存在任何冗余设计或是安全工程，他具有简单的输入和输出，更多位于现场的工艺模块，大量的I/O通道， 能在酷热、严寒、强压、潮湿、多尘埃的环境条件下工作。ET200的“按位模块化”的新结构意味着可以使用16路或32路的高密度模块，也可以使用2路或4路的输入、输出模块。用“按位模块化”的模块种类有数字量/模拟量的输入/输出模块，以及单面通道高速记数及定位模块等。ET200具有集成的附加性能，可在减少成本的同时提高系统的功能度，可以将数字量

37、I/O和模拟量I/O和分布式智能、安全技术电机启动器、工艺模块等功能结合使用。ET200提供了连接光纤PROFIBUS网络的接口，这可以节省费用昂贵的抗电磁干扰措施。2.3.6 PROFIBUS网卡CP5611CP5611网卡是Siemens公司提供的将PC机加入到PROFIBUS-DP网络的通信处理器卡。 CP5611卡提供一个PROFIBUS - DP接口，使PC机成为一个PROFIBUS -DP 二类主站，使二类主站具有DP协议诸如初始化、数据库管理、故障、数据传送及控制等功能。 PC机通过网卡CP5611实现对现场总线设备的组态及监视。2.3.7 SIMOVERT MASTERDRIV

38、ERS矢量变频器矢量控制，最通俗的讲是为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五。在中厚板精整系统中我们采用的是SIMOVERT MASTERDRIVERS矢量变频器。其优点有：1、控制特性非常优良；2、能适应要求高速响应的场；3、调速范围大(1:100)；4、可进行转矩控制。2

39、.3.8 PS-307电源PS-307电源模块将AC120/230V电压转换为DC 24 V电压，为S7300、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A或10A三种。本系统用到的是PS 307电源模块10A 6ES7 307-1KA00-0AA0。S7-300需要24伏直流电源，而PS-307负载电源模块可将120/230伏交流电压转化为该单元的24伏直流工作电压，这样就可以使用线路电源来运行SIMATIC S7-300和过程传感器及执行元件了。PS-307的起动电流（在25时）为55A，输出电流为10A，输出电压为24V（直流），并且具有电子式非锁定短路保护和开路保护，还具有可靠的隔离特性，

40、输入功率为270W，功率损耗大约为30W，效率可达89%。为了线路保护，我们尽可能安装一个小型断路器（MCB）以保护PS7300电源模块（10A）的电源进线电缆。其断路器指标应为：230VAC时额定电流：16A；跳闸类型：B或C。PS-307 电源模块(10A)具有以下显著特性：1 输出电流10A；2 输出电压24VDC 防短路和开路保护；3 连接单相交流系统 (输入电压120/230 VAC 50/60Hz)；4 可靠的隔离特性符合EN 60 950；5 可用作负载电源。2.3.9 接口模板PROFIBUS-DP区分主动和被动两种总线节点。主动节点为主设备，被动节点为从设备。运行过程中，网络

41、中的各节点共享传输介质，系统需要控制对网络的访问。在图1中，按主从令牌方式访问网络的原则，只有主动节点才能接受访问网络的权利。通过从一个主站将令牌传递给下一个主站来访问网络的权利。如果不需要发送，令牌就传递给下一个主站。被动的总线节点是直接通过主模块的轮询来分配的。如果采用一般的标准网络部件就不能满足通信协议的实时性。因此，必须采用相应的接口模板来实现其通信性能。比较典型的接口模板有：1 主接口模板IM180IM180主接口模板能独立地处理整个总线的控制，能将第三方设备作为主设备连接到PROFIBUS-DP上，减轻可编程控制器（PLC）、个人计算机（PC）、驱动控制器和人-机界面（HMI）的通

42、信处理工作量。组成：IM 180 接口模板主要由ASIC芯片APSC2、80C165微处理器和FLASH-EPROM、RAM组成。ASPC2由48MHZ晶振提供脉冲。模板尺寸为100×100 mm，适合face-to-face方式的安装。IM 180还需要一块母板IM181，IM 181是一块 ISA 短卡，可用于一般编程设备或PC机。主要技术指标：最大数据传输速率12M bit/s。PROFIBUS-DP协议由ASPC2ASIC芯片处理。模块核心组件：80C156CPU、40MHZ晶振、2×128K BYTES RAM、256KWORDS EPROM。主系统接口：16/8

43、位数据总线连接双口RAM（8K×16BIT）；64针连接器（4排）；可选的16/8位数据总线连接表。通过双口RAM实现高效数据交换；5VDC供电。其结构图如图2.3所示。图2.3 IM180模板结构图 IM180模板能够完全独立地处理总线通信协议，由于与主机系统的通信是经过一个双端口RAM接口实现的，数据交换由用户程序处理，因此，数据可以不受总线周期的影响而传输。 图2.3中PROFIBUS控制器ASPC2为中断控制器芯片，ASPC 2芯片是一种用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS协议。通过段耦合器也可连接PROFIBUS-PA。ASPC 2

44、可完成信息报文、地址码、备份数据序列的处理，ASPC 2 与相关FRIMWARE可支持PROFIBUS-FMS/DP的全部协议。ASPC 2可寻址1M字节的外部信息报文存储器。总线存取驱动由硬件完成。ASPC 2 主要技术指标：支持PROFIBUS-DP、-FMS、-PA协议；最大数据传输速率12Mbit/s；最多可连接125个ACTIVE/PASSIVE站点；16位数据线、2条中断线；5VDC供电，最大功率损耗0.8W。 工作时，中断控制器向处理器80C165报告事件的变化。这些事件主要是确认/表示信息和不同的错误事件。中断控制器包括最多16个事件，可以连接一个或两个中断输出，不提供优先级和

45、中断向量。ASPC2中断控制器的结构如图2.4所示。图2.4 ASPC2中断控制器结构图控制器中有一个中断请求寄存器（IRR）、一个中断屏蔽寄存器（IMR）、一个中断寄存器和一个中断响应寄存器（IAR）。每次中断事件存储在IRR中。IMR可用于禁止各中断。IRR中的输入与中断屏蔽无关。在IMR中未被禁止的中断信号通过一个S网络产生X/INT-EV interrupt.此外，可获得第二个中断输出。利用模式寄存器0中的“SEP-INT”参数，CON/IND既可以被连接到公共的X/INT-EV中断（“SEP-INT=0”），也可连到独立的X/INT-CI interrupt(“SEP-INT=1”)

46、。一旦有了X/INT-EV，处理器必须读ASPC2的中断寄存器（IR），以确定是哪个中断请求。中断寄存器是IMR的输出。每个被处理器响应的中断必须通过IAR（也可以是CON/IND）清除，此时须在响应位上置逻辑“1”。如果在前一个已确认的中断正等待时，IRR又收到一个新的中断请求，则此中断被保留。接着处理器使能屏蔽，以确保IRR不装有以前的输入。出于安全考虑，使能屏蔽之前必须清除IRR中的位。执行中断程序之前，处理器必须在模式寄存器中设置“End of Interrupt-Signal(EOI)=1”，此跳变使两个中断线失效。如果一个中断仍保存着，则当EOL使之失效后，该中断输出将再次激活，这

47、样可以利用沿触发的中断输入再次进入中断程序。EOL的无效时间可以设置为1us1ms，中断输出的极性可以设置，硬件复位后输出低电平有效。2 从接口模板IM183-1IM183-1用于智能从设备，能将第三方设备作为从设备连接到PROFIBUS-DP上。IM183-1从接口模板的最大传输速率为12Mbit/s，且可自动检测总线数据传输速率。模板核心：ASIC芯片SPC3，SPC3芯片使用48MHZ石英晶振；80C32微处理器；20兆时钟频率；32K字节SRAM用户程序；32K字节或者64K字节EPROM程序存储器。主机接口是接口模板上的地址和数据总线。主要连接：用于与主机网络设备连接的50插针连接器

48、；用于RS232的14插针连接器；用于PROFIBUS-DP的RS485 10插针连接器。具有软件复位功能。其组成结构如图2.5所示。图2.5 从接口模板IM183-1组成结构图IM183-1能够完全独立地由专用集成电路SPC3 芯片处理PROFIBUS-DP总线协议的所有通信任务，与主机系统的通信是经过引导连接电缆的地址和数据总线实现的，数据交换由用户程序处理，因此，数据可以不受总线周期的影响而传输。3 从接口模板IM184IM184用于诸如传感器、执行器等的简单从设备，能将第三方作为从设备简单地连接到PROFIBUS-DP上。IM184从接口模板的最大传输速率为12Mbit/s。32个可组

49、态的输入/输出，其中最多16个可作为诊断输入，8个独立的诊断输入。组成 ：IM 184 接口模板主要由ASIC芯片LSPM2、EEPROM扩展槽和一个用于PROFIBUS-DP的RS-485接口组成。LED可显示“RUN”、“BUS ERROR”和“DIAGNOSTICS”状态。LSPM2由48MHZ晶振提供脉冲源。连接：用于与主机网络连接的2*34插针连接器；用于RS485的10插针连接器；用于PROFIBUS-DP的浮置RS485接口。其结构组成如图2.6所示。图2.6 从接口模板IM184结构组成图IM184的专用集成电路LSPM2芯片能完全独立地处理PROFIBUS-DP总线协议，经过

50、一根连接电缆即可实现与主机系统的通信，通信过程中所需的输入/输出信号必须经插针馈送到这根连接电缆上。当它从主设备那里接收到一个无差错的报文帧时，会独立地产生需要的回答帧。IM 184不需要任何FRIMWARE，模块上的ASIC可处理全部协议。2.3.10 PROFIBUS的实现现场总线实现的3个重要条件是：系列芯片、软件技术和开发工具。由于目前PROFIBUS协议芯片系列广泛，所以实现起来既简单又便宜。原则上只要微处理器配有内部或外部的异步串行接口(UART), PROFIBUS在任何微处理器上都可以实现。但是如果协议的传输速度超过500Kbps或与IEC1158-2传输技术连接时，建议使用A

51、SIC协议芯片。至于采用何种实现方法主要取决与现场设备的复杂程度、需要的性能和功能。表2.2是PROFIBUS芯片的技术数据。表2.2 PROFIBUS芯片技术参数 芯片技术参数 LSPM2 SPM2 SPC3 SPC4 ASPC2符合协议PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP PA FMSPROFIBUS-DP FMS最大数据传输率/Mbps 12 12 12 12 12数据传输速度自动识别 是 是 是 是 是是否需要微处理器 否 否 是 是 是系统软件大小 不要 不要 6KB830KB 80KB电源要求 DC5V DC5V DC5V DC5

52、V DC5V功耗按需求定 按需求定 0.5W 0.6W 0.8W允许环境温度按需求定 按需求定40850C 40850C20700C表2.2中ASPC 2 是一种用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS协议。通过段耦合器也可接PROFIBUS-PA。这种芯片可使可编程序控制器、个人计算机、驱动控制器、人机接口等设备减轻通信任务负担。ASPC 2 可完成信息报文、地址码、备份数据序列的处理。可寻址1M字节的外部信息报文存储器，总线存取驱动由硬件完成。SPC3是一种用于从站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP协议。具有1.5Kbyte的信息报文存储器，SP

53、C 3可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，这样可加速通信协议的执行，而且可减少接口模板微处理器中的软件程序。总线存取由硬件驱动。数据传送来自一个1.5Kbyte的RAM。与应用对象之间通信采用数据接口，因此数据的交换独立于总线周期。在与应用对象之间硬件连接方面，微处理了提供方便的接口。SPC4也是一种用于从站的智能通信芯片，由于该芯片具有低功耗管理系统，因此特别适合用于本征安全场合。SPC 4 用于PROFIBUS-DP从站连接时使用带隔离的RS-485驱动。SPC 4 还提供了连接SIM 1 的同步接口。SIM 1芯片用于PROFIBUS-PA单元，数据传输符合IEC 1158-2

54、。SPC 4具有1.5Kbyte的信息报文存储器。可处理报文、地址码及备份数据序列，可完全按照协议，完成PROFIBUS-DP网络上的数据通信，加快了协议的处理过程，现场设备及接口模块中微处理器的工作也可以减轻。总线存取采用硬件驱动。SPM2（Siemens PROFIBUS Multiplexer）和LSPM2（Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer）是用于简单从站协议芯片。可用于传感器、执行机构、开关设备、显示设备和热电偶测量。这两种芯片支持PROFIBUS-DP协议。SPM2具有64I/O位接口，部分I/O可设置为输入或输出，具有I/O诊断位。SPM2可完全独

55、立处理数据而不需要外加微处理器和其它硬件。因此使用SPM2和其它一些外围器件即可完成连接PROFIBUS-DP功能。LSPM2具有同SPM2同样的功能，但它只有32位I/O，SPM2和LSPM2可完全独立处理通信协议。只需将其管脚连接到I/O信号线上及总线电缆上即可。SPM2和LSPM2的操作如同PROFIBUS-DP上的一个从站。当它从主站接受到一个无错报文后，可独立向主站发出应答报文。2.4 网络配置明细表表2.3：网络配置明细表：序号元件名称型号或规格数量1PC主机12CPU315-2DP6ES7 412-2XG00-0AB013CP5611通讯卡6GK1 561-3AA0014ET20

56、0信号模块15FM350-2 计数模块6ES7 350-2AH00-0AE016FM355C 闭环控制模块6ES7 355-0VH10-0AE017PS307/10A6ES7 407-0DA01-0AA018控制柜19UR2主机架110扩展机架ER311IM180主接口模板6ES7 180-0BA01-0AA0112IM183从接口模板6ES7 183-0DA04-0AA0113IM184从接口模板6ES7 184-0EA05-0AA0114CP342-5主/从站接口模块11516路数字量输入/输出模块6ES7 334-0CE01-0AA0116MASTERDRIVERS变频器17CBP通讯板

57、1189针D型连接器119PROFIBUS-DP总线电缆6XV1 830-0EH1050米20总线连接器6ES7 972-0BA12-0XA0421电气链路模块6GK1 105-3AA0122530mm导轨6ES7 390-AF30-0AA022364K存储卡6ES7 951-0KF00-0AA0124变频电机25SIMATIC WinCC 5.0监控软件6GK1 704-1CW61-3AA0126编程软件STEP 76ES7 810-4CC05-0YX012.5 PROFIBUSDP的电磁干扰问题安装PROFIBUSDP的标准方法是：有接地基准电位，即必须把所有模块机架和负载电流回路与公共的基准电位（地）相连接，从而确保由于不合理的PROFIBUSDP电缆敷设或设备安装不当而产生的干扰电流能被尽快分流掉。采用这种安装方法时，将各个部件的接地（S7300、ET200、SIMOVERT MASTERDRIVERS）连接到控制柜的公共接地点。在这种方式下，总线插头连接器将PROFIB