基于Profibus的高水頭水利機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　高水頭試驗(yàn)臺(tái)是由兩臺(tái)最大功率為550kW、轉(zhuǎn)速范圍為250～1100r/min的水泵電機(jī)將管道中的水流加速到用戶(hù)所需要的水頭米數(shù),并保持水頭平穩(wěn)運(yùn)行。由測(cè)功機(jī)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)輪的各項(xiàng)參數(shù),測(cè)功機(jī)的電機(jī)功率為500kW,轉(zhuǎn)速介于300～2300r/min之間,A、B工位各一臺(tái)測(cè)功機(jī)。高水頭水利機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示。系統(tǒng)要求電機(jī)控制精度小于0.5%,平均無(wú)故障時(shí)間MTTF大于5000小時(shí)。在經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研后,選用了ABB公司生產(chǎn)的DCS500直流調(diào)速系統(tǒng)。DCS500可以通過(guò)兩種方式接收控制命令,其一為接收4～20mA信號(hào)以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速要求;其二為增加Profibus-DP模塊,以數(shù)字方式接收滿(mǎn)足速度要求。第一種方式控制簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,但電流傳輸中會(huì)受到干擾,影響控制精度;第二種方式雖價(jià)格較貴,但可以保證傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,保證了控制精度。故而,系統(tǒng)采用了四臺(tái)DCS500,分別用來(lái)控制兩臺(tái)測(cè)功機(jī)、兩臺(tái)水泵電機(jī)。四臺(tái)設(shè)備作為Profibus-DP從站與主站PLC按主—從方式通訊,PLC控制測(cè)功機(jī)、水泵電機(jī)的啟/停,將電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速通過(guò)Profibus-DP傳到DCS500,并從DCS500獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù),通過(guò)Profibus-FMS傳到上位IPC,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　PLC選擇NAiS歐洲公司生產(chǎn)的AFP37911模塊作為主站,該模塊同時(shí)支持FMS和DP協(xié)議。該模塊既是FMS主站,與IPC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主—主方式通訊;又是DP主站,與DCS500實(shí)現(xiàn)主—從方式通訊。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用VXI總線技術(shù)采集測(cè)功機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)大屏幕顯示,并將檢測(cè)結(jié)果形成表格和圖形輸出(此部分由其他公司完成)。IPC通過(guò)FMS與數(shù)采系統(tǒng)相連完成通訊。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

　　1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus

　　Profibus是由SIEMENS、ABB、AEC等13家公司和5家科研機(jī)構(gòu)在聯(lián)合開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中制定的標(biāo)準(zhǔn),已列入歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,是我國(guó)推薦使用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。具體包括以下幾種形式：

　　· Profibus-FMS解決車(chē)間級(jí)通用性通信任務(wù)提供大量的通信服務(wù)完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。NAiS的Profibus模塊支持的最高通信速率為1.2Mbps,不支持循環(huán)通信模式與其他FMS主站只能采用MMA非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸主主連接　通信并且該模塊與ABB公司的Profibus-FMS不能兼容所以在方案設(shè)計(jì)時(shí)不能只用一種形式的Profibus。

　　· Profibus-DP經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接,專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信所設(shè)計(jì)。因DP、FMS采用相同的通信協(xié)議,故可以在同一網(wǎng)段內(nèi)共存。NAiS與ABB之間采用MSAZ非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸主從連接從站不主動(dòng)　方式通信。

　　· Profibus-PA專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)采用的傳輸介質(zhì)為銅質(zhì)屏蔽雙絞線通信協(xié)議為RS485通信速率為500kbps。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用為系統(tǒng)的安全性、可靠性提供了保障。

　　1.2 IPC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

　　上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用臺(tái)灣的ADVANTECH工控機(jī)運(yùn)行Windows NT4.0 workstation操作系統(tǒng)采用SIEMENS公司的WinCC工業(yè)組態(tài)軟件大屏幕顯示系統(tǒng)的運(yùn)行工況、報(bào)警信息,以圖形方式表示管路流通及阻塞狀況。所有數(shù)據(jù)由PLC經(jīng)Profibus傳輸而來(lái)。IPC內(nèi)部配置一塊由德國(guó)Softing公司出品的Profiboard 網(wǎng)絡(luò)卡,該卡專(zhuān)為Profibus而設(shè)計(jì)。通過(guò)Softing提供的配置軟件,可以完成組網(wǎng)、建立網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系CR(Communication Relation),建立對(duì)象字典OD(Object Dictionary)。WinCC為SIEMENS公司生產(chǎn),它只支持與該公司S5/S7 PLC直接連接,與其他PLC只能通過(guò)Windows提供的DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信。Softing公司提供了DDE Server軟件,實(shí)現(xiàn)了與WinCC的Profibus通信。

　　1.3 PLC

　　PLC選用NAiS公司的FP10SH。

　　2 控制系統(tǒng)功能

　　控制系統(tǒng)除了控制兩臺(tái)水泵電機(jī)、兩臺(tái)測(cè)功機(jī)以外,還需要控制28個(gè)電動(dòng)閥、4臺(tái)砝碼電機(jī)、8臺(tái)油泵電機(jī)、3臺(tái)真空泵電機(jī)、4臺(tái)排油泵電機(jī)、2臺(tái)潤(rùn)滑電磁閥,通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制水的流向與流量來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的試驗(yàn)要求。

　　2.1 定水頭

　　調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使其穩(wěn)定在某一數(shù)值,此時(shí)水頭一定;調(diào)整測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值,工況穩(wěn)定2～4分鐘后,采集有關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中,要求保持水頭不變。在水泵電機(jī)安放碼盤(pán)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速,使DCS500構(gòu)成閉環(huán)控制。水泵轉(zhuǎn)速由IPC鍵盤(pán)輸入。

　　2.2 定轉(zhuǎn)速

　　調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速,使其穩(wěn)定在某一數(shù)值,此時(shí)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速一定;調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值(即調(diào)整水頭),工況穩(wěn)定2～4分鐘后,采集有關(guān)數(shù)據(jù)。DCS500對(duì)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成閉環(huán),穩(wěn)定測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　2.3 飛逸試驗(yàn)

　　調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值,保持測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速不變?chǔ)犝{(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,使測(cè)功機(jī)輸出力矩近似為零(該工況下,測(cè)功機(jī)時(shí)作發(fā)電運(yùn)行,時(shí)作電動(dòng)運(yùn)行),采集有關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中要求水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,由DCS500調(diào)節(jié)。

　　2.4 流量校準(zhǔn)

　　系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)流量校正罐,用于標(biāo)定系統(tǒng)中的流量計(jì)。校準(zhǔn)前先確定所標(biāo)流量值,然后啟動(dòng)水泵電機(jī),并不斷調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,此時(shí)注意觀察流量值,當(dāng)流量值達(dá)到所需要的數(shù)值時(shí),使水泵電機(jī)穩(wěn)定在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速(此時(shí)水在標(biāo)定管路中循環(huán))。設(shè)定好折向器切換時(shí)間,待工況穩(wěn)定后,接通電磁閥,計(jì)時(shí)開(kāi)始,同時(shí)把管路中的水切換到校正罐中。計(jì)時(shí)時(shí)間到,電磁閥斷開(kāi),此時(shí)水又切換到標(biāo)定管路中,下調(diào)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速,讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。然后把水排掉,再標(biāo)定下一點(diǎn)。

　　2.5 手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾切換

　　為使系統(tǒng)檢修和調(diào)試方便,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專(zhuān)用手動(dòng)鍵盤(pán),操作人員通過(guò)鍵盤(pán)可以單獨(dú)控制某個(gè)閥門(mén)的動(dòng)作,不受互鎖的約束。系統(tǒng)采用NAiS Remote I/O模塊,可以使鍵盤(pán)在異地操作。手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí),閥門(mén)狀態(tài)保持不變。

　　系統(tǒng)采用PLC作為主控制器,簡(jiǎn)化了系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的高可靠性和易維護(hù)性;Profibus實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)據(jù)傳輸,避免了電磁干擾,使系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的精度要求;實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享;Profibus的靈活性為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了方便條件。以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案將成為工業(yè)界應(yīng)用的主流。