计算机控制多电机变频调速同步方法及其集散控制系统

摘要

本发明公开了一种基于网络，由计算机控制的多台电机变频调速同步方法和相应的集散控制系统，即DCS。采用PC计算机(3)通过RS－232/现场控制总线转换器(4)和现场控制总线(5)与各台变频器(6)进行串行数据通讯，对各变频器(6)的运行特性参数和控制参数分别进行读取、运算和改写，从而实现对多台电机(7)同步运行的集散控制，使多单元轧辊(8)的线速度相等或保持一定的速比关系，从而保证对物料(9)连续加工的正常进行。本发明简化了系统结构，降低设备成本并提高系统可靠性和控制管理水平，而且还能节能降耗，提高设备运行的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及多电机同步自动控制，即由PC计算机通过网络控制变频器实现的多电机变频调速同步方法及其集散控制系统即DCS。

背景技术

传统多单元电机“同步”传动系统采用笨重的直流电动机加变速箱传动，各单元之间采用摆式或辊式松紧架和旋转变压器，自整角机等同步装置调节电机的转速，或者采用张力传感器构成恒张力控制系统，这些方法结构复杂，可靠性较差，控制精度较低，控制操作管理和维护都不方便。究其原因，这是由反馈闭环控制系统的固有特性所决定的，即其动态品质依赖于良好的控制参数配合，而其稳态控制精度则取决于给定装置和检测反馈装置的精度和稳定度。但是，这些模拟装置经常受到电位器接触不良，元件参数变值，放大器温度漂移，线路漏电和各种电磁辐射等许多因素的干扰。如果采用高精度、高质量的传感器和控制器则因所需要的数量太多而使设备成本大大增加。

发明内容

为了克服传统的电机同步控制系统结构复杂，可靠性较差，控制精度较低，控制操作管理和维护都不方便的缺点，本发明研究了基于网络，由计算机控制变频器实现的，不用松紧架或张力等传感器的多电机同步运行控制新方法，并设计了相应用的DCS。

这种计算机控制多电机变频调速同步的方法是，由计算机通过网络通讯设定变频器运行控制参数，实现多电机变频调速同步运行，其特征在于，它是采用计算机3通过RS-232/现场控制总线转换器4和现场控制总线5与各台变频器6进行数据通讯，对各台变频器6的运行控制参数设定值分别进行改写，从而实现对多台电机7同步运行的控制，使多单元轧辊8的线速度相等或保持一定的速比关系。

本发明的方法是由计算机1、3通过局域网和现场控制总线5通讯分别设定各变频器6运行控制参数，实现多电机7变频调速同步运行控制。

本发明的控制系统中，上位PC计算机(1)连接现场PC(3)，通过RS-232/现场控制总线转换器(4)和现场控制总线(5)与若干台支持该现场控制总线通讯协议的智能型变频器(6)相连，变频器(6)和交流电动机(7)相连，交流电机(7)通过传动机构和轧辊(8)相连。

本发明的方法采用以下三种中的一种或多种变频调速同步法：①几台电机共用一台变频器驱动的多电机变频群调同步法；②引入无速度传感器矢量控制变频器输出转矩或电流负反馈的电机拖动软机械特性同步法；③一个单元采用大小不同的两台电机变频调速同步法，即用大功率电机调速，用小功率电机调转矩和张力。

本发明的计算机控制多电机变频调速同步集散控制系统DCS，由PC机1、3，局域网和某种现场控制总线5和变频器6所组成，其工作原理是：PC1、3通过网络与各台变频器6串行通讯，对各台变频器的运行特性参数和运行控制参数分别进行读取、运算和改写，实现对各台变频器的控制和监视。

本发明的计算机控制多电机变频调速同步集散控制系统DCS中，PC机3与各变频器6之间采用某种控制总线如RS-485 5进行多机串行数据通讯。

本发明的计算机控制多电机变频调速同步集散控制系统DCS中，PC3对各台变频器6的运行特性参数和运行控制参数分别进行读取、显示、运算和改写，代替变频器的面板按钮控制功能和显示功能，实现对各台变频器6的控制和监视，整个同步控制系统为纯数字化控制系统。

本发明综合运用性价比极高的现代性PC，网络和变频器技术实现多台电机的运行同步及其监控。其突出的特点是：不用现有一些方法的松紧架、自整角机等同步控制器和转速、张力等传感器，也不用开关量I/O口和A/D、D/A接口，极大地简化了系统结构，降低了设备成本并极大地提高了系统可靠性和控制管理水平，而且还能节能降耗，提高产品的产量、质量和设备运行的经济效益。

附图说明

附图1为本发明的计算机控制多电机变频调速同步控制方法及其DCS方框原理图；

附图2为本发明的多电机同步系统及变频器群组DCS的一种实现方案图；

附图3为本发明一种实现方案控制总线转换器接线图；

附图4为本发明的同步方法之一即变频器电流负反馈软机械特性同步法原理图；

附图5为本发明的一种应用例子DCS人机界面之一的“L联合练漂机工艺流程及监控”窗口图；

附图6为本发明的一种应用例子DCS的“L联合练漂机A单元主要参数集中设置及监控”窗口图。

图中：1、上位计算机，2、同步控制子系统，3、现场计算机，4、RS-232/现场控制总线转换器，5、现场控制总线，6、变频器，7、电机，8、轧辊，9、连续加工的物料。

具体实施方式

下面结合附图阐明本发明的具体实施方法和其DCS的系统结构及原理。

附图1为本发明多电机同步控制新方法及其DCS方框原理图，上位计算机1与各个控制子系统2即A组和B组等若干组的现场PC联成局域网，A组中M1为主令单元电机，其它的为从动单元电机，在物料的连续加工过程中，根据工艺的不同要求，各单元的线速度(V)按(1)式关系保持“同步”协调运行，α_i为加工速比系数。

V_i＝α_i·V_i-1，i＝1、2…m    (1)

其原理是采用计算机3通过RS-232/现场控制总线转换器4和某种现场控制总线5与支持该现场控制总线通讯协议的各台变频器6进行数据通讯，对各台变频器6的控制参数分别进行读取、显示、运算和改写从而实现对多台电机7同步运行的集中监控，使多单元轧辊8的线速度相等或保持一定的速比关系，从而保证对物料9连续加工的正常进行或保持其张力的恒定。

附图2为本发明方法及其DCS的一种系统总体设计实现方案，对于要求同步的那些多单元拖动电机都采用交流变频调速，并且将这些智能型变频器分成一个组(最多31台)，由现场PC3通过RS-232/RS-485转换器4和RS-485总线5通讯设定各变频器6的运行参数实现同步控制。上位PC和现场PC分别安装网络版MCGS工控组态软件，这样由PC和变频器群组通过网络组成DCS。通过PC对每一台变频器的运行参数进行读取、运算、和改写，实现对变频器的控制，同时对电动机的运行情况，如定子电流、电压、频率等参数，进行监视、显示、存储和打印等。

附图3为RS-232/RS-485转换器接线图，现场PC3的RS-232串行通讯口与RS232/RS-485转换器4的RS-232插头连接，与RS-232/RS-485转换器4相连的若干个RS-485D型插头(插头型式与变频器的型号有关)分别与各台变频器6的RS-485串行通讯口相连接。

附图4为变频器电流负反馈软机械特性同步法原理图。引入矢量控制变频器的电流输出负反馈来设计拖动系统的软机械特性，那么有跑快倾向的电机因负载加重而快不起来，有跑慢倾向的因负载变轻也慢不了，最终维持速度一致(V_g)从而实现同步。各单元的线速度应设定得前面的比后面的依次稍大一点，以实现加工所要求的张力调节。另外两种方法为：①多台电机变频器群调同步法。每个单元各用一台交流电机拖动，共用一台变频器来驱动实现同步，则这些电机的转速都相等。如果各主动辊的直径都完全相等则能严格同步；如果需要保证一定的加工张力则直径应略有差别，前面的比后面的依次稍微大一点。②大小电机变频调速同步法。一个单元用功率大小不同的两台电机变频调速驱动，用功率大的电机调速；用功率小的电机调节转矩和张力。

设加工车速为V，由(1)式有

V₁＝V＝k₁V

k₁＝1

V₀＝V₁/α₁＝k₀V

k₀＝1/α₁

V₂＝α₂V₁＝k₂V

k₂＝α₂

V₃＝α₃V₂＝α₃α₂V₁＝k₃V

k₃＝α₃α₂

...

V_m＝α_mα_m-1Lα₂V＝k_mV

k_m＝α_mα_m-1Lα₂

即

V_j＝k_jV，j＝0、1、2…m    (2)

设轧辊的直径为d，电机的转速为n，则有V＝V₁＝πd₁n₁和V_j＝πd_jn_j，代入(2)式并整理得

n_j＝p_jn₁，j＝0、1、2…m       (3)

p_j＝k_jd₁/d_j，j＝0、1、2…m    (4)

n₁为基速即主令电机转速，由加工要求的车速确定，即n₁＝V/(πd₁)，从动电机的转速按3式设定，p_j为对基速的转速系数，其值按4式计算。不用松紧架或张力传感器，各台电机的转速由计算机通过RS-485控制总线分别设定其变频器的转速(频率)实现同步，即各单元轧辊的线速度相等或保持一定的速比关系或保持加工物料的张力恒定，各个加工速比系数等参数设定值都可以方便地连续精确调整。

系统控制软件用MCGS组态软件编程实现，系统按优先级来管理多个任务进程，通过每个任务的时间片轮回，宏观上实现多个进程的并行处理，如串口通讯、数据存盘及处理、控制算法、工艺动画显示、趋势曲线、报警画面和打印等。上位PC和现场PC主机操作采用一系列友好直观的人机交互界面，使得对整个DCS的操作管理变得非常的灵活和方便。

上位PC与现场PC之间通讯和PC与变频器之间的通讯由MCGS通讯设备组态功能实现。PC与变频器之间通过RS-485总线采用主从方式进行多机通信，网上的每一次通信都由主机控制完成，由地址码确定和识别各台变频器。

下面以L型练漂联合机同步系统的改造为例阐明本发明的应用。该机整机分A、B、C3个部分(大单元)，共使用了28台传动电机，其中A单元10台，B单元7台，C单元11台。整个联合机属两级同步，A为主令单元，B和C为从动单元，调速范围为35～140m/min，3个单元既可联合运行也可单独运行。3个大单元之间及每个大单元的各台电机之间的同步调速，由原来的三辊式松紧架和旋转变压器构成的直流调速同步系统改造为本发明新方法的交流变频调速同步系统，系统的监控由MCGS工控组态软件完成。

附图5为本发明应用例子DCS人机界面之一“L联合练漂机工艺流程及监控”窗口图。可直观地监控三个大单元及退卷机和绕卷机的运行速度。整机控制可设置为手动或自动，当设置为自动时，只有“A单元控制”可由鼠标操作，其它的都自动向A单元“看齐”；当设置为手动时，则都可以由鼠标操作。如果哪个部分出现异常或故障，则其电机旁边的报警灯及总报警灯闪亮。点击该窗口中的各个文字框热区或电机图标热区，当然也可以通过主控窗口的菜单操作，可以方便地进入各个部分监控的子窗口，再点击子窗口中各台电机就可以再进入该电机变频器参数设置及监控窗。

附图6为本发明应用例子DCS的“L联合练漂机A单元主要参数集中设置及监控”窗口图，还设计有每另外两个大单元即B单元和C单元的“运行主要参数集中设置及监控窗”和三个大单元的“运行主要参数集中设置及监控窗”，其特点是“集中”，方便和准确，各个参数的设置和监视就如同填表格和看表格一样，操作非常简单直观。其它诸多人机界面省略。

系统控制及与变频器之间的通信实现。系统控制软件用MCGS组态软件编程实现，系统按优先级来管理多个任务进程，通过每个任务的时间片轮回，宏观上实现多个进程的并行处理，如串口通讯、数据存盘及处理、控制算法、工艺动画显示、趋势曲线、报警画面和打印等。上位PC和IPC主机操作采用一系列友好直观的人机交互界面，使得对整个DCS的操作管理变得非常的灵活和方便。

上位机与现场工作站之间采用TCP/IP通讯协议，由MCGS通讯设备组态功能实现通讯。IPC与变频器之间通过RS-485总线采用主从方式进行多机通信，网上的每一次通信都由主机控制完成，由地址码确定和识别各台变频器。下面以三菱公司的FR-E500型变频器为例阐明计算机与变频器之间通讯的实现方法。

该变频器设有PU接口，通过它可进行面板控制或电脑串行RS-485通信。PU口实际上是一个水晶头插槽，当装上控制面板操作时，用到了所有的8个金属引脚；当通过RS-485总线与计算机通信时，只要使用其中的RDA，RDB，SDA，SDB，SG5个引脚。该型号变频器提供了全双工RS-485通信，而通常所使用的都是半双工型RS-485接口，所以用RS-232/RS-485转换头提供的T/R+，T/R-，GND三个引脚，通过将RDA，SDA线对连接至T/R+，RDB，SDB线对连接至T/R-，变频器上的GND连接转换头的GND，这样就完成了电器规格的全双工串行RS-485到半双工串型RS-485的转换。

在计算机与变频器通讯前，需用面板控制器对关键的运行控制参数进行通讯条件设定，设定值如表1所示。FR-E500型变频器的通讯帧格式分为两大类。

(1)接收帧即计算机传送给变频器的指令格式为：ENQ+地址码+指令代码+等待时间+数据+总校验和+回车换行符；其中，ENQ为表示命令开始的控制符；地址码可为0-31，这里设为1-31；指令代码：对应对变频器各种操作的命令代码，如读出频率为6F。注意，当计算机发送读取命令时，格式中无数据这一项。

(2)应答帧即变频器反馈给计算机的指令格式为：①若上位机向变频器发出写数据命令，则应答帧格式为：ACK+地址码+回车换行符；其中，ACK为表示变频器被成功写入的控制符，若发生错误，控制符为NAK，并返回错误代码；②若上位机向变频器发出读数据命令，则应答帧格式为：STX+地址码+读出数据+ETX+总校验和+回车换行符；其中，STX为表示变频器成功读出的控制符，ETX为表示数据结束的控制符，若发生错误，控制符为NAK，并返回错误代码。注意，不同型号的变频器其通讯帧格式往往不同，故最好尽量选用相同的型号。在IPC的串口通讯实现中，可以用Windows的API函数来编写通信程序，也就是分别用CreateFile()，ReadFile()和WriteFile()函数来对一个串口分别进行打开，读和写的操作；也可以用MFC类库或ActiveX控件方式来对串口进行操作；如果用MCGS的设备组态功能来实现，则无需编写复杂的通信程序，可利用厂家提供的变频器或控制变频器的PLC/DSP的设备通信驱动程序进行通讯。

表1变频器运行控制参数通讯条件设定

 参数 编号功能出厂预设设定值 Pr.79 Pr.117 Pr.118 Pr.119 Pr.120 Pr.121 Pr.122 Pr.123 Pr.124 Pr.342切换操作模式设定站号485通信的波特率停止位长奇偶校验通讯再试次数通信校验时间间隔等待时间设定选择有无回车换行符写数据时选择RAM/EEPROM0：外部控制模式均为0号192：19200bps1：停止位2位2：偶校验1：错误连续次数超过1次，变频器报警停止9999：允许长时间无通讯状态9999：由通信数据决定1：有回车无换行0：写人EEPROM1：PU口通信模式1-31号48：4800bps保留出厂保留出厂9999：发生通信错误，也不报警停止保留出厂保留出厂保留出厂保留出厂