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基于网络的利用OPC服务器与PLC的感应电机的检测与控制

摘要：本文介绍了通过PROFINET网络包括利用OPC（OLE远程控制过程控制）标准，来控制感应电动机。该系统可归纳为：电机，编码器，变频器，PLC（可编程逻辑控制器）和两台电脑（服务器和客户端）。电机控制是基于PLC的PID（比例-积分-微分）控制器，而电脑作为HMI（人机界面）：控制设备和监督设备。PC代表的OPC服务器通过以太网与PLC连接，而变频器和PLC之间的连接是通过PROFIBUS DP协议建立。两台电脑使用OPC标准的连接，它们之间的物理连接是通过使用LAN（局域网）。所得到的实验结果表明，在我们的系统中，存在可以确保系统的稳定性和效率，建立本地和远程控制的可能性。

关键词：远程控制；现场总线和OPC服务器；PROFINET网络；以太网；局域网；网络整合

一.引言

在过去的几年中，相当大的努力已经投入到使技术尽可能容易使用的工作当中。为了使得生产过程更加的高效，各种不同的网络被结合起来，通信网络是工业设备和系统管理过程的一个组成部分。生产量的增加，引起了大量的，需要管理和监督其工作状态的设备的要求。一个这样的设备是感应电机，这是最常见的控制设备[ 1 ]，[ 2 ]。由于它的发展，典型的工业厂房中能找到关于它有无数的、不同的控制系统和通信网络。互连这些不同的系统可能是困难和昂贵的，但对于高效生产是至关重要的。通常在常用设备中，构建即插即用功能。在这个意义上发展的OPC标准规格系列，是一个有助于实现即插即用[ 3 ]的重要元素，。为了设计桥梁硬件和软件应用，OPC是开放的标准，允许用一致的方法来访问从车间设备传来的现场数据 [ 2 ]，[ 4 ]。由于开放的连接经由开放的标准规范，OPC技术在工业自动化和企业系统可确保互操作性。硬件制造商需要为他们的设备与任何OPC客户端通信只提供单一的OPC服务器。通过结合基于PLC感应电机控制和通过PROFINET网络和OPC的通信，可以提供远程控制和被控过程监督 [ 5 ]，[ 6 ]。通过这种方式，我们可以在任何两台计算机可以连接在同一网络的建筑的任意房间里，控制和监测我们的进程。

当我们试图构建一个大的网络，基于少数PLC，DCS（分布式控制系统），驱动器，电机控制和现场仪表，我们从同一供应商来购买这些。即便如此，供应商通常会造成设备年限不同或设备模型没有很好的互联。只有面对这个问题时，阿尔坎冶炼厂和化工厂开始升级他们的水合物二号厂[ 7 ]。厂家有PLC独立供应商，集散控制系统和电机控制，使用这些控制网络的三种不同的类型（Allen Bradley远程I/O（RIO）[ 8 ]，艾伦布拉德利数据高速通道加（DH ）[ 9 ]和以太网[ 10 ]）。与计划中的另外三个新的网络（DeviceNet，ControlNet [ 11 ]和[ 12 ]连接PROFIBUS）来连接过载继电器和变速驱动控制器，工厂将面对六种不同的过程网络系统。我们的想法是：使得网络收集数据的方式更加合理，并允许所有进程数据的集中处理。在本文中，我们已经解决了上述问题。我们使用PROFINET网络来控制感应电动机。一电机与其他设备之间的连接系统通过OPC标准来实现。OPC技术实现服务器/客户端配对。OPC服务器是一个软件程序，该程序将使用的PLC的硬件通信协议转换成OPC协议。OPC客户端软件包含任何需要连接的硬件，如人机界面，的程序。OPC客户端使用OPC服务器获取数据或发送命令给硬件。OPC的价值在于它是一个开放的标准，这意味着厂商和用户更多的选择，降低成本。本文将解释本地和远程控制的问题。我们的系统能够利用PLC通过PROFINET网络来本地控制感应电机，然后会升级通过OPC通信和创建一个系统，该系统能够控制和监视远程计算机上的感应电动机。电脑在本地作为校准，通过OPC客户端来遥控。

本文的结构如下。在第二节中，有系统和它的组成部分的描述。我们的系统的根基，如算法，控制律和方法，在第三节中有描述。在第四节中，通过OPC服务器的远程控制被考虑。第五节给出了实验结果，从中可以看到系统的效率，以及其可靠性。在第六节中，我们有一个完整的文件的概述与适当的结论。

二.问题陈述

控制系统的结构框图如图1所示，被控对象由三相异步电动机组成。编码器固定在三相电动机的轴线上，目的是测量电机轴的速度和位置。第4块代表一个实现的电机转速PID调节的变频器。变频器是通过现场总线连接到PLC通信网络。PLC通过PROFINET网络连接到计算机（网络上的服务器）。另一台计算机与服务器连接，并具有客户端。

图1 控制系统结构

所需的速度输入是在图形面板（人机界面在计算机上）上完成，除了电机的瞬时转速外，还可以在计算机上跟踪其他几个重要参数（电机电压，电机温度等）。如果在客户端计算机上分配所需的速度，则通过本地网络将其发送到服务器。服务器重定向到PLC，PLC发送同样的信息给变频器。变频器跟踪电流与期望转速的差值，并使用该差分，通过PID控制，来产生电机需要的控制信号。

1. 控制对象

被控对象（图1中有第5个数字的块）代表0.15千瓦电机。因为我们正在处理一个需要用三相逆变器来控制的三相异步电动机。西门子SINAMICS G120变频器在标记操作期间使用。这是一个模块化的逆变器，由一个控制模块和一个电源模块组成。控制单元有几个数字和模拟输入/输出以及编码器模块。将逆变器连接到网络的PROFIBUS DP协议，这是集成到逆变器中，被使用。逆变器输出连接到发动机终端，而增量编码器连接到被用来获取有关发动机转速的信息逆变器。控制算法是在逆变器上实现的。一个线性V / F特性被用来控制发动机。V / F特性代表一个用于控制感应电动机的技术的控制方法。这种技术已经被证明于技术本身己被广泛应用，如泵，风扇，皮带电机和类似的过程。V / F控制的目的是保持电机中的磁通常数。在这种情况下，这是成比例的磁化电流和电压V和频率f之间的比率：

phi;~~ V / f (1)

由感应电动机产生的转矩M与磁通和电流的矢量乘积成比例：

M ~phi;*I （2）

为了产生一个给定的电流的最高可能的转矩，电机必须具有恒定磁通，这是尽可能高的操作。为了保持磁通常数，频率f的变化，电压V必须改变的比例，使恒定磁化电流流。

有几个版本的V / F特性。我们用来控制电机的是线性的，如图2所示。控制的目的是实现良好的准时（一个小的错误控制）的比例发动机轴的速度。

图2.感应电动机的V / f特性

1. 可编程序控制器（PLC）

一个模块化的可编程逻辑控制器西门子S7-300在操作期间被使用。PLC负责获取逆变器上的数据，以及向逆变器发送所需的速度信息。服务器通过PROFINET通信网络连接到PLC的开关。为了让这个系列的PLC能够连接通过PROFINET网络，我们采用专门用于这种通信额外的模块cu-343。

1. 人机界面（HMI）

人机界面实现在计算机上表示OPC服务器同时（图1中的第2块）。启用关键引擎值的显示，以及由于图形界面所需的发动机速度的输入。另一台计算机连接到服务器（块数1），它具有客户端的作用，并且还具有变量显示和发动机控制功能的图形界面。与OPC通信的目的是使监测任何一台连接到本地网络的计算机（客户）。在现实中，被控对象通常是远离它被控制的地方（控制和监督是在控制室）。

1. 算法、方法和描述操作方法
2. 网络控制系统配置

图1中的控制系统是NCS（网络控制系统）层次结构的一个例子。这个层次结构意味着存在的主控制器和远程闭环系统。主控制器通过网络计算并向远程系统发送参考信号。控制系统处理参考信号以执行局部闭环控制。控制变量的值是由一个传感器，它作为一个直接值在本地系统控制。此值也被发送到主控制器，以执行网络闭环控制。主控制器具有较长的采样周期，因为它能够同时操作多个不同的进程。NCS的例子在分层配置如图3所示。

图3.NCS层次结构

前面图中的结构完全符合我们的系统完全实现的方式。在我们的系统中的主控制器的功能是由PLC，而遥控器是变频器。由以前的图像表示的计划只包括系统的控制部分（OPC服务器和客户端代表监视系统和参考值输入系统）。主控制器以网络包的形式发送和接收数据。

B. 局部闭环控制

闭环速度控制与编码器信号的评价采用PID控制器和V / F特性控制在我们的系统中实现。图4显示了局部控制回路的块结构。PID控制器的信号的最大值和最小值是有限的。从PID控制器的退出信号的最大值是110%的最大电机速度，而最小值是最大电机速度的-10%。

图4.本地控制回路的块结构

前一个图中的PC信号表示人机界面所指示的值，这是电机速度的参考值。它代表了测量值的速度（电流值），而Pe是一个错误的信号。

四、通过OPC远程控制

利用OPC标准解决感应电机的远程控制问题。关于OPC的最好的事情是，它提供了一个可互操作的、安全可靠的通信平台。这意味着系统不需要任何额外的接口，只要现有的硬件和软件应用程序支持OPC通信。OPC实现在服务器/客户端对如图5所示。OPC服务器是将PLC所使用的硬件通信协议转换成OPC的软件程序协议。OPC客户端软件是任何需要连接到硬件的程序，如HMI。

图5.OPC通信

PC代表的OPC服务器通过PROFINET网络和数据系统的所有点都被分配去收集控制的感应电动机的工作。然后，OPC服务器将所有这些数据转发给OPC客户端。使用以太网电缆实现OPC对之间的物理连接。OPC依赖于配置良好的DCOM基础设施。这包括设置Windows安全和防火墙，访问控制列表，服务器身份，等等[ 4 ]。设置DCOM设置后，可以在OPC客户机和OPC服务器之间建立通信。现在我们需要做的是匹配相应的变量代表OPC服务器和OPC客户端和OPC服务器上的任何变化将反映在OPC客户端上的软件程序，反之亦然。有了这种改进，我们已经创建了系统，有能力远程控制以及本地控制。我们的遥控器的外观-OPC客户端上的控制器如图6所示。

图6.OPC客户端图形界面

五.实验结果

在整个系统与他的所有功能和可能性已被描述，实验结果将显示在本节。建议的系统的物理结构如图7所示。像任何其他控制系统建立所需的电机转速在一定的设定值和考虑系统的响应。所有的设置都在OPC客户端。在不同调节器的参数下几个电机速度响应被捕获。完成最佳响应，以下PID参数：K = 0.7，TI = 0.513秒，TD = 0秒。图8用PID显示电机转速的响应，参数值设置为建议。

图7.服务器端实验系统

从得到的结果可以得出结论，很好的控制性能（跟踪）是没有明显的过冲或下冲了。由于网络延迟，系统有一个小的时间延迟，这是不大于100毫秒，如图9所示，所以它没有对系统的稳定性有很大的影响。为了更好地理解网络的时间延迟，电机速度响应被同时捕获服务器和客户端。这些反应如图10所示，以更好地比较这些反应。时间延迟，其主要原因是在网络上的数据传输的延迟，是从图中可见。这是说的时间延迟值不超过100ms的最大值很重要。然而，在相同的时间在服务器和客户端的电机速度值的差异具有显着的值，在一些时间矩。速度误差的高值是由于在瞬态时间迅速增加电机速度（图11）。

图8.电机的速度响应

图9.网络时延

图10.客户端和服务器端的电机速度响应

图11.电机转速误差值

六．结论

本文提出并实现了一种软件和感应电机的本地和远程控制的硬件解决方案，采用基于PLC的控制器通过PROFINET和OPC网络。它是如何可以结合不同的网络，以控制感应电机在本地以及远程，仍然保持系统的效率和简单性。这是通过使用OPC标准，因为OPC代表开放的软件接口标准，允许Windows程序与工业硬件设备进行通信。已被认为是通过OPC的系统描述，调节规律和远程控制，并获得了实验结果进行了详细讨论。这些结果表明，该系统可以实现非常良好的控制性能。此外，通过该系统的信号延迟是可以忽略不计，因此在本地和远程控制系统的稳定性得到保证。

引用

[1]一、高桥和T. Noguchi，“一个新的快速响应和高效的异步电机控制策略，”IEEE工业应用，卷1a-22，pp. 820-827，九月1986。

[2] M.V. Lazarini和急诊室说，“无传感器三相异步电动机基于滑模控制策略的直接转矩控制实验室电机调速控制教学研究工程教育–ICEE，科英布拉，葡萄牙，2007，pp. 1-6。

[3]OPC基础，过程控制用OLE -数据访问标准，1.0a版本，1997。

[4] R. Kondor，OPC DCOM：你需要知道的5件事。OPC技术培训学院

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