摘要：提出了一種基于PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括系統(tǒng)配置、系統(tǒng)功能、控制站結(jié)構(gòu)、中文操作顯示站的組態(tài)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線由于具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性強(qiáng)、接線簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)的DCS 控制系統(tǒng)存在的問題。應(yīng)用結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)具有投資成本相對(duì)較低、工程期短、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，能夠滿足高速紙機(jī)的同步控制要求。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；PROFIBUS ；造紙；傳動(dòng)；變頻器
技術(shù)：PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線
隨著造紙企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)自動(dòng)控制水平的提高，越來越多的自動(dòng)化設(shè)備如傳感器、調(diào)節(jié)器、發(fā)送器、驅(qū)動(dòng)器及可編程控制器等被應(yīng)用到造紙工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。相應(yīng)地，串行現(xiàn)場(chǎng)總線也用來在這些設(shè)備間進(jìn)行通信。因此，通信和數(shù)據(jù)流高速傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)就成為完成電氣傳動(dòng)和控制的一個(gè)必不可少的部分。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線存在著各種各樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，這些網(wǎng)絡(luò)大多是嚴(yán)格保密且互不兼容，其中PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)是一種開放的、不依賴生產(chǎn)廠家的通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，所以PROFIBUS 在各種工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)得到了越來越廣泛地應(yīng)用。尤其是在造紙行業(yè)，PROFIBUS 得到了大力推廣。本文針對(duì)PROFIBUS 在長網(wǎng)多缸紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是由德國Siemens等13 家公司和5 家研究所聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，并于1999 年成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158 的組成部分。PROFIBUS 包括3 個(gè)同一類、可互相兼容的變種，即PROFIBUS-FMS 、DP 、PA 以適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求。PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)信息規(guī)范）的設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)；PROFIBUS-DP （分散型外圍設(shè)備）用于現(xiàn)場(chǎng)層高速數(shù)據(jù)傳送；PROFIBUS-PA （過程自動(dòng)化）適用于過程自動(dòng)化。PROFIBUS 能夠提供制造業(yè)、樓宇自動(dòng)化和過程自動(dòng)化各領(lǐng)域統(tǒng)一解決方案的系統(tǒng)，現(xiàn)已在汽車工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、食品工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、環(huán)保工程等多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。
1 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)
1.l 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成
造紙機(jī)傳動(dòng)控制是一個(gè)控制點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的工作過程概略如圖1 所示。以1760 / 350 長網(wǎng)多缸造紙機(jī)為例，整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)部分分為主傳動(dòng)和輔助傳動(dòng)兩部分：主傳動(dòng)部分共分16 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，總傳動(dòng)功率為368 kw ，主要控制飾面輥、真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導(dǎo)網(wǎng)輥、真空反壓輥、光壓輥、烘缸和卷紙機(jī)等；輔助傳動(dòng)部分合計(jì)功率42 kw ，主要控制勻漿輥、唇板、損紙攪拌器、張緊器、沖水管、輸油泵、刮刀和副臂等。傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路主要有2 個(gè)：其一是操作屏和PLC 走PROFIBUS-DP 或FMS 通路；其二是PLC 通過CBP 板卡和變頻器走RS485 PROFIBUS-DP 協(xié)議通路。為達(dá)到控制目的，整臺(tái)紙機(jī)共配有4 臺(tái)操作臺(tái)：操作臺(tái)OP-﹟l 控制流漿箱及上漿系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟2控制有關(guān)網(wǎng)部、吸移、反壓、二壓及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟3 控制有關(guān)光壓、部分烘干部及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟4控制部分烘干部、卷紙機(jī)、稀油站油泵及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備。每套操作臺(tái)配備1 套ET2OOM , 作為遠(yuǎn)程I/0 使用；并且裝有PROFIBUS-DP 接口的閥島和單機(jī)起停及緊急停車按鈕。其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖1 造紙機(jī)概略示意圖
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大、軟件功能豐富的S7-300 型PLC CPU315 系統(tǒng)作為控制核心，軟件采用STEP7 Version 5.0 ；變頻器采用Siemens 的6SE7O 系列完整矢量控制高精度變頻調(diào)速裝置，其完善的控制性能特別適合紙機(jī)系統(tǒng)，如速度鏈給定、分布的速度控制，張力控制及兩者的切換，多種自由功能模塊和工藝模板的組合特別適用紙機(jī)的工藝要求；本系統(tǒng)采用了T40O 模塊，它提供了多種工藝控制功能，如卷曲、張力、同步、定位、多電機(jī)等；并采用CBP2 板卡插在變頻器中，用于PROFIBUS-DP 的通信；上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門子的PⅢ450 加54cm 彩顯；組態(tài)軟件采用WIN CC5.O 。通過OPIS 操作屏和PLC , PC 可對(duì)多臺(tái)裝置進(jìn)行參數(shù)重復(fù)設(shè)定以提高調(diào)整進(jìn)度。
1.2 傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求
造紙機(jī)生產(chǎn)過程是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續(xù)且復(fù)雜的過程組成，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 多變量、多參數(shù)系統(tǒng)，影響傳動(dòng)系統(tǒng)的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓、負(fù)載等；② 交流電動(dòng)機(jī)的非線性；③ 負(fù)載的不確定性；④ 多電機(jī)間性能的不匹配；⑤ 多電機(jī)之間存在耦合。因此，造紙機(jī)的傳動(dòng)控制要求滿足：① 實(shí)現(xiàn)速度鏈控制。依據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能。操作屏上設(shè)有功能鍵，通過通訊可直接修改PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)，改變響應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)的速度設(shè)定值。② 實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制。網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)動(dòng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時(shí)要求負(fù)載均衡，否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí)，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這2 個(gè)傳動(dòng)組合中的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷分配自動(dòng)控制功能。PLC 通過PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線得到電機(jī)電流信號(hào)，以先進(jìn)的調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值相等，這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。③ 實(shí)現(xiàn)張力控制。根據(jù)紙機(jī)工藝要求，在多組烘缸與卷紙機(jī)之間加張力傳感器，張力傳感器將張力信號(hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊送人PLC，在操作臺(tái)上的操作屏上進(jìn)行張力設(shè)定，PLC根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值對(duì)卷紙機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持張力恒定準(zhǔn)確。PLC 內(nèi)采用積分分離的PID 控制算法，并帶有速度限幅，仿止斷紙時(shí)出現(xiàn)張力飛車現(xiàn)象。
2 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸技術(shù)
2.1 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是ISO/OSI 的7 層網(wǎng)絡(luò)參考模型，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
■ DIN19245第四部分 ■ EN50 170 ■PROFIBUS準(zhǔn)則
圖3 PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)
PROFIBUS-FMS 第l 、第2 和第7 層均加以定義，其中第3～第6 層未加以描述，其功能在底層接口（Lower Layer Interface）完成，LLI 是第7 層中的一部分，F(xiàn)MS(Field Message Specification 現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）包含了應(yīng)用層協(xié)議并提供了多種強(qiáng)有力的通信服務(wù)及用戶接口。
PROFIBUS-DP 使用第l 層、第2 層和用戶接口，以直接數(shù)據(jù)鏈路映像（Direct Data Link Mapper）提供易于進(jìn)入第2 層的用戶接口。該用戶接口規(guī)定了可以調(diào)用的應(yīng)用功能并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP 設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS485 傳輸技術(shù)或光纖。
PROFIBUS-PA 采用擴(kuò)展的"PROFIBUS-DP"協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過總線供電。
2.2 PROFIBUS 傳輸技術(shù)
PROFIBUS 提供以下3 種類型的傳輸技術(shù)：FMS 和DP 的RS485 傳輸；PA 的IECll58～2 傳輸；光纖( FO）。RS485 采用屏蔽雙絞線，操作容易，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，而且能夠滿足高速傳輸?shù)囊?，故?yīng)用較廣，成為PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術(shù)。RS-485 總線結(jié)構(gòu)允許增加或減少站點(diǎn)，傳輸速度可選用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 傳輸技術(shù)可保持其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過總線供電，所以這種傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求并在這些領(lǐng)域得到廣泛使用。另外，IECll58-2 信號(hào)可通過耦合器與RS-485 信號(hào)相適配，這樣PROFIBUS-PA 設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。光纖傳輸技術(shù)主要用于電磁干擾很大的環(huán)境中，它可以增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，但光纖傳輸造價(jià)較高。
3 上位操作監(jiān)控管理系統(tǒng)
上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門子公司的PⅢ450 加54cm 彩顯，打印機(jī)，軟件平臺(tái)為隨機(jī)所帶的原版Windows NT Workstation 軟件，工控組態(tài)軟件為德國西門子公司的工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC ，即"WINDOWS CONTROL CENTER"（窗口控制中心）--為在標(biāo)準(zhǔn)PC 和WINDOWS NT 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)集成化全32 位的HMI （人機(jī)界面）的功能。WinCC5.0 具有的特點(diǎn)：① 全集成自動(dòng)化，使STEP7 編程環(huán)境更貼近于WinCC 的組態(tài)環(huán)境；② 組態(tài)更加高效，易于操作，最大地減少組態(tài)時(shí)間，是成功的HMI/SCADA 軟件的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，SIMATIC WinCC 一直遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；③ WinCC 是按照客戶機(jī)／服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，最多支持16 個(gè)客戶機(jī)；④ WinCCWeb 瀏覽器功能允許通過國際互聯(lián)網(wǎng)Internet或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Internet 對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視甚至操作；⑤ WinCC5.5 對(duì)Messenger&Guardian （信使和看護(hù)者）可選功能進(jìn)行了升級(jí)，主要的新功能是通過網(wǎng)絡(luò)的攝像監(jiān)視，且在看護(hù)者計(jì)算機(jī)上支持多攝像機(jī)監(jiān)視；⑥ 開放式結(jié)構(gòu)，易學(xué)易用，支持全序列的SIMATIC PLC ；⑦ 集成的SQL 數(shù)據(jù)有利于數(shù)據(jù)的存取和交流，并且支持0LE2.0 及OCX 控件。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存人SQL 數(shù)據(jù)庫。
上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要功能有：① 全景監(jiān)控，整個(gè)紙機(jī)各部分運(yùn)轉(zhuǎn)情況的監(jiān)控畫面，包括各種重要參數(shù)如定量、水分、電壓、電流、壓力、張力、車速、漿濃度等的顯示，而且上位機(jī)可設(shè)定所有重要參數(shù)值；② 實(shí)時(shí)曲線，包括漿曲線、汽包曲線、烘缸曲線，車速曲線、張力曲線等，具體操作以漿曲線為例，點(diǎn)擊"漿曲線"按鈕，可以顯示濃度設(shè)定值、實(shí)時(shí)值，以及漿流量閥開度的實(shí)時(shí)曲線，該曲線顯示最近15min 內(nèi)的漿濃度實(shí)時(shí)值和閥門開度實(shí)時(shí)值；報(bào)警處理，主要監(jiān)控某些影響生產(chǎn)質(zhì)量和威脅生產(chǎn)安全的重要參數(shù)和事件，如紙機(jī)車速、斷紙、堆紙、烘缸壓力、汽包壓力等；③ 自動(dòng)報(bào)表，電腦根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況自動(dòng)生成各種報(bào)表，包括日產(chǎn)量報(bào)表、月報(bào)表，漿的日、月使用量統(tǒng)計(jì)表，報(bào)警累計(jì)表，各種材料消耗表等。上位機(jī)存儲(chǔ)這些報(bào)表，并且每隔一段時(shí)間自動(dòng)產(chǎn)生打印要求，提醒用戶打印。這些數(shù)據(jù)可以通過局域網(wǎng)上傳給公司的管理決策層；實(shí)施全公司的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理。另外上位機(jī)可遠(yuǎn)程喚醒和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的異地管理和監(jiān)控。
4 控制核心PLC S7 300
4.1 PLC 的控制功能
西門子S7 315-2 PLC 作為PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)主站，通過擴(kuò)展通訊板CP340 連接16 臺(tái)變頻器，組成PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，完成各傳動(dòng)點(diǎn)的速度控制、張力控制、負(fù)荷分配控制以及工作運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能。該P(yáng)LC 內(nèi)置MPI 和DP 通訊接口，MPI 口和其他帶有RS485 接口的設(shè)備可構(gòu)成MPI 網(wǎng)，而DP 接口可以使PLC 直接上PROFIBUS 網(wǎng)。輔助控制PLC 用于速度鏈控制信號(hào)的采集、張力控制信號(hào)的采集、光電斷紙檢測(cè)、卷紙機(jī)自動(dòng)換卷控制、光壓上下輥順序控制以及各傳動(dòng)點(diǎn)的單動(dòng)／聯(lián)動(dòng)控制等。PLC 通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)傳給操作屏，然后通過控制決策將控制信號(hào)由操作屏送回，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC 通過掃描方式檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)各分部傳動(dòng)點(diǎn)的按鈕、開關(guān)等信號(hào)，并根據(jù)操作信號(hào)的要求執(zhí)行相應(yīng)的加速／減速、速度微增/ 微減、緊紙／松紙、單動(dòng)／聯(lián)動(dòng)、爬行／運(yùn)行、啟動(dòng)／停止等相關(guān)操作控制和聯(lián)鎖、順序控制。
4.2 變頻器與PLC 的通訊
6SE70 系列變頻器若想與PLC 通過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，則必須在變頻器
中內(nèi)插CBP2板卡。變頻器通過CBP2板卡上的9 針SUB-D 型插接器可以很方便地連接到
PROFIBUS-DP 系統(tǒng)中去。
PKW--參數(shù)識(shí)別值 PZD--過程數(shù)據(jù) IND--標(biāo)號(hào)
PWK--參數(shù)值 PKE--參數(shù)識(shí)別
圖4 PROFIBUS 一DP 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)
CBP2 通訊板還支持PROFIBUS-DP 更多的功能，例如：周期性電報(bào)的靈活配置，在傳動(dòng)裝置之間直接通訊，操作屏SIMATIC OP 作為PROFIBUS-DP 主站等。PROFIBUS-DP 通訊協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4 所示。BP2 與CBP 完全兼容并已取代CBP 。CBP2 總共有5 個(gè)PPO（參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象）它們又被劃分為1 個(gè)PKW 區(qū)（參數(shù)識(shí)別值區(qū)，最多4 個(gè)字）和1 個(gè)PZD 區(qū)（過程數(shù)據(jù)區(qū)，最多10 個(gè)字）。PKW 區(qū)允許參數(shù)值的讀寫及參數(shù)描述的讀出，如最大頻率、基本頻率、加減速時(shí)間等。PLC 通過這種方式可監(jiān)控和改變變頻器的參數(shù)。PZD 區(qū)包含了從PLC 到變頻器的信號(hào)，如過程控制所需的控制字和設(shè)定值等；或從變頻器到PLC 的狀態(tài)字和實(shí)際值，如電流反饋值、速度反饋值等。并且，除5 個(gè)PPO 之外，CBP2 還可使用最多達(dá)16 個(gè)過程數(shù)據(jù)字的本身有用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CBP2 通訊板卡可以用外接的24V 電源供電，這樣可以保證當(dāng)電源從變頻器上撤除后，總?cè)匀皇羌せ畹摹?br> 5 注意事項(xiàng)
在實(shí)際施工過程中，采用了隔離和屏蔽措施，成功解決了PROFIBUS-DP 通訊不暢的問題。所以在PROFIBUS-DP 電纜施工過程中，要注意遠(yuǎn)離強(qiáng)電區(qū)，以避免強(qiáng)電的電磁干擾。
6 結(jié)語
本傳動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)投人運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期的控制要求。系統(tǒng)由于使用了PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，接線十分簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，便于維護(hù)，節(jié)省了安裝費(fèi)用，大大減少了維護(hù)開銷；而且PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)的使用使得系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性得到了極大提高，用戶還具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。該系統(tǒng)投資成本相對(duì)較低，工程期短，見效快，由于精確控制使長網(wǎng)多缸造紙機(jī)的工作車速上升到一個(gè)新的臺(tái)階，降低了故障率的發(fā)生，保證了紙機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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作者：張承慧 汪 明 程 金
?。ㄉ綎|大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250061 )