摘要：提出了一種基于PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)，并詳細介紹了PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術在紙機傳動系統(tǒng)中的應用，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)場總線由于具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性強、接線簡單、易于維護等特點，有效地解決了傳統(tǒng)的DCS 控制系統(tǒng)存在的問題。應用結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)具有投資成本相對較低、工程期短、控制精度高、運行穩(wěn)定可靠等特點，能夠滿足高速紙機的同步控制要求。
　　關鍵詞：現(xiàn)場總線；PROFIBUS ；造紙；傳動；變頻器
　　技術：PROFIBUS 現(xiàn)場總線 

　　隨著造紙企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和工業(yè)自動控制水平的提高，越來越多的自動化設備如傳感器、調(diào)節(jié)器、發(fā)送器、驅(qū)動器及可編程控制器等被應用到造紙工業(yè)控制現(xiàn)場。相應地，串行現(xiàn)場總線也用來在這些設備間進行通信。因此，通信和數(shù)據(jù)流高速傳輸?shù)膶崿F(xiàn)就成為完成電氣傳動和控制的一個必不可少的部分。目前，現(xiàn)場總線存在著各種各樣的網(wǎng)絡標準，這些網(wǎng)絡大多是嚴格保密且互不兼容，其中PROFIBUS 標準是一種開放的、不依賴生產(chǎn)廠家的通信系統(tǒng)標準，所以PROFIBUS 在各種工業(yè)控制現(xiàn)場得到了越來越廣泛地應用。尤其是在造紙行業(yè)，PROFIBUS 得到了大力推廣。本文針對PROFIBUS 在長網(wǎng)多缸紙機傳動控制系統(tǒng)中的應用進行了詳細的介紹。
　　PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術是由德國Siemens等13 家公司和5 家研究所聯(lián)合制定的標準化規(guī)范，并于1999 年成為國際標準IEC61158 的組成部分。PROFIBUS 包括3 個同一類、可互相兼容的變種，即PROFIBUS-FMS 、DP 、PA 以適應不同領域的要求。PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場總線技術信息規(guī)范）的設計旨在解決車間監(jiān)控級通信任務，提供大量的通信服務；PROFIBUS-DP （分散型外圍設備）用于現(xiàn)場層高速數(shù)據(jù)傳送；PROFIBUS-PA （過程自動化）適用于過程自動化。PROFIBUS 能夠提供制造業(yè)、樓宇自動化和過程自動化各領域統(tǒng)一解決方案的系統(tǒng)，現(xiàn)已在汽車工業(yè)、機械制造業(yè)、食品工業(yè)、運輸業(yè)、環(huán)保工程等多領域獲得了應用。
　　1   造紙機傳動控制系統(tǒng)
　　1.l 造紙機傳動控制系統(tǒng)的構(gòu)成
　　造紙機傳動控制是一個控制點多、結(jié)構(gòu)非常復雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的工作過程概略如圖1 所示。以1760 / 350 長網(wǎng)多缸造紙機為例，整個紙機傳動部分分為主傳動和輔助傳動兩部分：主傳動部分共分16 個傳動點，總傳動功率為368 kw ，主要控制飾面輥、真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導網(wǎng)輥、真空反壓輥、光壓輥、烘缸和卷紙機等；輔助傳動部分合計功率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。傳動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路主要有2 個：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。為達到控制目的，整臺紙機共配有4 臺操作臺：操作臺OP-﹟l 控制流漿箱及上漿系統(tǒng)有關氣動、電動設備；OP-﹟2控制有關網(wǎng)部、吸移、反壓、二壓及工藝系統(tǒng)有關氣動、電動設備；OP-﹟3 控制有關光壓、部分烘干部及工藝系統(tǒng)有關氣動、電動設備；OP-﹟4控制部分烘干部、卷紙機、稀油站油泵及工藝系統(tǒng)有關氣動、電動設備。每套操作臺配備1 套ET2OOM , 作為遠程I/0 使用；并且裝有PROFIBUS-DP 接口的閥島和單機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)控計算機采用西門子的PⅢ450 加54cm 彩顯；組態(tài)軟件采用WIN CC5.O 。通過OPIS 操作屏和PLC , PC 可對多臺裝置進行參數(shù)重復設定以提高調(diào)整進度。
　　1.2 傳動控制系統(tǒng)的控制要求
　　造紙機生產(chǎn)過程是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續(xù)且復雜的過程組成，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：① 多變量、多參數(shù)系統(tǒng)，影響傳動系統(tǒng)的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓、負載等；② 交流電動機的非線性；③ 負載的不確定性；④ 多電機間性能的不匹配；⑤ 多電機之間存在耦合。因此，造紙機的傳動控制要求滿足：① 實現(xiàn)速度鏈控制。依據(jù)紙機傳動系統(tǒng)的工藝特點，采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實現(xiàn)速度鏈功能。操作屏上設有功能鍵，通過通訊可直接修改PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)，改變響應傳動點的速度設定值。② 實現(xiàn)負荷分配控制。網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)動輥、第一導網(wǎng)輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時要求負載均衡，否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這2 個傳動組合中的各自傳動點之間實施負荷分配自動控制功能。PLC 通過PROFIBUS 現(xiàn)場總線得到電機電流信號，以先進的調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使各電機轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值相等，這樣完成負荷分配的自動控制。③ 實現(xiàn)張力控制。根據(jù)紙機工藝要求，在多組烘缸與卷紙機之間加張力傳感器，張力傳感器將張力信號通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊送人PLC，在操作臺上的操作屏上進行張力設定，PLC根據(jù)張力設定值和張力傳感器的反饋值對卷紙機進行調(diào)節(jié)，保持張力恒定準確。PLC 內(nèi)采用積分分離的PID 控制算法，并帶有速度限幅，仿止斷紙時出現(xiàn)張力飛車現(xiàn)象。
　　2   PROFIBUS 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及傳輸技術
　　2.1 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)
　　PROFIBUS 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎是ISO/OSI 的7 層網(wǎng)絡參考模型，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
　　■ DIN19245第四部分   ■ EN50 170  ■PROFIBUS準則

　　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)場總線報文規(guī)范）包含了應用層協(xié)議并提供了多種強有力的通信服務及用戶接口。
　　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)用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP 設備的設備行為，還提供了傳輸用的RS485 傳輸技術或光纖。
　　PROFIBUS-PA 采用擴展的"PROFIBUS-DP"協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸技術可確保其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設備通過總線供電。
　　2.2 PROFIBUS 傳輸技術
　　PROFIBUS 提供以下3 種類型的傳輸技術：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，設備簡單、價格便宜，而且能夠滿足高速傳輸?shù)囊?，故應用較廣，成為PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術。RS-485 總線結(jié)構(gòu)允許增加或減少站點，傳輸速度可選用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 傳輸技術可保持其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設備通過總線供電，所以這種傳輸技術能滿足化工和石化工業(yè)的要求并在這些領域得到廣泛使用。另外，IECll58-2 信號可通過耦合器與RS-485 信號相適配，這樣PROFIBUS-PA 設備能很方便地集成到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡。光纖傳輸技術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，但光纖傳輸造價較高。
　　3 上位操作監(jiān)控管理系統(tǒng)
　　上位監(jiān)控計算機采用西門子公司的PⅢ450 加54cm 彩顯，打印機，軟件平臺為隨機所帶的原版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）--為在標準PC 和WINDOWS NT 環(huán)境下實現(xiàn)集成化全32 位的HMI （人機界面）的功能。WinCC5.0 具有的特點：① 全集成自動化，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)時間，是成功的HMI/SCADA 軟件的一個主要標準，SIMATIC WinCC 一直遵循這個標準；③ WinCC 是按照客戶機／服務器系統(tǒng)設計的，最多支持16 個客戶機；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 對工廠設備進行監(jiān)視甚至操作；⑤ WinCC5.5 對Messenger&Guardian （信使和看護者）可選功能進行了升級，主要的新功能是通過網(wǎng)絡的攝像監(jiān)視，且在看護者計算機上支持多攝像機監(jiān)視；⑥ 開放式結(jié)構(gòu)，易學易用，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)控計算機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存人SQL 數(shù)據(jù)庫。
　　上位監(jiān)控計算機主要功能有：① 全景監(jiān)控，整個紙機各部分運轉(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，而且上位機可設定所有重要參數(shù)值；② 實時曲線，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，點擊"漿曲線"按鈕，可以顯示濃度設定值、實時值，以及漿流量閥開度的實時曲線，該曲線顯示最近15min 內(nèi)的漿濃度實時值和閥門開度實時值；報警處理，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，如紙機車速、斷紙、堆紙、烘缸壓力、汽包壓力等；③ 自動報表，電腦根據(jù)實際生產(chǎn)情況自動生成各種報表，包括日產(chǎn)量報表、月報表，漿的日、月使用量統(tǒng)計表，報警累計表，各種材料消耗表等。上位機存儲這些報表，并且每隔一段時間自動產(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；實施全公司的網(wǎng)絡化監(jiān)控管理。另外上位機可遠程喚醒和管理，實現(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)絡主站，通過擴展通訊板CP340 連接16 臺變頻器，組成PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡，完成各傳動點的速度控制、張力控制、負荷分配控制以及工作運行狀態(tài)監(jiān)視等功能。該PLC 內(nèi)置MPI 和DP 通訊接口，MPI 口和其他帶有RS485 接口的設備可構(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的采集、張力控制信號的采集、光電斷紙檢測、卷紙機自動換卷控制、光壓上下輥順序控制以及各傳動點的單動／聯(lián)動控制等。PLC 通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳給操作屏，然后通過控制決策將控制信號由操作屏送回，實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。PLC 通過掃描方式檢測現(xiàn)場操作臺各分部傳動點的按鈕、開關等信號，并根據(jù)操作信號的要求執(zhí)行相應的加速／減速、速度微增/ 微減、緊紙／松紙、單動／聯(lián)動、爬行／運行、啟動／停止等相關操作控制和聯(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)場總線進行通訊，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)識別值   PZD--過程數(shù)據(jù)   IND--標號
　　PWK--參數(shù)值   PKE--參數(shù)識別

　　圖4 PROFIBUS 一DP 數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)

　　CBP2 通訊板還支持PROFIBUS-DP 更多的功能，例如：周期性電報的靈活配置，在傳動裝置之間直接通訊，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PPO（參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象）它們又被劃分為1 個PKW 區(qū)（參數(shù)識別值區(qū)，最多4 個字）和1 個PZD 區(qū)（過程數(shù)據(jù)區(qū)，最多10 個字）。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，如過程控制所需的控制字和設定值等；或從變頻器到PLC 的狀態(tài)字和實際值，如電流反饋值、速度反饋值等。并且，除5 個PPO 之外，CBP2 還可使用最多達16 個過程數(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，這樣可以保證當電源從變頻器上撤除后，總?cè)匀皇羌せ畹摹?br>　　5   注意事項
　　在實際施工過程中，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，要注意遠離強電區(qū)，以避免強電的電磁干擾。
　　6   結(jié)語
　　本傳動控制系統(tǒng)已經(jīng)投人運行，運行狀況良好，達到了預期的控制要求。系統(tǒng)由于使用了PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡，接線十分簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了簡化，便于維護，節(jié)省了安裝費用，大大減少了維護開銷；而且PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡的使用使得系統(tǒng)的準確性和可靠性得到了極大提高，用戶還具有高度的系統(tǒng)集成主動權。該系統(tǒng)投資成本相對較低，工程期短，見效快，由于精確控制使長網(wǎng)多缸造紙機的工作車速上升到一個新的臺階，降低了故障率的發(fā)生，保證了紙機連續(xù)運轉(zhuǎn)，取得了良好的經(jīng)濟效益。
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　　作者：張承慧   汪  明   程  金
　?。ㄉ綎|大學控制科學與工程學院，山東濟南，250061 )