應用現場總線技術改造非織造布后整理線

李祖安 (福建南紡股份有限公司，南平，353000)

現場總線技術在自動控制領域的應用日趨成熟，應用范圍不斷擴大。相對于早期的繼電器-接觸器控制，采用總線技術具有較高的可靠性，同時各種相關的工控總線產品使得實現各種控制目標變得更為簡單、高效。本文利用現場總線技術以及相關的總線產品對現有設備進行改造，達到提高生產效率的目的。

福建南紡股份有限公司的后整理浸膠生產線上有多臺變頻器需要進行控制，原先使用同步控制器作為速度控制元件，將同步控制器的輸出分配到各臺變頻器，通過調節同步控制器內部的輸出比例系數來調節變頻器的輸出頻率。在實際生產中，調節比例系數后的控制器輸出為使用固定的比例系數，存在同步不匹配的問題，造成維護工作量大，操作難度大，影響產品質量和生產效率。改造前的系統框圖如圖1所示。隨著PLC(可編程序邏輯控制器)及現場總線控制技術的不斷發展，其在生產中的應用日趨成熟，促使我們研究使用西門子S7-300 PLC及其總線技術來改造原生產線，從而達到使生產線同步運行，生產操作簡單、高效的目的。

1 浸膠線現場總線控制系統

浸膠線控制系統包括軋車、浸膠、壓花、進布羅拉、烘干轉鼓及成卷等部分組成，共有7臺變頻器。本系統中的PLC采用西門子S7-300(CPU 314C-2DP)，變頻器采用西門子MM440，PLC與變頻器之間通過PROFIBUS-DP(分布式過程)現場總線進行數據通信;同時采用西門子觸摸屏TP270操作面板，對各傳動之間的牽伸值進行設定。改造后的系統框圖如圖2所示。

圖1 改造前的系統框圖

圖2 改造后的系統框圖

2 使用PROFIBUS-DP現場總線的變頻器控制

2.1 PROFIBUS-DP 現場總線

PROFIBUS是世界上應用最廣泛的現場總線技術，主要包括最高波特率可達12 Mbit/s的高速總線PROFIBUS-DP(H2)和用于過程控制的本質安全型低速總線 PROFIBUS-PA(H1)［1］。DP 和PA的完美結合使得PROFIBUS在結構和性能上優于其他現場總線。PROFIBUS可滿足生產車間現場級數據存取的要求，一方面，它可以直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其他現場儀表及設備;另一方面，它也適合于自動化系統與現場信號單元的通信。根據應用特點和用戶的不同需要，PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協議：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 和 PROFIBUS-DP。其中，DP的傳輸是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎，傳輸技術使用RS485雙絞線、雙線電纜或光纜，傳輸速率為 9.6 kbit/s～12 Mbit/s。

2.2 S7-300 PLC的硬件組態

首先組態 PROFIBUS主站。打開西門子STEP7軟件，建立一個新的項目，插入300站，在所建立的項目中進行組態硬件。選中300機架，點擊機架中的“DP”，新建 PROFIBUS網絡，名稱為PROFIBUS(1)。確定此時的主站地址，在此將其設置為“2”，設置傳輸波特率為1.5 Mbit/s，行規為“DP”，PROFIBUS的屬性“Operating Mode(操作模式)”設為“Master(主站)”。組態界面如圖3所示。

圖3 組態界面

其次組態從站，將7臺MM440變頻器掛到PROFIBUS(1)總線上，并組態通信區。通信區的設置與實際需求有關：控制字和設定值以及狀態字和實際值都存放在PZD區中，如果還需要讀寫MM440的參數，則還需要PKW參數數據區。通信數據區有兩種格式：WHOLE CONS和 WORD CONS。當使用WHOLE CONS時，PZD過程數據區和PKW參數數據區都是連續的，主站需要調用系統功能塊 SFC14、SFC15對數據進行打包及解包［2］。當使用WORD CONS時，PKW數據區是連續的，需要調用系統功能塊SEC14、SEC15，而PZD過程數據區則使用“MOVE”指令即可［2］。

數據的打包及解包是否使用系統功能塊SFC14、SFC15，其主要依據是通信數據的連續性。如果通信一致性選擇的是“ALL”或“Total Length”，就需要調用 SFC14、SFC15;如果不是，就不需要進行調用。

本文采用通信報文格式為0PKW、6PZD，組態如圖4所示。此時將 MM440變頻器連接到PROFIBUS網絡上，并組態報文格式PPO4。PROFIBUSDP協議使用PPO(Parameter/Process Data Objects)類型作為數據傳輸的格式，如圖4所示。

圖4 設置通信地址

圖5 創建數據塊

組態完成后，需設置MM440變頻器的參數。

2.3 MM440變頻器參數設置

要利用PLC通過PROFIBUS來控制變頻器，變頻器本身也需要設置相關的參數：

(1)P918——變頻器 PROFIBUS站地址設定(必須要與硬件組態上的地址保持一致)。

(2)P700——變頻器的命令控制源(P700=6，變頻器的控制命令來自CB板)。

(3)P1000——變頻器的頻率設定源(P1000=6，變頻器的頻率設定值來自CB板)。

2.4 控制程序的編寫

對PZD(過程數據)的讀寫：

(1)*PZD1輸出：輸出命令到MM440變頻器，控制啟動、停止、正反轉等，其中，第“10”位必須置“1”;*PZD2輸出：輸出 PLC主設定值到MM440變頻器，控制變頻器的運行速度。*PZD1輸入：讀取MM440變頻器當前的狀態，如變頻器的準備狀態、運行狀態、故障狀態等;*PZD2輸入：讀取MM440變頻器當前的實際轉速。

(2)首先建立數據塊DB10，將數據塊的地址與MM440從站中的PZD數據區相對應，其中要注意西門子數據區中高位字節與低位字節的順序，如圖5所示。然后在相應的程序中通過調用西門子提供的系統功能塊SFC14、SFC15，實現對MM440變頻器過程數據的讀寫，如圖6所示。其中，SFC14“DPRD_DAT”讀取DP標準從站的連續數據;SFC15“DPWR_DAT”將連續數據寫入DP標準從站。

圖6 在FC10中調用通信功能塊

(3)功能參數的說明：

*LADDR：PZD的起始地址。

*RECORD：用于DP從站讀取的連續輸入數據的目的區域。

*RET_VAL：SFC的返回值，可以通過該值了解程序的執行情況。

(4)PZD的讀寫程序，見圖6。

2.5 操作面板程序的組態

人機界面是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，人機界面用來顯示PLC的I/O狀態和各種系統信息，接受操作人員發出的各種命令和設置的參數，并將它們傳送到PLC。

本文的實例中，在程序中創建數據塊DB15，將其作為存放PLC與人機界面之間過程數據的存儲區，并將其與人機界面中組態的變量一一對應，組態后的操作界面如圖7所示。從圖7中可以看出，各傳動單元可以通過面板選擇為“使能”或“不使能”，使之可以適應各種不同的工藝要求;同時，傳動單元的牽伸值可以在給定的上下限范圍內自由設定，改善了使用同步控制器中傳動單元間速比調節困難的情況;而且，操作面板上實時顯示各傳動單元的速度實際值，對生產控制起到了極大的幫助作用。另外，還可通過MM440參數P2050(通過DP讀取變頻器值)的設置，將電機的電流等參數顯示在面板上。

3 結語

圖7 TP 270操作主頁面

使用PROFIBUS現場總線作為PLC與變頻器的通信網絡，PLC通過總線控制變頻器，操作面板傳輸設定值，并實時顯示實際值，大大方便了浸膠線生產的操作及控制，提高了產品的質量;同時還節約了控制電纜，降低了成本。在實際使用中，系統運行穩定、可靠，同步性能表現較好，生產操作簡單明了，基本達到了改造的目的;同時，也使系統的維護更加方便、高效。

［1］甘永梅，李慶豐，劉曉娟，等.現場總線技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2008：83-111.

［2］韋格曼，基利恩.西門子PROFIBUS工業通信指南［M］.2版.閆志強，等譯.北京：人民郵電出版社，2007： 61-106.