淺析Profibus-DP在鍋爐系統(tǒng)中的應用

王文標 張永強 蔡 麒 汪思源

（大連海事大學信息科學技術學院，遼寧 大連112026）

0 引言

隨著供暖工藝水平的迅速發(fā)展，如果將傳統(tǒng)的控制技術與工業(yè)現場總線融為一體，則將使供熱系統(tǒng)具有可靠性高、功能強、應用靈活、運行方便、成本低等一系列優(yōu)點。其由于良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制性能，已經在供熱生產領域得到了廣泛的應用［1］。目前，基于總線的電機變頻調速技術又是一項廣泛應用的自動控制技術，它可以確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、更智能地長期運行。所以，將變頻器與總線技術結合，進而發(fā)揮變頻器的通訊能力，從而更高效地帶動供熱生產過程，是值得研究的一項課題［2］。

本文針對某高校的鍋爐系統(tǒng)，采用Profibus-DP總線對原變頻器控制系統(tǒng)進行改造，從而實現不同廠商變頻器優(yōu)化運行的目的。

1 工業(yè)現場總線

現場總線是以數字通信替代傳統(tǒng)4～20 m A模擬信號及普通開關量信號的傳輸，實現工業(yè)現場不同設備間的通信以及現場設備和控制系統(tǒng)之間的信息傳遞。Profibus是西門子公司自主研發(fā)的，其已成為國際公認的現場總線標準［3］。Profibus根據應用特點分為3種相互兼容的版本：Profibus-FMS、Profibus-PA和Profibus-DP。DP是一種經過優(yōu)化的廉價的通信標準，波特率可達9.6 kb／s～12 Mb／s，適用于對時間有快速響應要求的現場，不同設備廠家的產品不需要調整其接口相互之間便可以通訊［4］。

2 硬件及組態(tài)

2.1 變頻器以及通訊卡

變頻器通過將交流電轉換成電壓和頻率都可調節(jié)的交流電技術應用在工業(yè)生產中。鍋爐作為能源轉換的重要設備，在供暖中占據著重要的角色。根據用戶需求，鍋爐要自動調整供熱量。為了保證生產的可靠性，鍋爐輸出在設計驅動動力時留有一定的富余量。電機輸出需要驅動動力，多余的力矩便造成電能的浪費。當電機轉速從N1變到N2時，其電機軸功率（P）的變化關系如下：P2／P1＝（N2／N1）3，由此可見，降低電機轉速理論可得到立方級的節(jié)能效果。變頻器不是能量發(fā)生器，只能通過改變輸出給電機的電流頻率來實現節(jié)電的功能。

在Profibus-DP總線上，使用STEP7組態(tài)時需要通訊卡出廠時配備的gsd文件。gsd文件是Profibus-DP產品的驅動文件，是不同生產商之間為了互相集成使用所建立的標準通訊接口，是該設備在網絡上的唯一標識名。Profibus組態(tài)工具可根據廠商提供的gsd文件將設備集成在同一總線系統(tǒng)中。使用基于gsd的組態(tài)工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統(tǒng)中，既簡單，又對用戶友好。工業(yè)網絡的起端和終端需要設置終端電阻，防止信號在傳輸線中傳輸引起反射波，干擾正常信號。西門子PLC和富士變頻器自帶終端電阻，而施耐德變頻器的終端電阻需要在RS-485連接器上設置。對變頻器的反饋參數進行設置，可以讀取任意變頻器數據。

2.2 系統(tǒng)組態(tài)

某高校新改造通訊總線的硬件構成分3部分：主站、從站、網絡網路。主站可以用總線發(fā)出和接收數據，并訪問總線；從站只能被動接收總線上的命令，并在授權的情況下向總線發(fā)出數據；網絡網路包括傳輸介質和網絡鏈接器，本項目使用有屏蔽雙絞電纜光纜，網絡連接器一般使用RS-485總線連接器，使用RS-485總線協(xié)議傳輸數據。考慮到現場傳輸線最長不超過50 m，所以對數據傳輸波特率不會有限制。工控機與PLC建立MPI網絡，這是一種比較簡單的通訊方式。電腦端安裝有CP5611通訊卡，在西門子PLC的第一個通訊接口都集成了MPI通訊協(xié)議，不需要編寫任何程序，在個人計算機上設置一下相關通訊參數即可實現通訊功能。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 變頻器控制系統(tǒng)結構圖

將富士變頻器的FCSOAOF.gsd文件和施耐德變頻器的TELE09CD.gsd文件加載到STEP7驅動文件夾，進行系統(tǒng)組態(tài)，波特率采用系統(tǒng)默認的1.5 Mb／s，如圖2所示。按照變頻器硬件地址組態(tài)從站，選擇能夠滿足正常運行需要的PPO類型，按照此PPO類型定義規(guī)則進行程序編寫。系統(tǒng)組態(tài)完成之后給系統(tǒng)網絡上電，變頻器通訊卡指示燈可以提示總線狀況，顯示從站在線狀態(tài)時，可以將程序下載到PLC對從站進行通訊。

3 編程實例

圖2 系統(tǒng)組態(tài)圖

Profibus-DP通信協(xié)議的信息幀由協(xié)議頭、用戶數據和協(xié)議尾3部分組成。用戶數據結構被指定為參數過程數據對象類型（PPO），有的用戶數據帶有參數區(qū)域和過程數據區(qū)域，而有的用戶數據僅僅由過程數據組成，該數據區(qū)域是經常與Profibus-DP主機進行數據通信的區(qū)域。富士變頻器通訊卡定義了4種PPO類型，選擇運行變頻器典型的類型PPO3。按照Profibus協(xié)議規(guī)定的電動機控制用Profile的PROFIdrive V2流程編寫程序。施耐德變頻器PPO類型只有一個選擇，按照本通訊卡支持的DriveCom流程編寫程序。

4 結語

供熱鍋爐系統(tǒng)通過采用Profibus-DP總線方式進行通訊控制，增強了整個系統(tǒng)的安全可靠性、操作簡便性、后續(xù)維護性，具有更便捷的擴展能力，實現了現場的分布式控制，提高了系統(tǒng)的即時反饋和控制精度，充分利用并發(fā)揮了變頻器的總線通訊能力。基于Profibus-DP總線通訊的變頻器通訊控制和故障即時反饋在供熱系統(tǒng)中的實現滿足了熱源對生產現場的安全需要，減少了供熱系統(tǒng)熱源側設計的成本，并極大地方便了系統(tǒng)的安裝、調試和維護，而且可實時查看故障狀況及原因，及時排除故障。

［1］許以軍.基于Profibus-DP總線的變頻器控制系統(tǒng)［J］.電網與水力發(fā)電進展，2004（3）：66～68

［2］杜文軍.PLC對變頻器的控制設計［J］.內蒙古石油化工，2013（1）：86～87

［3］趙英軍.變頻器在工業(yè)采暖鍋爐控制系統(tǒng)中的應用［J］.科技創(chuàng)新導報，2009（19）：88

［4］張道東.Profibus-DP在變頻器上的應用［J］.電氣時代，2005（12）：58～59