基于PROFIBUS_DP的變頻控制系統在螺旋卸車機中的應用

楊志 楊明漢

摘 要：該文結合工程應用實例介紹了PROFIBUS- DP現場總線控制變頻調速系統的應用，并對PROFIBUS網絡的發展前景進行了預測。將PROFIBUS的優點（開放性、低成本等）與變頻驅動裝置的可靠性二者相結合，不僅可以降低施工的成本，還可以提高系統的穩定性和可靠性，安裝調試的過程也相對簡單許多。因此，在實際的工程應用中前景非常廣泛。

關鍵詞：PROFIBUS-DP 現場總線 變頻調速 RPBA-01 PROFIBUS-DP 適配器模塊 脈沖編碼器接口模塊RTAC-01

中圖分類號：TB6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0068-02

1 螺旋卸車機的系統要求及構成

螺旋卸車機是一種安全、高效的現代卸料設備，廣泛用于火電廠、港口、礦山、鋼鐵廠列車裝載的散裝物料（煤、礦）的卸車。由于變頻調速技術在電氣控制系統的廣泛應用，設備控制系統的好壞將直接影響用戶生產效率和經濟效益，因此必須先進可靠。運用PROFIBUS-DP總線技術的控制信息是純數據化的，把硬件、線纜、電路的數量進行了簡化。提高了控制系統可靠性。文章以襄樊電廠螺旋卸車機控制系統為例，詳細描述了PROFIBUS_DP的變頻控制系統在卸車機中的應用。

襄樊電廠卸煤所用螺旋卸車機系統包括大車移動、卸車臂升降、卸車斗旋轉3部分。其中大車移動采用4臺25 kW的立式變頻電機驅動，升降系統采用2臺20 kW的臥式變頻電機驅動，旋轉系統采用1臺30 kW的臥式變頻電機驅動。所有變頻電機驅動均采用一拖一（一臺變頻器控制一臺電機）控制的方法。

根據傳動控制系統的要求，其控制機構與驅動機構的網絡通信是通過PROFIBUS進行的。驅動機構在控制系統中的選用ABB公司的ACS800系列的變頻調速器，并增加了RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器擴展模塊。PLC控制系統主要采用的是施耐德公司的昆騰系列，總線模塊配置的是140 CRP 81100 PROFIBUS-DP。

2 使用PROFIBUS后的變頻控制系統特點

該系統是由13家公司（西門子等）組成的ISP組織提出的一種全開放式的現場系統總線，具有快速的動態響應、高速的數據傳輸率、較好的抗干擾性幾個特點。整個系統采用帶有主/從關系的令牌傳送原理進行訪問，令牌由主站來接受，數據交換則由主站與從站之間周期性地進行。

與傳統控制方式相比，通過PROFIBUS網絡進行控制具有以下優點：（1）整個系統的通訊可以用光纖、雙絞線等多種傳輸介質，不同工況都可適應。（2）多臺變頻器在系統中進行數據傳輸只用一條物理傳輸介質完成，大量的現場接線的線材和人工費用被節省下來，大幅降低了工程造價的同時也簡化了安裝過程。（3）采用數字化的信號傳輸技術，信號的數據衰減和共模干擾被避免了，糾錯和檢錯功能得以實現，傳輸信號的可靠性和精度也大幅提高。（4）可以由上一級自動化系統的應用軟件直接控制變頻器的運行，當現場工況改變時，不用重新布線，只需要修改應用軟件即可，系統的可維護性非常好，維護起來也很方便。（5）PROFIBUS網絡具有開放的特性，這樣在同一總線上，不同廠家的變頻器都可掛運行，兼容性非常好。

3 系統控制的網絡構成

下面以螺旋卸車機的大車移動為例對系統控制網絡構成進行說明。大車移動系統中共有4臺變頻電機，自動化系統的主站是PLC，從站為變頻器，把4臺變頻器都掛在PROFIBUS網絡里。它們之間采用主從方式構建，由PLC控制主變頻器，其余3臺變頻器與主變頻器進行通信，并跟隨動作。在運行中，PLC主站把主變頻器的指令傳給從站，并接收變頻器反饋的運行狀態及報警狀態信號。

系統內主要通訊的傳送是由RPBA-01 PROFIBU-DP適配器模塊來進行的。該模塊是ABB ACS800系列變頻器的一個可選設備，它可以將傳動單元連接到一個PROFIBUS網絡。在PROFIBUS網絡上，傳動單元被識別為從屬設備。通過RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器模塊，可以進行以下幾種方式的操作。

（1）把（啟動、停止、運行等）控制命令發給傳動單元。（2）把轉矩或速度的設定參數發送給傳動單元。（3）把一個過程給定信號或一個過程實際值發送給傳動單元的PID調節器。（4）把狀態信號和實際值從傳動單元中讀取出來。（5）改變傳動的參數值。（6）對傳動單元進行故障復位。

RPBA-01連接到PROFIBUS-DP網絡中是靠一個九針連接器X1。PROFIBUS總線適配器模塊可以支持9.6 kbit/s、19.2 kbit/s、45.45 kbit/s、93.75 kbit/s、187.5 kbit/s、500 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s的通訊速率。所使用的通訊速率和PPO類型，RPBA-01能自動檢測。

4 系統的通信協議

PROFIBUS網絡的數據通信通過“參數過程數據對象”（PPO）的數據結構完成。PPO包括過程數據（PZD）和參數識別值（PKW）2部分，其中PKW用于讀、寫參數值，PZD包括控制字、設定值、狀態值和實際值。PZD與PKW的傳輸各自獨立工作，互不影響。

參數識別：IND數組索引號；ID-參數識別；VALUE-參數值（4字節最多）。

過程數據：SW-狀態字（由從機到主機）；CW-控制字（由主機到從機）；ACT-實際值（由從機到主機）；REF-給定值 （由主機到從機）；PZD-過程數據（用戶指定由主機到從機的輸出，由從機到主機的輸入）；DW-數據字；DS-數據集。

對于參數識別值（PKW），文獻[1]給出了具體的請求標識和響應標識的準確描述，通過結構的組合，PLC可以對變頻器的不同地址的參數進行訪問與讀寫，變頻器予以應答。

5 控制系統網絡其他問題處理

螺旋卸車機系統中變頻器的干擾問題，一直是卸車機程控需要考慮的首要問題。盡管該系統PROFIBUS-DP網絡中PLC與變頻器的通訊采用了DP總線（6XV183001 HE00），克服了PLC與變頻器之間的直接干擾。但由于卸車機系統的本身工況決定了它還存在其他的途徑干擾，由于拖動電機和車體的控制信號都是通過滑纜，動力回路和控制回路不可能分開布置，又因變頻器功率很大、干擾信號強，在設備投入運行后偶爾出現變頻器對PLC輸入模塊輸入信號的干擾問題，這樣就存在很大的安全隱患。通過現場的實際檢測，為不影響設備運行的情況，不做很大的硬件接線的改動，研究人員在PLC輸入模塊的輸入點上并上合適的電容，將變頻器高次諧波濾掉，消除了干擾。另外，為了獲取螺旋卸車機每臺電機軸的精確速度，保證它們的出力均勻，研究人員在每臺ACS800變頻器上增加脈沖編碼器接口模塊RTAC-01，為每臺變頻電機配置了光電編碼器RVI58N-011K1R61N-1024（倍加福產品）與之連接。如此，整個螺旋卸車機實現了閉環控制，使系統運行更平穩、更可靠。

6 結語

襄樊螺旋卸車機整個系統采用了PROFIBUS網絡控制。PLC通過PROFIBUS-DP對變頻傳動進行控制，使整個系統操作簡單，運行可靠。將變頻驅動裝置的可靠性與PROFIBUS的開放性、低成本等優點相結合，隨著工業自動化控制中的網絡化普及，有巨大的潛力。

參考文獻

[1] 鄔寬明.現場總線技術應用選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2] PROFIBUS-DP適配器模塊RPBA-01用戶手冊[Z].