腈綸生產線控制系統的通信網絡設計

葛鎖良 潘燦燦

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

腈綸生產線控制系統的通信網絡設計

葛鎖良 潘燦燦

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

為了實現腈綸濕法轉向紡絲生產線所有工位協同工作對高速通信網絡的要求，基于MPI和Profibus-DP設計三層通信網絡。給出通信網絡的結構和硬件組態，分析PLC主從站之間和PLC與變頻器之間的通信參數配置，并結合PPO1數據傳輸類型重點介紹通信過程和通信程序的編寫。現場運行表明：該網絡通信系統具有良好的動態穩定性能。

通信網絡 濕法轉向紡絲技術 Profibus-DP MPI 結構 硬件組態 程序

腈綸生產采用濕法轉向紡絲技術，該工藝具有快速紡絲、連續熱牽伸及快速定型等特點[1]。系統根據生產工序可分為前紡和后紡兩部分，前紡包括紡絲成形、集絲、洗滌、預加熱、一次牽伸及致密化處理等工位，后紡包括汽蒸定型、二次牽伸、上油處理、卷曲及烘干裝箱等工位。這就需要設計一個穩定高速的通信網絡保證各工位的協同工作。

Profibus總線具有開放性。不同設備的廠商不需要對其產品做特殊調整就可以進行相互通信，經實際應用驗證具有普遍性[2]。梁慧斌和李學華將Profibus-DP用于煤礦空壓機監控系統，成功實現了空壓機組及其冷卻水循環系統的集中監視管理和分散控制[3]。王海嘯詳細介紹了基于S7-300 PLC的Profibus-DP協議與賽摩6000系列儀表通信的配置方案，實現了實時數據的采集與控制[4]。朱帥介紹了Profibus-DP現場總線在遠程調速系統的應用，實現在上位機組態王監控畫面中對遠程變頻器的輸出頻率(電機轉速)進行實時監控的功能[5]。姚莉詳細講解了Profibus現場總線系統的故障原因和處理措施，為系統設計和設備故障檢測提供參考[6]。王明虎介紹了異構控制系統之間數據通信的新方法[7]。葛鎖良和李揚詳細介紹了腈綸紡絲的速度控制，并對控制的通信周期進行了計算與驗證[8]。

為了實現腈綸濕法轉向紡絲生產線所有工位協同工作對高速通信網絡的要求，基于MPI和Profibus-DP設計三層通信網絡。設計通信網絡的結構并進行硬件組態，分析PLC主從站之間和PLC與變頻器之間的通信參數配置，并結合PPO1數據傳輸類型重點介紹通信過程并給出通信程序的編寫方法。

1 通信網絡結構

某腈綸生產廠采用濕法轉向紡絲技術，全廠共有6條生產線和一條備用線控制系統，每條生產線皆采用S7-300 317-2DP PLC控制器。每條生產線有16個工位，均由EV3000變頻器驅動。控制系統不僅要對各個工位的啟停和聯鎖保護進行控制，而且還包含對生產過程中的調速、牽伸位置及松弛環狀態等過程進行控制。生產線的不同工位都嚴格依照高精度的速度比例進行啟、停或運行[9]。

控制系統的通信網絡結構如圖1所示，共有3層：第一層使用MPI通信協議，由備用線PLC和PC監控站組成，實現系統的監控功能；第二層使用Profibus-DP協議，備用線PLC作為Profibus-DP主站，備用線變頻器和1#～6#生產線的PLC為Profibus-DP從站，當生產線的某工位變頻器出現故障時可以有條件地啟用備用線對應工位的變頻器，進行備用；第三層使用Profibus-DP協議，1#～6#生產線PLC作為Profibus-DP主站，ET200和變頻器為Profibus-DP從站，承擔每條生產線的數據傳輸。

圖1 系統通信網絡結構

2 硬件組態

使用S7-300 317-2DP PLC時需要在軟件上設置硬件參數，即組態，組態不僅要選擇PLC的電源型號、PLC類型及I/O模塊等，還需設置Profibus-DP主從站、設備的Profibus-DP地址及通信緩存地址等。組態中要把EV3000添加到通信網絡中，需在Step7中添加現場總線適配器對應的GSD文件。GSD文件是對智能從站的數據類型和傳輸格式詳細描述的文件。在Step7中添加GSD文件后，在工具目錄里就會出現相應的圖標，然后通過總線適配器將EV3000連接到通信網絡上，并設置從站參數。圖2為備用線的硬件組態，備用線變頻器DP地址分別為2～20，1#～6#線PLC的DP地址分別為21～26。對于變頻器而言，還需要通過面板設定其DP地址、數據格式及比特率等，現場總線適配器也需要進行通信比特率設置，并根據具體情況選擇是否撥通終端電阻。1#～6#線的網絡組態與備用線Profibus網絡類似。

圖2 備用線硬件組態

3 通信網絡

3.1MPI監控級通信

監控級網絡使用的MPI通信協議采用主主通信方式。S7-300 317-2DP PLC的DP端口兼容MPI協議，工控機要與PLC進行通信，還需安裝支持Profibus和MPI協議的CP5611通信卡。備用線PLC分配2#MPI地址，工控機分配3#MPI地址。基于WinCC組態軟件，繪制系統的工序流程圖、啟停歸檔圖、頻率歸檔圖、運行狀態欄圖和故障報警圖。備用線PLC將系統運行參數上傳到工控機，工控機通過運行WinCC不僅可以及時了解整個系統的狀態，而且有益于系統故障的分析與解決。

3.2PLC間的通信

為了保證系統故障時及時啟動備用系統作為系統的控制單元，1#～6#線的PLC必須要與備用線的PLC保持通信暢通。通信采用Profibus-DP協議，需要對Profibus的屬性進行設置，除了配置Profibus-DP的地址，還要對主從模式、掛靠的通信總線和通信緩存地址進行配置。1#～6#線PLC均需要設置通信緩存地址。其中1#生產線PLC與備用線PLC通信的緩存地址的配置如圖3所示。

圖3 1#生產線PLC與備用線PLC通信的緩存地址配置

系統中，從站PLC將生產線的運行狀況存儲在DB塊中，打包后上傳到主站PLC；主站以同樣的方式將備用線的狀態信息發送給各從站。一旦從站某工位故障，從站PLC根據主站PLC傳送的對應故障工位的狀況決定是否啟用備用線。

3.3PLC與變頻器的通信

PLC與變頻器的通信中介為現場總線適配器。作為Profibus-DP的智能從站，現場總線適配器響應主站的查詢，并執行主站發送的控制字，對變頻器完成發送控制字、讀取運行信息、重置功能碼和復位故障的任務。

該系統通過Profibus-DP網絡對變頻器進行控制，主要是控制變頻器的啟停、運行頻率,讀取電流值及變頻器工作狀態等。系統選用PPO1類型作為數據傳輸格式，數據格式包含8Byte的參數區(PKW)和4Byte的過程數據區(PZD)，其中PKW包含參數標識(ID)、參數索引(IND)和參數值(VALUE)；PZD包含控制字(CW)、狀態字(SW)、給定值(REF)和返回值(ACT)。主站可以通過PKW對變頻器的參數進行監控或修改，通過PZD區向變頻器寫入運行控制字并讀取變頻器的狀態和運行頻率。若要讀取變頻器的運行電流值，可將變頻器相應功能的Profibus號1DBH(475)送入命令字的ID區，同時將變頻器的運行頻率送入REF區，如圖4所示，其中ID的第一位為1，表示請求讀取功能碼參數數據，即讀取電流值；在響應字中，ID的第一位為1，表示執行讀取命令正確，而讀取的電流值在VALUE區。通過對CW賦值，可以控制變頻器的啟停；響應字中的SW則表示變頻器的工作狀態。

圖4 數據交換

現以1#F1變頻器為例，簡述數據傳輸過程。1#PLC通過調用系統子程序SFC15將命令控制字和目標頻率發送到F1變頻器，同時1#PLC調用系統子程序SFC14讀取F1變頻器的工作電流值和實際運行頻率，并存入1#PLC的數據塊DB1中。1#PLC通過通信程序將數據打包后傳給系統主站7#PLC。通信程序調用系統子程序SFC15和SFC14對變頻器的數據區進行讀寫，如圖5所示。

根據PPO1數據傳遞的格式，編寫PLC與EV3000的通信子程序。圖6為PLC與F1的通信程序，模塊左側為PKW和PZD的數據、地址，右側為PKW和PZD返回的數據、故障標志位。系統建立DB塊保存PKW和PZD的相關參數值，防止系統斷電后數據丟失，方便系統重啟與恢復。

圖5 系統子程序SFC15和SFC14的調用程序#pkw_I_addr、#pzd_Q_addr——智能從站組態時分配的地址； #pzd——命令字； #pkw_RD——存儲讀入的電流值

圖6 PLC與F1變頻器通信程序

為了確保控制的實時性，要求通信周期小于PLC的掃描周期。系統的通信比特率為1.5Mbit/s，Profibus-DP協議使用的數據傳輸類型為PPO1，即每個變頻器與PLC間都有24Byte的信息傳送。

Profibus-DP的總線響應時間[10,11]：

TCycle-DP=(317N1+11N2)/f

式中 11——每一幀消息的位數；

317——一個DP從站建立通信連接所需要的數據位；

f——Profibus-DP的通信比特率；

N1——Profibus-DP總線上掛靠的從站數量；

N2——Profibus-DP總線上傳輸的數據位總數，Byte。

由計算可知N1=16，N2=24×16=384，TCycle-DP=6.8ms，可見系統的通信響應時間(6.8ms)遠小于系統PLC的掃描周期(100ms)，完全達到系統對通信實時性的要求。

4 結束語

系統采用MPI協議和Profibus協議構造了一個多層現場總線通信網絡，從系統通信網絡的結構、硬件組態配置和從站數據讀寫3個方面，介紹了通信網絡的設計方案。通過現場的運行效果來看，系統運行平穩、通信正常，證實了該通信網絡方案的設計是合理的、成功的。

[1] 王博,杜少武,高衡初,等.腈綸紡絲生產線驅動控制系統的改造[J].電氣技術,2007,(5):60～65.

[2] 蒯銳,金文華.基于Profibus-DP無機化工500噸ABS切片機的控制系統通信[J].上海應用技術學院學報(自然科學版),2013,13(1):80～83.

[3] 梁慧斌,李學華.Profibus-DP總線在空壓機組監控系統中的應用[J].煤礦機械,2012,33(2)，221～223.

[4] 王海嘯.Profibus-DP的SIEMENS PLC S7-300與賽摩6000儀表通訊的實現[J].衡器,2012，41(1)：41～45.

[5] 朱帥.基于Profibus-DP現場總線的遠程調速系統設計[J].可編程控制器與工廠自動化,2012,(1):74～75.

[6] 姚莉.Profibus-DP網絡的應用及故障分析處理——以漣源鋼鐵有限公司為例[J].企業技術開發(學術版),2012,31(22):32～34.

[7] 王明虎.異構控制系統之間數據通信的新方法[J].石油化工自動化,2014,50(3):43～45.

[8] 葛鎖良,李揚.腈綸紡絲生產線速度同步控制系統[J].化工自動化及儀表，2015,42(2):175～178.

[9] 孫礁巖,張學武.剖析腈綸紡絲交流變頻的技術難點及其發展方向[J].中國新技術新產品,2008,(12):98～99.

[10] 周志敏,紀愛華.Profibus總線系統設計與應用[M].北京:中國電力出版社,2009:732～733.

[11] 潘兆楠.Profibus與Modbus總線協議轉換的研究與應用[J].化工機械,2015,42(1):151～153.

TH862+.7

B

1000-3932(2016)03-0317-04

2015-07-05(修改稿)