基于Profibus-DP的4400/600紙機傳動控制系統設計及應用

武 昆 馬文明

(西京學院，陜西西安，710123)

·紙機傳動系統·

基于Profibus-DP的4400/600紙機傳動控制系統設計及應用

武 昆 馬文明*

(西京學院，陜西西安，710123)

針對紙機控制系統復雜、速度同步困難、易出現斷紙的現象，本課題依據現場總線通信技術的特點及Profibus-DP主從站具有實現復雜控制系統通信的功能，采用 SFC14“DRD_DAT”和 SFC15“DPWR_DAT”來訪問相應控制模塊中的輸入/輸出數據，實現了紙機電氣傳動數據的高速傳輸，提高了整個控制網絡的數據傳輸率及整個控制系統的可靠性和抗干擾性，較好地滿足了對紙機控制精度和穩定性的要求，提高了紙機的生產效率，為企業取得了良好的經濟效益，得到了用戶的肯定。

傳動控制系統；Profibus-DP；通信功能

在紙機的傳動控制系統中，電機速度同步控制是設計的重點和難點。因為它不僅直接受紙幅的張力、速度、負荷等不穩定變量和參數的影響，同時控制的好壞也影響著這些變量和參數，直接關系到整個紙機控制系統生產運行的可靠性及控制精度。因此，設計紙機電氣傳動控制系統的關鍵點在于速度鏈的控制。在紙機的電氣傳動控制系統中，負荷分配和張力等方面的控制最終都要歸結到控制整個系統的速度鏈。紙機各分部工作次序的控制比較復雜，控制的好壞直接影響著紙機的正常生產，如紙機各分部間及整體的單動、聯動的動作等。對于紙機電氣傳動控制系統的設計其主要的難點可歸結為：高穩定性和可靠性。如何有效地去實現大量數據的高速通信及其控制；在紙機高速運行時，如何有效地解決負荷分配和張力控制所存在的非線性和耦合性；如何消除變頻器和整個控制網絡的通信因受外界環境的干擾，而引起的整個控制系統的不穩定等，都是需要解決的問題。

1 控制系統概述

為了順應當下造紙工業發展的趨勢及滿足社會對紙張的需求，基于現場總線通信技術與紙機變頻傳動技術的迅速發展， PLC和變頻器的通訊網絡結構日益成熟的應用到電氣控制系統中[1]，根據紙機傳動過程的生產工藝[1]、現場總線通信技術的特點及應用、PLC與變頻器組成的控制系統等，最終結合某紙廠紙機的工藝結構及要求，設計基于Profibus-DP總線的紙機傳動控制系統。利用PLC模塊化設計方法，以上位機、PLC和變頻器構成三級網絡控制系統實現紙機整個傳動，如圖1所示。

圖1 紙機傳動控制系統三級網絡控制結構

2 現場總線控制系統的特點及優點

現場總線控制系統在技術研發及應用上擁有以下特點：

(1)開放性 現場總線是開放式的網絡，用戶可以購置不同廠家的現場總線產品，把它們集成在一個控制系統中，并進行相互信息交換。

(2)智能化 由于工業現場設備采用了現場總線控制網絡，就可以把控制系統所需的各種信號以數字的方式傳送到控制室，并且在現場就可以完成相應的功能操作，還可以提供更加豐富的生產過程信息，除傳輸測量控制的狀態與數值信息外，還可提供參數調整、故障診斷、閥門開關動作次數等信息，提高了系統的智能化操作水平。

(3)相互操作性 其中包括了機器設備的可互換性以及相互操作性。可互換性，具體是設備雖然由不同廠商制造，但可以由其他生產廠商生產具有相同功能的同類設備相互換；相互操作性是即使設備由不同廠商提供，但在各自的廠商操作環境中可以順利實現其功能，并且相互之間可以通信。

(4)適應環境性 該類總線能夠較好的去適應各種工業現場的生產環境，其主要表現在通信傳輸可以采用多種媒介，并具有較強的抗電磁干擾性能，還可以采用總線的方式進行供電。

(5)分散控制 采用該技術可以使整體控制系統分散為若干個子系統去單獨控制，將信號的輸入、輸出、控制功能模塊置入現場設備，實現了現場的實際控制。

由于現場總線技術具有以上特點[2]，使現場總線相關的紙機控制系統從設計到現場的安裝，和在實際生產中的運行及后期對相關設備的維護與改進，都體現出了它應用的優越性，其具體體現為節省硬件投資以及安裝維護成本，能夠對復雜生產線的多變量進行檢測和數據傳輸，最大限度地減少設備安裝的時間，為用戶對產品的選擇提供了更大的空間，在生產運行時能夠最大的提高數據的傳輸能力、增強信息管理及安全性等。

3 紙機整個控制系統的設計

以與某紙廠合作的4400/600紙機電氣傳動控制系統項目為例進行設計，該項目的主要參數為：

生產品種：高強瓦楞原紙

紙張定量：100～150 g/m2

凈紙寬度：4400 mm

工作車速：450～600 m/min

傳動車速：600 m/min

傳動形式：變頻傳動

紙機的種類不同，所需要配置的傳動參數也就不同，結合紙機的具體工藝流程及實際生產情況進行設計。整個系統的程序采用模塊化結構的思想來設計各種功能模塊及子程序，并通過PLC與OP27操作面板的連接顯示整機的運行狀態參數，每個CPU通過Profibus-DP掛有ET200M遠程工作站，負責將外圍的各種控制信號送給CPU，以實現生產現場與控制室的實時通信，使整機故障診斷及各種現場控制信號通過上位機和操作面板顯示出來，進一步保證了控制系統的穩定性，提高了抗干擾能力。

3.1Profibus-DP實現控制系統的通信功能

基于現場總線技術的應用和工作過程[2]，根據現場總線的特點及Profibus-DP主從站具有實現復雜控制系統通信的功能，采用SFC14“DRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”來訪問相應控制模塊中的輸入/輸出數據，實現了紙機電氣傳動數據的高速傳輸，提高了整個控制網絡的數據傳輸率和整個控制系統的可靠性與抗干擾性。紙機的電氣傳動控制是一個較為復雜的控制系統，通過使用簡單的數據結構(如字節、字和雙字)不能夠完成紙機控制系統所要求的數據傳輸的任務，而有的DP主從站則可以實現復雜的控制功能，但這類DP從站需要具有比較大的輸入和輸出區域，所以可以用系統SFC14“DRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”來訪問這些模塊中連續的輸入/輸出數據區域[3]。

圖2 DP主從站間的通信

3.1.1DP從站數據的讀取

系統功能SFC14“DPRD_DAT”可以讀取多個DP標準從站的連續數據，最大長度與CPU的型號有關，其參數見表1，如果傳輸的數據沒有出現錯誤，則把這些數據讀出后存放在參數 RECORD指定的目的數據區，作為地址指針使用的參數LADDR指向從站中需要讀取的輸入映像區的起始地址，如果從站的結構是模塊式類型站，則每次只能對一個模塊進行訪問[3]。

表1 SFC14“DPWR-DAT”的參數

3.1.2DP從站數據的寫入

系統功能塊SFC15“DPWR_DAT”把RECORD指定的連續數據傳送給DP從站，在傳送數據時需要依據CPU型號來決定數據的長度，且還需要對數據進行同步傳輸，在SFC執行結束時，數據寫入工作也就結束，SFC15“DPWR_DAT”的參數見表2[3- 4]。

表2 SFC15“DPWR-DAT”的參數

3.1.3數據通信部分程序編寫

在這里設計一個S7-DP主站(CPU315-2DP)和一個DP從站(CPU313C-2DP)，主從站通過系統功能SFC14和SFC15來傳送I/O數據，且從站的連續輸入和輸出的數據區分別為10個字節長，DP通信的媒介通過連接CPU上的DP口或S7-300上的CP模塊(CP342-5)來完成。

DP主站通過系統功能塊SFC15可以對數據進行發送，而從站則通過功能塊SFC14將SFC15發送的數據讀出，并把讀出的數據作為其輸入數據保存起來(如圖2所示)。這里把主站數據通過SFC15發送并存放在從站中的如下地址：IB100-1B109、QB100-QB109)[4]。

本例中，SFC14、SFC15是成對使用的，不論在主站上還是從站上，主從站之間的SFC14和SFC15都是成對使用出現的。對于CP342-5，須調用FC1“DP_SEND”來發送數據，調用FC2“DP_RECV”接受數據。

CALL“DP_SEND”

CPLADDR：=W#16#100 //Module start address CP 模塊的起始地址，十六進制

SEND：=P#M10.0 BYTE 10 //Send data area發送數據存儲區

DONE：=M1.0

//Job done 任務完成

ERROR：=M1.1

//Error code錯誤代碼

STATUS：=MW2

//Status code狀態代碼

CALL“DP_RECV”

CPLADDR：=W#16#100 //Module start address CP模塊的起始地址，十六進制

NDR：=M1.2

//New date接受到新數據

ERROR：=M1.3

//Error code錯誤代碼

STATUS：=MW4

//Status code狀態代碼

DPSTATUS：=MW6 //DP status code DP狀態代碼

編譯完成后，就會在STEP7軟件Blocks中出現功能塊SFC14和SFC15，如圖3所示，然后將編輯好的功能塊下載到主站和從站的CPU中，DP主/從待啟動系統后就可以正常通信。為了提高現場總線系統的可靠性和抗干擾能力，在紙機電氣傳動控制系統中一般選用1.5 Mbit/s傳輸速度的現場總線，滿足了網絡數據的傳輸需要，較大地縮短了系統響應的滯后，且整個系統的抗干擾能力得到提升[6]。

圖3 編譯好的功能塊SFC14和SFC15

圖4 變頻器的硬件接線圖

3.2控制系統的硬件設計

在整個紙機傳動控制系統中，其中變頻部分主要由ACS800變頻器和三相異步電機組成，變頻器與現場總線的連接可以直接連接+L、-L輸入端，驅動電動機的輸入端直接與變頻器的輸出端U、V、W相連接。電機通過ACS800變頻器可以改變供給它的電壓或頻率來實現變頻調速，每個電機由相對應的變頻器來控制，變頻器的型號為ACS800- 01- 005，又因是通過Profibus-DP進行整個控制網絡的數據傳輸以及用于實現主從負荷分配的光纖通信，所以本設計中的配件選用3個RPBA- 01和2個RDCO- 02，其線路連接如圖4所示，在該圖中DI1、DI2、DI3、DI4(DI1控制啟停電動機的端子，DI2、DI3、DI4可自由定義)均為變頻器1的接線端子可分別接PLC的CPU315-2DP的輸出端子，變頻器和PLC通過DP總線進行數據傳輸，將命令送給變頻器以驅動相應的電機實現啟停、加減速等功能；變頻器相互之間通過光纖通信卡RDCO- 02接成環形結構來實現負荷分配，有時依據工業現場的實際需要對變頻器連接成并行的結構，這時只要配置一個光纖分配器即可；ACS800的操作面板接在圖4所示的AI1+和AI1-端子上，通過該面板可以依據生產運行的具體情況對參數進行相應設置調整[5]。

在變頻器的硬件接線圖中，M1、M2是紙機整個傳動控制系統的負荷分配的傳動點，其對應的光纖通信卡RDCO- 02安裝在變頻器1和變頻器2的RMIO插板上，因ACS800變頻器具有通過光纖進行主從連接通信的功能，所以可以通過設置主從機的參數來實現其相應的控制功能，其部分參數設置及說明如表3、表4所示。

表3 主機相關參數設計

表4 從機相關參數設計

3.3控制系統的程序設計

整個系統的程序采用模塊化結構設計各種功能模塊及子程序結構，根據實際生產情況調用相應的功能模塊，整個傳動控制系統的主程序流程如圖5所示[6]。依據紙機的生產工藝，即傳動分部多且復雜不好控制的特點，以及便于工作人員在控制室就可以實時對各個傳動分部進行監控和操作管理，操作員在生產線現場可以通過各個傳動分部設置的操作面板觀察相應分部電機的實際運行狀況，并根據面板上顯示的實際運行狀況做出相應的操作，但是現場的面板只能進行簡單的操作，復雜的狀況還需要在上位機中調試。在本設計中上位機畫面的組態選用西門子WINCC- 6.0軟件，其上位機畫面中顯示的是主要控制對象的功能模塊；以S7-300的CPU315-2DP作為整個紙機電氣控制系統核心控制單位，通過Profibus-DP與上位機和變頻傳動裝置及現場控制面板進行數據通信，該站將現場外圍設備的各種控制信號傳遞給PLC，進一步避免了生產現場的各種干擾因素，提高了數據的傳輸速率，增強了整個控制系統的穩定性。

圖5 控制系統主程序流程圖

4 紙機的實際生產運行狀況

基于Profibus-DP的紙機傳動控制系統自在某造紙廠投入運行至今，整機的工作車速穩定運行在550 m/min左右(表5是紙機運行的主要參數)且其穩態精度達到了0.015%、動態精度達到了0.053%、負荷分配平衡度達到了1.2%，不但完成了預期的無干擾高速的數據通信和各分部單動/聯動等復雜的控制功能，而且較好地滿足了對紙機控制精度和穩定性的要求。

表5 紙機實際運行的主要參數

5 結 語

采用本課題設計的基于Profibus-DP的紙機傳動控制系統應用于某造紙廠，確保了紙機高速穩定可靠的運行，提高了紙機的生產效率，進一步提高了紙張的成品率與質量，為企業取得了良好的經濟效益，所以該系統的設計與研究的成果具有在工業應用中大力推廣的價值。

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[2] MA Wen-ming. Design and Application of Variable Frequency Drive System of Paper Machine Based on Profibus[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(7): 58. 馬文明. 基于PROFIBUS的紙機變頻傳動系統的設計及應用[J]. 中國造紙, 2016, 35(7)： 58．

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(責任編輯：馬 忻)

DesignandApplicationof4400/600PaperMachineDriveControlSystemBasedonProfibus-DP

WU Kun MA Wen-ming*

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

According to the characteristics of fieldbus, Profibus-DP master and slave station had the function of realizing complex control system communication. SFC14 “DRD_DAT” and SFC15 “DPWR_DAT” were used to access the input/output data of the corresponding control module, The high speed transmission of paper machine electric drive data improved the data transmission rate of the whole control network and the reliability and anti-jamming of the whole control system, which satisfied the requirements of the control precision and stability of the paper machine and improved the production efficiency of the paper machine, thus enterprises obtained a good economic benefits．

drive control system; profibus-DP; communication function

ata area接受數據存儲區

武 昆先生，碩士， 助教；主要研究方向：機電傳動控制。

TM921.51

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.012

2017- 06- 05(修改稿)

西京學院科研基金項目(XJ150213)。

*通信作者：馬文明，助教；主要從事機電一體化專業的教學。

(*E-mail: 987746606@qq.com)