PROFIBUS-DP技術在自動化生產線控制系統中的應用

馮玉爽，王仲民，董 磊，李豐振（.天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300；.禧天龍科技發展有限公司，天津 300450）

0 引言

當前，對塑料家居制品的需求量日益增多，但塑料家居制品生產線的自動化程度較低，主要依賴人工進行操作，存在著產品生產效率低、質量穩定性差、控制與調速不夠靈活等問題。塑料家居制品生產企業亟待進行結構調整、轉型和升級。隨著信息與自動化技術的快速發展，將PLC控制技術與現場總線技術相結合，對設備電機進行變頻調速控制并逐漸在工廠自動化生產線中得到了廣泛應用[1,2]。

為有效提高塑料家居制品自動化生產線控制系統的穩定性，進一步優化產品的生產節拍，本文設計了基于西門子PLC控制技術與PROFIBUS-DP總線技術相結合的塑料家居制品自動化生產線控制系統。應用西門子S7-300系列CPU 314C-2DP PLC作為主控PLC，基于PROFIBUS-DP通信協議對6臺ABB公司ACS550系列變頻器進行傳動控制，對輸送帶實現了遠程變頻調速控制。采用PROFIBUS-DP總線完成了數據采集、設備控制、故障檢測及生產工藝參數管理，不僅實現了對整個自動化生產線控制系統的組態和監控管理[3]，而且非常便于設備維護人員進行系統調試和維護。系統結構如圖1所示。

圖1 PROFIBUS-DP通信系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PROFIBUS-DP communication system

1 PROFIBUS-DP現場總線技術

現場總線技術是以電子計算機技術、控制技術和通信技術為基礎，現場總線的出現標志著自動化技術步入了一個新的時代，其本質上是一種數字通信協議，解決了數字信號的兼容性問題，是連接現場裝置與自動化裝置之間的數字式、串行、全分散、雙向傳輸、多分支結構的通信協議[4]。

PROFIBUS（Process Fieldbus縮寫），是一種國際化的、開放式的、不依賴于設備生產廠商的現場總線標準，在制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等自動化領域得到了廣泛應用。根據應用特點，PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS 等3個兼容部分組成。PROFIBUS-DP使用第1層、第2層和用戶接口層，第3層～7層未用。這種為高速傳輸用戶數據而優化的PROFIBUS協議，特別適用于PLC與現場分散的輸入/輸出設備之間的通信，主站、從站間采用循環數據傳輸方式工作，其傳輸速率可達12Mbit/s[5]。PROFIBUS-PA使用擴展的PROFIBUS-DP協議進行數據傳輸，可將傳感器和執行器連接到通常的現場總線上，用于安全性要求較高的場合。PROFIBUS-FMS使用了第1層、第2層和第7層，使用和PROFIBUS-DP相同的傳輸技術和總線存取協議，主要用來處理單元級（PLC和PC）的數據通信，完成以中等傳輸速率進行的循環和非循環的通信任務。

2 ABB ACS550變頻器參數設置

圖2 協議報文結構Fig.2 Protocol message structure

RPBA-01 PROFIBUS-DP適 配 器 模 塊[6]是ABB傳動單元的一個可選設備，其可以將傳動單元連接到一個PROFIBUS網絡，實現向傳動單元發出控制命令和給定信號，可從傳動單元讀取狀態信號和實際值。ABB ACS550系列變頻器是一種應用廣泛，非常適合變轉矩和恒轉矩的高性能矢量控制變頻器，其與控制信號源之間是通過收發主控制字和狀態字進行相互識別操作。ABB ACS550變頻器功能可通過相應參數的設置實現，若要建立與西門子CPU 314C-2DP之間的網絡通信，需要從通信方式的選擇、控制信號源、電機的啟動和停止、電機的轉動方向、電機的參數和加減速時間等方面對變頻器進行參數設置。ABB ACS550變頻器主要參數設定見表1。

3 PROFIBUS-DP通信協議

PROFIBUS-DP通信協議在周期型通道中傳輸的數據結構被定義為參數過程數據對象PPO（Parameter Process Object）。協議報文結構如圖2 所示。

PPO報文結構由參數通道PKW和過程通道PZD兩部分組成，其中PKW用于自動化控制系統狀態參數的傳遞；PZD用于自動化控制系統過程數據的傳遞。根據PKW和PZD的不同組合，共定義了PPO1-PPO5 五種類型格式。本文采用PPO4類型格式，在過程參數傳遞過程中，ABB ACS550變頻器識別過程數據控制字（CW）和狀態字（SW），西門子CPU 314C-2DP PLC通過將不同的控制字發送給變頻器，然后變頻器根據控制字（CW）的數據信息發出相應的指令，控制電機的運行狀態，再以狀態字（SW）反饋給西門子CPU 314C-2DP PLC，實現過程數據的讀寫操作。

表1 ABB ACS550變頻器參數設定表Table 1 Parameter setting table of ABB ACS550 inverter

4 西門子PLC的組態配置

在西門子STEP7編程軟件中，對CPU 314C-2DP PLC進行組態配置，步驟如下：

1）打開西門子STEP編程軟件，在PLC中新建工程，雙擊HARDWARE選項，自動進入HW Config 窗口，并點擊圖標打開相對應的硬件目錄，按照硬件安裝順序和訂貨號依次插入電源、CPU模塊以及輸入和輸出模塊。在HW Config窗口，點擊主菜單Option-＞Install New GSD…，選擇“PROFIBUS DP”適配器模塊RPBA-01附帶的GSD文件（ABB_0812.GSD）進行安裝。

2）在CPU 314C-2DP PLC的DP接口上雙擊進行總線地址參數設置。本文將總線地址設置為2，傳輸速率為1.5Mbit/s，再點擊鼠標右鍵，選擇Add master system，在彈出的對話框中點擊NEW按鈕，點擊OK進行DP從站設備接口的添加。

3）在硬件列表中選擇Additional Field Devices-＞Drives-＞ABB Drives RPBA-01，進行ABB ACS550 變頻器DP從站的添加，并進行總線地址參數設置，注意不要與CPU 314C-2DP PLC主站和其他從站的地址發生沖突，本文將ABB ACS550變頻器DP從站的總線地址依次設置為3，4，5，6，7，8。

4）雙擊ABB ACS550變頻器DP從站，在彈出的對話框的Parameter Assignment選項頁，點擊Station parameter-＞Device- specific parameter前面的加號，將其擴展開，將Operation mode的值由Profidrive改為Vendor specific，點擊OK。

圖3 PLC組態配置圖Fig.3 PLC Configuration diagram

5）點擊ABB ACS550變頻器DP從站，在硬件列表中選 擇Additional Field Devices-＞Drives-＞ABB Drives RPBA-01，將其下方的PPO4拖到相應的插槽處，進行地址的設置。

6）點擊主菜單Station-＞Save And Compile進行保存和編譯處理，然后將組態配置信息下載到PLC中。

在STEP7編程軟件中，PLC組態配置后的界面如圖3所示。

5 西門子PLC編程實現通信控制

西門子CPU 314C-2DP PLC通過編寫程序實現對ABB ACS550變頻器DP從站的控制，有以下兩種方式：

1）CPU 314C-2DP PLC主站對ABB ACS550變頻器DP從站進行I/O直接讀寫操作，以輸送帶的手動控制操作為例，將1142寫入ABB ACS550變頻器從站輸出區地址PQW256中，并延遲100ms的時間進行初始化操作；將1151寫入ABB ACS550變頻器從站輸出區地址PQW256中，進行電機的正向啟動操作；而將1143寫入ACS550變頻器從站輸出區地址PQW256中，進行電機的停止操作等。其主要程序如圖4所示。

2）在OB1中，通過調用特殊功能塊SFC14和SFC15實現對自動化生產線控制系統過程數據的讀寫操作。其中，SFC14用于讀取ABB ACS550變頻器DP從站的數據，而SFC15用于將數據寫入ABB ACS550 變頻器DP從站，SFC14讀取數據和SFC15寫入數據的程序如圖5所示。其中，程序段1中的參數LADDR表示讀取的ABB ACS550變頻器DP從站設備所映射的輸入區的起始地址。本文設定為PIW256，RET_VAL表示讀取操作的返回值，將其存放在MW142中，RECORD表示讀取回來的數據存放的位置；程序段2中的參數LADDR表示要訪問的ABB ACS550變頻器DP從站設備的起始地址，本文設定為PQW256，RECORD表示需要傳送的數據存放的位置，RET_VAL表示寫入操作的返回值，其存放于MW157中。

圖4 輸送帶電機正向啟動的手動控制程序Fig.4 Manual control procedure for positive start of conveyor motor

圖5 SFC14讀取數據和SFC15寫數據程序Fig.5 SFC14 Read data and sfc15 write data program

圖6 輸送帶電機正向啟動的手動控制程序Fig.6 Manual control procedure for positive start of conveyor motor

以輸送帶的手動控制操作為例，通過向控制字寫入相應的數值實現對電機的控制，如：向控制字CW中寫入1142，并延遲一定的時間進行初始化操作；向控制字CW中寫入1151，進行電機的啟動操作；控制字CW中寫入1143，進行電機的停止操作等，主要程序如圖6所示。

6 結論

本文設計了基于PROFIBUS-DP現場總線技術、PLC控制技術和變頻傳動技術的塑料家居制品自動化生產線控制系統，通過PROFIBUS-DP現場總線完成對輸送帶控制系統的數據采集、設備控制、故障檢測及生產工藝參數管理等，實現了對整個塑料家居制品輸送帶控制系統的組態和監控管理。通過ABB ACS550變頻器參數設定、PLC的硬件組態配置、通信和控制程序編制，實現對ABB ACS550變頻器DP從站的實時遠程控制和故障檢測，進一步提高了塑料家居制品自動化生產線控制系統的穩定性。