李祖安 (福建南紡股份有限公司，南平，353000)

現(xiàn)場總線技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。相對(duì)于早期的繼電器-接觸器控制，采用總線技術(shù)具有較高的可靠性，同時(shí)各種相關(guān)的工控總線產(chǎn)品使得實(shí)現(xiàn)各種控制目標(biāo)變得更為簡單、高效。本文利用現(xiàn)場總線技術(shù)以及相關(guān)的總線產(chǎn)品對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

福建南紡股份有限公司的后整理浸膠生產(chǎn)線上有多臺(tái)變頻器需要進(jìn)行控制，原先使用同步控制器作為速度控制元件，將同步控制器的輸出分配到各臺(tái)變頻器，通過調(diào)節(jié)同步控制器內(nèi)部的輸出比例系數(shù)來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率。在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)比例系數(shù)后的控制器輸出為使用固定的比例系數(shù)，存在同步不匹配的問題，造成維護(hù)工作量大，操作難度大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。改造前的系統(tǒng)框圖如圖1所示。隨著PLC(可編程序邏輯控制器)及現(xiàn)場總線控制技術(shù)的不斷發(fā)展，其在生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨成熟，促使我們研究使用西門子S7-300 PLC及其總線技術(shù)來改造原生產(chǎn)線，從而達(dá)到使生產(chǎn)線同步運(yùn)行，生產(chǎn)操作簡單、高效的目的。

1 浸膠線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

浸膠線控制系統(tǒng)包括軋車、浸膠、壓花、進(jìn)布羅拉、烘干轉(zhuǎn)鼓及成卷等部分組成，共有7臺(tái)變頻器。本系統(tǒng)中的PLC采用西門子S7-300(CPU 314C-2DP)，變頻器采用西門子MM440，PLC與變頻器之間通過PROFIBUS-DP(分布式過程)現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;同時(shí)采用西門子觸摸屏TP270操作面板，對(duì)各傳動(dòng)之間的牽伸值進(jìn)行設(shè)定。改造后的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 改造前的系統(tǒng)框圖

圖2 改造后的系統(tǒng)框圖

2 使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的變頻器控制

2.1 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線

PROFIBUS是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，主要包括最高波特率可達(dá)12 Mbit/s的高速總線PROFIBUS-DP(H2)和用于過程控制的本質(zhì)安全型低速總線 PROFIBUS-PA(H1)［1］。DP 和PA的完美結(jié)合使得PROFIBUS在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)于其他現(xiàn)場總線。PROFIBUS可滿足生產(chǎn)車間現(xiàn)場級(jí)數(shù)據(jù)存取的要求，一方面，它可以直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其他現(xiàn)場儀表及設(shè)備;另一方面，它也適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號(hào)單元的通信。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和用戶的不同需要，PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協(xié)議：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 和 PROFIBUS-DP。其中，DP的傳輸是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎(chǔ)，傳輸技術(shù)使用RS485雙絞線、雙線電纜或光纜，傳輸速率為 9.6 kbit/s～12 Mbit/s。

2.2 S7-300 PLC的硬件組態(tài)

首先組態(tài) PROFIBUS主站。打開西門子STEP7軟件，建立一個(gè)新的項(xiàng)目，插入300站，在所建立的項(xiàng)目中進(jìn)行組態(tài)硬件。選中300機(jī)架，點(diǎn)擊機(jī)架中的“DP”，新建 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，名稱為PROFIBUS(1)。確定此時(shí)的主站地址，在此將其設(shè)置為“2”，設(shè)置傳輸波特率為1.5 Mbit/s，行規(guī)為“DP”，PROFIBUS的屬性“Operating Mode(操作模式)”設(shè)為“Master(主站)”。組態(tài)界面如圖3所示。

圖3 組態(tài)界面

其次組態(tài)從站，將7臺(tái)MM440變頻器掛到PROFIBUS(1)總線上，并組態(tài)通信區(qū)。通信區(qū)的設(shè)置與實(shí)際需求有關(guān)：控制字和設(shè)定值以及狀態(tài)字和實(shí)際值都存放在PZD區(qū)中，如果還需要讀寫MM440的參數(shù)，則還需要PKW參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)。通信數(shù)據(jù)區(qū)有兩種格式：WHOLE CONS和 WORD CONS。當(dāng)使用WHOLE CONS時(shí)，PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)和PKW參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)都是連續(xù)的，主站需要調(diào)用系統(tǒng)功能塊 SFC14、SFC15對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包及解包［2］。當(dāng)使用WORD CONS時(shí)，PKW數(shù)據(jù)區(qū)是連續(xù)的，需要調(diào)用系統(tǒng)功能塊SEC14、SEC15，而PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)則使用“MOVE”指令即可［2］。

數(shù)據(jù)的打包及解包是否使用系統(tǒng)功能塊SFC14、SFC15，其主要依據(jù)是通信數(shù)據(jù)的連續(xù)性。如果通信一致性選擇的是“ALL”或“Total Length”，就需要調(diào)用 SFC14、SFC15;如果不是，就不需要進(jìn)行調(diào)用。

本文采用通信報(bào)文格式為0PKW、6PZD，組態(tài)如圖4所示。此時(shí)將 MM440變頻器連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，并組態(tài)報(bào)文格式PPO4。PROFIBUSDP協(xié)議使用PPO(Parameter/Process Data Objects)類型作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，如圖4所示。

圖4 設(shè)置通信地址

圖5 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊

組態(tài)完成后，需設(shè)置MM440變頻器的參數(shù)。

2.3 MM440變頻器參數(shù)設(shè)置

要利用PLC通過PROFIBUS來控制變頻器，變頻器本身也需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)：

(1)P918——變頻器 PROFIBUS站地址設(shè)定(必須要與硬件組態(tài)上的地址保持一致)。

(2)P700——變頻器的命令控制源(P700=6，變頻器的控制命令來自CB板)。

(3)P1000——變頻器的頻率設(shè)定源(P1000=6，變頻器的頻率設(shè)定值來自CB板)。

2.4 控制程序的編寫

對(duì)PZD(過程數(shù)據(jù))的讀寫：

(1)*PZD1輸出：輸出命令到MM440變頻器，控制啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)等，其中，第“10”位必須置“1”;*PZD2輸出：輸出 PLC主設(shè)定值到MM440變頻器，控制變頻器的運(yùn)行速度。*PZD1輸入：讀取MM440變頻器當(dāng)前的狀態(tài)，如變頻器的準(zhǔn)備狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)等;*PZD2輸入：讀取MM440變頻器當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

(2)首先建立數(shù)據(jù)塊DB10，將數(shù)據(jù)塊的地址與MM440從站中的PZD數(shù)據(jù)區(qū)相對(duì)應(yīng)，其中要注意西門子數(shù)據(jù)區(qū)中高位字節(jié)與低位字節(jié)的順序，如圖5所示。然后在相應(yīng)的程序中通過調(diào)用西門子提供的系統(tǒng)功能塊SFC14、SFC15，實(shí)現(xiàn)對(duì)MM440變頻器過程數(shù)據(jù)的讀寫，如圖6所示。其中，SFC14“DPRD_DAT”讀取DP標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù);SFC15“DPWR_DAT”將連續(xù)數(shù)據(jù)寫入DP標(biāo)準(zhǔn)從站。

圖6 在FC10中調(diào)用通信功能塊

(3)功能參數(shù)的說明：

*LADDR：PZD的起始地址。

*RECORD：用于DP從站讀取的連續(xù)輸入數(shù)據(jù)的目的區(qū)域。

*RET_VAL：SFC的返回值，可以通過該值了解程序的執(zhí)行情況。

(4)PZD的讀寫程序，見圖6。

2.5 操作面板程序的組態(tài)

人機(jī)界面是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，人機(jī)界面用來顯示PLC的I/O狀態(tài)和各種系統(tǒng)信息，接受操作人員發(fā)出的各種命令和設(shè)置的參數(shù)，并將它們傳送到PLC。

本文的實(shí)例中，在程序中創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊DB15，將其作為存放PLC與人機(jī)界面之間過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，并將其與人機(jī)界面中組態(tài)的變量一一對(duì)應(yīng)，組態(tài)后的操作界面如圖7所示。從圖7中可以看出，各傳動(dòng)單元可以通過面板選擇為“使能”或“不使能”，使之可以適應(yīng)各種不同的工藝要求;同時(shí)，傳動(dòng)單元的牽伸值可以在給定的上下限范圍內(nèi)自由設(shè)定，改善了使用同步控制器中傳動(dòng)單元間速比調(diào)節(jié)困難的情況;而且，操作面板上實(shí)時(shí)顯示各傳動(dòng)單元的速度實(shí)際值，對(duì)生產(chǎn)控制起到了極大的幫助作用。另外，還可通過MM440參數(shù)P2050(通過DP讀取變頻器值)的設(shè)置，將電機(jī)的電流等參數(shù)顯示在面板上。

3 結(jié)語

圖7 TP 270操作主頁面

使用PROFIBUS現(xiàn)場總線作為PLC與變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)，PLC通過總線控制變頻器，操作面板傳輸設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示實(shí)際值，大大方便了浸膠線生產(chǎn)的操作及控制，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量;同時(shí)還節(jié)約了控制電纜，降低了成本。在實(shí)際使用中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，同步性能表現(xiàn)較好，生產(chǎn)操作簡單明了，基本達(dá)到了改造的目的;同時(shí)，也使系統(tǒng)的維護(hù)更加方便、高效。

［1］甘永梅，李慶豐，劉曉娟，等.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：83-111.

［2］韋格曼，基利恩.西門子PROFIBUS工業(yè)通信指南［M］.2版.閆志強(qiáng)，等譯.北京：人民郵電出版社，2007： 61-106.