武 昆 馬文明

(西京學院，陜西西安，710123)

·紙機傳動系統(tǒng)·

基于Profibus-DP的4400/600紙機傳動控制系統(tǒng)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(tǒng)復雜、速度同步困難、易出現(xiàn)斷紙的現(xiàn)象，本課題依據(jù)現(xiàn)場總線通信技術的特點及Profibus-DP主從站具有實現(xiàn)復雜控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)了紙機電氣傳動數(shù)據(jù)的高速傳輸，提高了整個控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率及整個控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，較好地滿足了對紙機控制精度和穩(wěn)定性的要求，提高了紙機的生產效率，為企業(yè)取得了良好的經濟效益，得到了用戶的肯定。

傳動控制系統(tǒng)；Profibus-DP；通信功能

在紙機的傳動控制系統(tǒng)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(wěn)定變量和參數(shù)的影響，同時控制的好壞也影響著這些變量和參數(shù)，直接關系到整個紙機控制系統(tǒng)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(tǒng)的關鍵點在于速度鏈的控制。在紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)動的動作等。對于紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的設計其主要的難點可歸結為：高穩(wěn)定性和可靠性。如何有效地去實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的通信因受外界環(huán)境的干擾，而引起的整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定等，都是需要解決的問題。

1 控制系統(tǒng)概述

為了順應當下造紙工業(yè)發(fā)展的趨勢及滿足社會對紙張的需求，基于現(xiàn)場總線通信技術與紙機變頻傳動技術的迅速發(fā)展， PLC和變頻器的通訊網(wǎng)絡結構日益成熟的應用到電氣控制系統(tǒng)中[1]，根據(jù)紙機傳動過程的生產工藝[1]、現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)。利用PLC模塊化設計方法，以上位機、PLC和變頻器構成三級網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)紙機整個傳動，如圖1所示。

圖1 紙機傳動控制系統(tǒng)三級網(wǎng)絡控制結構

2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點及優(yōu)點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術研發(fā)及應用上擁有以下特點：

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

(2)智能化 由于工業(yè)現(xiàn)場設備采用了現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡，就可以把控制系統(tǒng)所需的各種信號以數(shù)字的方式傳送到控制室，并且在現(xiàn)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(tài)與數(shù)值信息外，還可提供參數(shù)調整、故障診斷、閥門開關動作次數(shù)等信息，提高了系統(tǒng)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?？苫Q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(huán)境中可以順利實現(xiàn)其功能，并且相互之間可以通信。

(4)適應環(huán)境性 該類總線能夠較好的去適應各種工業(yè)現(xiàn)場的生產環(huán)境，其主要表現(xiàn)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(tǒng)分散為若干個子系統(tǒng)去單獨控制，將信號的輸入、輸出、控制功能模塊置入現(xiàn)場設備，實現(xiàn)了現(xiàn)場的實際控制。

由于現(xiàn)場總線技術具有以上特點[2]，使現(xiàn)場總線相關的紙機控制系統(tǒng)從設計到現(xiàn)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(xiàn)出了它應用的優(yōu)越性，其具體體現(xiàn)為節(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的設計

以與某紙廠合作的4400/600紙機電氣傳動控制系統(tǒng)項目為例進行設計，該項目的主要參數(shù)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(shù)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(tǒng)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(tài)參數(shù)，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(xiàn)生產現(xiàn)場與控制室的實時通信，使整機故障診斷及各種現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力。

3.1Profibus-DP實現(xiàn)控制系統(tǒng)的通信功能

基于現(xiàn)場總線技術的應用和工作過程[2]，根據(jù)現(xiàn)場總線的特點及Profibus-DP主從站具有實現(xiàn)復雜控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)了紙機電氣傳動數(shù)據(jù)的高速傳輸，提高了整個控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率和整個控制系統(tǒng)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(tǒng)，通過使用簡單的數(shù)據(jù)結構(如字節(jié)、字和雙字)不能夠完成紙機控制系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿眨械腄P主從站則可以實現(xiàn)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(qū)域，所以可以用系統(tǒng)SFC14“DRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”來訪問這些模塊中連續(xù)的輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)域[3]。

圖2 DP主從站間的通信

3.1.1DP從站數(shù)據(jù)的讀取

系統(tǒng)功能SFC14“DPRD_DAT”可以讀取多個DP標準從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，最大長度與CPU的型號有關，其參數(shù)見表1，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有出現(xiàn)錯誤，則把這些數(shù)據(jù)讀出后存放在參數(shù) RECORD指定的目的數(shù)據(jù)區(qū)，作為地址指針使用的參數(shù)LADDR指向從站中需要讀取的輸入映像區(qū)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(shù)

3.1.2DP從站數(shù)據(jù)的寫入

系統(tǒng)功能塊SFC15“DPWR_DAT”把RECORD指定的連續(xù)數(shù)據(jù)傳送給DP從站，在傳送數(shù)據(jù)時需要依據(jù)CPU型號來決定數(shù)據(jù)的長度，且還需要對數(shù)據(jù)進行同步傳輸，在SFC執(zhí)行結束時，數(shù)據(jù)寫入工作也就結束，SFC15“DPWR_DAT”的參數(shù)見表2[3- 4]。

表2 SFC15“DPWR-DAT”的參數(shù)

3.1.3數(shù)據(jù)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(tǒng)功能SFC14和SFC15來傳送I/O數(shù)據(jù)，且從站的連續(xù)輸入和輸出的數(shù)據(jù)區(qū)分別為10個字節(jié)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(tǒng)功能塊SFC15可以對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，而從站則通過功能塊SFC14將SFC15發(fā)送的數(shù)據(jù)讀出，并把讀出的數(shù)據(jù)作為其輸入數(shù)據(jù)保存起來(如圖2所示)。這里把主站數(shù)據(jù)通過SFC15發(fā)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(xiàn)的。對于CP342-5，須調用FC1“DP_SEND”來發(fā)送數(shù)據(jù)，調用FC2“DP_RECV”接受數(shù)據(jù)。

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(fā)送數(shù)據(jù)存儲區(qū)

DONE：=M1.0

//Job done 任務完成

ERROR：=M1.1

//Error code錯誤代碼

STATUS：=MW2

//Status code狀態(tài)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(shù)據(jù)

ERROR：=M1.3

//Error code錯誤代碼

STATUS：=MW4

//Status code狀態(tài)代碼

DPSTATUS：=MW6 //DP status code DP狀態(tài)代碼

編譯完成后，就會在STEP7軟件Blocks中出現(xiàn)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(tǒng)后就可以正常通信。為了提高現(xiàn)場總線系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在紙機電氣傳動控制系統(tǒng)中一般選用1.5 Mbit/s傳輸速度的現(xiàn)場總線，滿足了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸需要，較大地縮短了系統(tǒng)響應的滯后，且整個系統(tǒng)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(tǒng)的硬件設計

在整個紙機傳動控制系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸以及用于實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸，將命令送給變頻器以驅動相應的電機實現(xiàn)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(huán)形結構來實現(xiàn)負荷分配，有時依據(jù)工業(yè)現(xiàn)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(jù)生產運行的具體情況對參數(shù)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(tǒng)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(shù)來實現(xiàn)其相應的控制功能，其部分參數(shù)設置及說明如表3、表4所示。

表3 主機相關參數(shù)設計

表4 從機相關參數(shù)設計

3.3控制系統(tǒng)的程序設計

整個系統(tǒng)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(jù)實際生產情況調用相應的功能模塊，整個傳動控制系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示[6]。依據(jù)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(jiān)控和操作管理，操作員在生產線現(xiàn)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(jù)面板上顯示的實際運行狀況做出相應的操作，但是現(xiàn)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(tài)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(tǒng)核心控制單位，通過Profibus-DP與上位機和變頻傳動裝置及現(xiàn)場控制面板進行數(shù)據(jù)通信，該站將現(xiàn)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(xiàn)場的各種干擾因素，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，增強了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 控制系統(tǒng)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(tǒng)自在某造紙廠投入運行至今，整機的工作車速穩(wěn)定運行在550 m/min左右(表5是紙機運行的主要參數(shù))且其穩(wěn)態(tài)精度達到了0.015%、動態(tài)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(shù)據(jù)通信和各分部單動/聯(lián)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(wěn)定性的要求。

表5 紙機實際運行的主要參數(shù)

5 結 語

采用本課題設計的基于Profibus-DP的紙機傳動控制系統(tǒng)應用于某造紙廠，確保了紙機高速穩(wěn)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(yè)取得了良好的經濟效益，所以該系統(tǒng)的設計與研究的成果具有在工業(yè)應用中大力推廣的價值。

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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(shù)據(jù)存儲區(qū)

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(yè)的教學。

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