PROFIBUS—DP現場總線在熄焦車控制系統中的應用

摘要:本文主要對如何應用PROFIBUS—DP現場總線技術構建馬鋼熄焦車控制系統進行介紹，并著重對該系統的基本構成、各主要功能模塊結構以及系統控制軟件的編程方式、控制算法和數據通信等問題進行詳細的闡述。
關鍵詞:PROFIBUS-DP;現場總線;熄焦車;變頻器
1 引言
　　現場總線技術是20世紀8O年代中期在國際上發展起來的一種新技術，是當今自動化領域技術發展的熱點之一。在各種現場總線技術中，PROFIBUS是一種非常有代表性的國際性開放式現場總線技術，應用它可以將可編程控制器、交直流驅動器、監控計算機、遠程I/O及智能傳感器等連接起來，實現分布式I/O控制，可提高檢測和控制精度，改善系統的動態響應速度，提高系統的安全性。
　　PROFIBUS有三種實現形式， 即PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—PA 、PROFIBUS—DP，分別應用于不同的控制場合，其中PROFmUS—DP主要用于現場級的高速數據傳輸，完成自動控制系統（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現場設備（I／O、驅動器、閥門等）之間的通信任務。它適于在工業現場環境中運行，性能可靠、造價低廉，抗干擾能力強。
　　本課題組根據馬鋼煤焦化公司熄焦車系統的控制要求和特點，以能使系統適應現場的惡劣工作環境穩定運行且便于操作和維護，能使系統的控制方式簡單合理且具有較高自動控制水平為目的，提出采用PROFIBUS-DP現場總線技術構成分布式控制系統、采用西門子公司S7-300型PLC作為主控單元、采用西門子SIOVERTMASTERDRIVES 6SE7系列全數字矢量型變頻調速裝置控制交流電機作為系統的主傳動裝置來構成熄焦車控制系統，完成干式熄焦車系統的各項控制任務。
2 工藝概況及控制要求
　　馬鋼煤焦化公司干熄焦系統的熄焦車由電機車、車箱和車載旋轉焦罐構成。熄焦車沿軌道行駛，往返于焦爐和熄焦塔之間，可接收任一指定碳化室的紅焦，并將其運往熄焦塔熄焦。熄焦車為大型移動機械設備，滿載時每車均重200噸，整個運行過程環境惡劣，且控制精度要求高，控制關系復雜。
　　熄焦車系統具體控制要求如下：
　　（1）系統各電機作到無級調速，并實現軟起動、軟停車。
　　（2）熄焦車可在0～3m/s速度范圍內按工藝要求的任意速度行駛。在遠離目標位時高速行駛，在接近目標位時按預定曲線減速，自動對位停車，定位精度為± 10cm。
　　（3）車載旋轉焦罐在接紅焦時，按工藝要求以10 r／min速度旋轉。接焦完畢，按預定曲線減速， 自動對位停在工藝要求的指定角度。定位精度為±10cm。
　　（4）系統能夠實現與其它相關設備間的聯鎖控制和各種信息傳輸。

3 控制系統硬件配置
　　控制系統的硬件配置如圖1所示。

3．1 系統主站
　　主站為西門子S7—300型PLC，其主要部件包括307— 1EA00-0AA0型電源模塊、帶DP通訊接口的315—2AEO3—0AB0型CPU模塊、321-1FF01—0AA0型輸入模塊、322-1HH00-0AA0型輸出模塊。它負責在各預定周期內利用PROFmUS—DP網絡與從站進行信息交換，將控制數據傳送到各個從站，并且讀取從站的狀態信息，實現系統復雜的過程及邏輯控制。如主站通過網絡將控制命令和頻率給定值傳送給變頻器；讀取變頻器的啟停狀態、運行頻率、報警信息等信息，在主站中進行處理。從圖1可以看出，PLC主站控制對象為三臺變頻器和一臺分布式I／O。
3．2 系統從站
　　系統從站分為兩類：一類為變頻器，一類為分布式I/O從站。
　　（1）變頻器
　　系統的各變頻器 方面作為系統從站響應來自主站的各種指令，同時實時返回電機運行狀態信息；另一方面，實現對與其相連電機的運行控制，使電機依據實際需要處在最佳工作狀態。這樣變頻器就在主站的控制下，根據負載運行情況恰當地設置加、減速時間等參數，實現設備的軟起動、軟停車和準確定位等動作。同時由于電機拖動大慣性負載經常需要進行制動或停機操作，系統還配備了制動單元來協助變頻器控制電機運行。
（2）ET200M 分布式I/O 從站
　　由于大量I，O 設備分布在現場，且距主站較遠，直接連接非常不方便，系統配置了ET200M 模塊來解決上述問題。安裝在現場的ET200M 分布式I／O站最大限度地降低了信號傳輸電纜的數量，有效地簡化了現場布線復雜性。
3．3 網絡介質
　　本系統現場總線網絡采用屏蔽雙絞線連接，抗干擾能力強且造價低廉。網絡的接口為基于雙絞線的ETARS485協議接口，通訊方式采用收發輪流進行的半雙工方式。其發送器和接收器均以差分方式工作，每個信號用兩根導線傳輸。無需公用信號，信號電平由兩根導線的差值表示，線問及外界干擾大大削弱，具有高的抗共模干擾能力，保證了網絡傳輸可靠。
4 系統控制軟件
　　控制軟件結構如圖2所示。

4．1 系統控制軟件的結構化編程方式
　　系統控制軟件的編制用S ATIC S7-30o語言完成，采用結構化編程方式編制。即將系統復雜的自動控制任務分解成為能夠反映系統工藝，功能的若干子任務，即分解為初始化任務，電機車1靜電機變頻器控制任務、電機車 電機變頻器控制任務，車載旋轉焦罐變頻器控制任務、系統通訊任務，再分別對各子任務編制相應的控制程序模塊如圖2所示，最后創建組織塊OB1，形成模快化結構程序。
　　在程序運行時，PLC連續循環執行組織塊OB1，在OB1中調用相應的程序塊，在其下載到CPU后，PLC就循環掃描執行這些程序。
4．2 系統自動定位停車控制算法
　　系統中的熄焦車和車載旋轉焦罐設備均有自動定位停車的控制要求。本課題組采用最優控制思想并結合系統各種約束條件設計出設備的優化運行模型。每一運行周期，PLC控制器依據優化運行模型計算出該次定位停車過程控制指令的期望值，并通過對設備運行過程中實際速度和距目標位距離等現場參數的分析，給出控制指令的修正值，控制器最終輸出到傳動系統的控制指令為Uo-Ur=△ U。
　　該算法能有效提高定位精度， 且簡單、適應性強。
4．3 系統數據通訊
　　系統的現場設備與PLC之問通過PROFmUS-DP總線可以完成數據的讀寫和過程數據的傳輸，如控制字，狀態字，給定值和實際值等。
　　本系統主站核心模塊CPU315-2DP具有PR0FmUS-DP接口，無需另外的通訊接口單元。借助于CBP2通訊接口板，變頻器通過PR0FmUS-DP現場總線與S ATIC S7-30o可編程控制器連接。在編程軟件STEP7中完成硬件網絡組態，為變頻器分配網絡地址。該地址必須與變頻器CBP2板中設置的相同，在PLC程序組織塊OBI中選用SFC14 “DPRD—DAT” ， SFC15“DPWB_DAT”系統功能塊向變頻器的CBP2模塊讀取，發送數據。
　　以電機車1#變頻器為例，如圖3所示，其控制字單元FO地址從W靜1礎100（n）到W靜1礎10B（H），因此可進行12個字節的讀取，寫入 調用系統功能塊SFC15，可把PLC應用程序“1#行走數據”塊中從DB11．DBX0．0開始的12個字節的內容寫入1#變頻器的控制存儲單元，包括初始化控制字，運行方向控制字、當前速度給定控制字、變頻器使能控制字等，控制變頻器運行。調用系統功能塊SFC14，可把1#變頻器的電機轉速實際值等狀態字讀入“1#行走數據”塊從DBII．DBX12．0開始的12個字節的單元中。

5 結束語
　　本控制系統應用PROFmUS-DP總線技術實現分布式控制，使現場布線的復雜性有效簡化，不僅節省大量電纜及敷設費用，而且調試維護簡單方便，大大提高了系統的實用性、可靠性和開放性，充分體現了現場總線技術的優越性。系統目前已投入試運行，工程實踐證明，達到了預期的控制要求，控制精度高，運行穩定，抗干擾能力強。