Abstract—Using the SIEMENS PROFIBUS Protocol realize the communication S7-400PLC with ABBACS800 invert , finish the speed chain and load distribute control function. The control system in paper machine achieve a high precision and stability .Fulfill the requiring of the process in paper machine . The practice proved that, this structure control mode may apply to the large-scale and high speed paper machine electricity transmission control
Keywords—inverter PLC protocol system design paper machine
摘要 系統(tǒng)利用西門子PROFIBUS總線通訊協(xié)議格式，實(shí)現(xiàn)S7-400PLC與ABBACS800變頻器的通訊，完成造紙機(jī)速度鏈、負(fù)荷分配等控制功能，在造紙機(jī)傳動(dòng)中取得了較高的控制精度和穩(wěn)定性，充分滿足造紙機(jī)生產(chǎn)的需要。實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應(yīng)用于大型、高速紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞 變頻器，PLC，協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，造紙機(jī)
1. 引言
在紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特殊性，所以既要滿足紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和良好的控制精度與穩(wěn)定性，又要降低控制系統(tǒng)造價(jià)的原則。因此，我們選擇西門子S7-400PLC和ABBACS800全數(shù)字多功能矢量控制變頻器，利用PROFIBUS協(xié)議通信格式實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通信功能，組成該機(jī)的控制系統(tǒng)。
1.1 ACS 800系列變頻器簡介：
ACS 800系列變頻器是ABB公司采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，結(jié)合諸多先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率范圍，優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性。完整的保護(hù)功能以及靈活的編程能力。因而，它能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。DTC技術(shù)是 ACS 800的核心：直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動(dòng)來說是一個(gè)最優(yōu)的電機(jī)控制方法，它可以對所有交流電機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。它開發(fā)出交流傳動(dòng)前所未有的能力并給所有的應(yīng)用提供了益處。
1.2 PROFIBUS概述及協(xié)議分析
PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn), 即EN50-170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化，應(yīng)用范圍非常廣泛。 PROFIBUS以其先進(jìn)的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當(dāng)今現(xiàn)場總線的發(fā)展方向。
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。三個(gè)版
本，分別用于不同的場合。
PROFIBUS是一種現(xiàn)場總線，因此可以將數(shù)字自動(dòng)化設(shè)備從底級(傳感器／執(zhí)行器)到中間執(zhí)行級(單元級)分散開來。通信協(xié)議按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實(shí)現(xiàn)。參照ISO／OSI參考模型，PROFIBUS只包含第l，2, 和7層。PROFIBUS協(xié)議層或子層說明如下：
1)、PROFIBUS第1層
第1層—PHY：規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。PROFIBUS通過采用差分電壓輸出的RS485實(shí)現(xiàn)電流連接。在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹型結(jié)構(gòu)還可能用到中繼器。
2)、PROFIBUS第2層
第2層—MAC：第2層的介質(zhì)存取控制(MAC)子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方法。PROFIBUS采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設(shè)備在同一時(shí)刻傳輸，所以在 PROFIBUS主設(shè)備(masters)之間用令牌的方法。為使PROFIBUS從設(shè)備(slave)之間也能傳遞信息，從設(shè)備由主設(shè)備循環(huán)查詢。
PR0fIBUS第2層FlC：第2層的現(xiàn)場總線鏈路控制(FLC)子層規(guī)定了對低層接口(LLl)有效的第2層服務(wù)，提供服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP)的管理和與LLI相關(guān)的緩沖器。
PROFIBUS第2層FMAl／2：第2層的現(xiàn)場總線管理(FMAl／2)完成第2層(MAC)特定的總線參數(shù)的設(shè)定和第1層(PHY)的設(shè)定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過FMAl／2激活或撤消。此外，第1層和第2層可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤事件會(huì)被傳遞到更高層(FMA7)。
3)、PROFIBUS第3—6層
第3—6層在PROFIBUS中沒有具體應(yīng)用，但是這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在“低層接口”(LLI)中。例如，包括連接監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。
4)、PROFIBUS第7層
PROFIBUS第7層LLI：低層接口(LLI)將現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)的服務(wù)映射到第2層(FLC)的服務(wù)。除了上面已經(jīng)提到的監(jiān)控連接或數(shù)據(jù)傳輸，LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個(gè)邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽贚LI中選擇不同的連接類型，主／主連接或主／從連接。數(shù)據(jù)交換既可是循環(huán)的也可是非循環(huán)的。
PROFIBUS第7層FMS：第7層的現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)子層將用于通信管理的應(yīng)用服務(wù)和用于用戶的用戶數(shù)據(jù)(變量、域、程序、事件通告)分組。借助于此，才可能訪問一個(gè)應(yīng)用過程的通信對象。FMS主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的編碼和譯碼o
PROFIBUS第7層fMA7：與第2層類似，第7層也有現(xiàn)場總線管理(FMA7)。FMA7保證FMS和LLI子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第2層(FMAl／2)的傳遞。在某些應(yīng)用過程中，還可以通過FMA7把各個(gè)子層的事件和錯(cuò)誤顯示給用戶。
5)、PROFIBUS ALI
ALI：位于第7層之上的應(yīng)用層接口(ALI)，構(gòu)成了到應(yīng)用過程的接口。ALI的目的是將過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。轉(zhuǎn)換的原因是每個(gè)過程對象都是由它在所謂的對象字典(OD)中的特性(數(shù)據(jù)類型、存取保護(hù)、物理地址)所描述的。
2. 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)組成
要想組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，必須有兩個(gè)條件。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和從站的GSD文件，兩者缺一不可。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件，用來將各個(gè)站組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和站的參數(shù)，并將已設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站。GSD文件稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件。對一種設(shè)備類型的特征GSD文件以一種準(zhǔn)確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設(shè)備類型準(zhǔn)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶，此種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)使用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動(dòng)地對輸入與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性進(jìn)行檢查核對。
在組網(wǎng)時(shí)，必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具里就有了你所須的從站的選項(xiàng)。用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具建一個(gè)你所需要的網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后在網(wǎng)絡(luò)上添加你所須的站，并設(shè)置站的參數(shù)，最后把設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站，這樣就組建好了一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)選用ABB公司ACS800直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻器，以PLC為控制中心， PLC通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與變頻器構(gòu)成DCS控制系統(tǒng)。PLC與上位機(jī)、現(xiàn)場觸摸屏、變頻器實(shí)行PROFIBUS高速通訊。
傳動(dòng)部下位控制中心為西門子S7-400 PLC，在PROFIBUS現(xiàn)場總線上S7-400 PLC是主站，選用CPU414-2 DP，有強(qiáng)大的通訊功能，自身帶有一個(gè)PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場觸摸屏采用PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)高速通訊，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過程中的速度鏈、負(fù)荷分配、張力控制等功能。PLC接受上位機(jī)優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)各分部速度以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時(shí)PLC將各分部運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。
圖中VVVF為ABB變頻器、、OP1-OP8為操作臺(tái)、PG為脈沖編碼器、M為傳動(dòng)電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作控制，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊完成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實(shí)現(xiàn)都由現(xiàn)場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統(tǒng)中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬個(gè)線路接點(diǎn)。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化。徹底杜絕了現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
PLC主要完成功能：
（1）、現(xiàn)場控制信號的采集，PLC通過PROFIBUS現(xiàn)場總線檢測現(xiàn)場操作臺(tái)操作信號。
（2）、速度鏈的控制及計(jì)算，PLC根據(jù)工藝要求完成速度鏈的控制處理。調(diào)節(jié)前一級速度時(shí)后一級緊隨前一級的速度變化。調(diào)節(jié)后一級的速度時(shí)前一級速度不變。
（3）、速度控制的執(zhí)行。PLC接受上位機(jī)控制指令，通過上位機(jī)操作，PLC可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)車速、分部變比以適應(yīng)生產(chǎn)需求，并通過PROFIBUS現(xiàn)場總線控制各分部變頻器的運(yùn)行速度。
（4）、自動(dòng)負(fù)荷分配控制功能，對與負(fù)荷分配點(diǎn)，PLC要完成負(fù)荷分配運(yùn)算及控制。
（5）、PLC與觸摸屏實(shí)行PROFIBUS現(xiàn)場總線高速通訊，將傳動(dòng)各分部點(diǎn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在觸摸屏顯示出來；并接受觸摸屏上的操作指令，控制各傳動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
本系統(tǒng)配有觸摸屏8臺(tái)，設(shè)立在控制現(xiàn)場，觸摸屏上設(shè)有功能鍵、操作圖形顯<
