淺談PROFIBUS與S7-400在玻纖行業(yè)拉絲生產(chǎn)線上的應(yīng)用

曹?chē)?guó)榮，沈建興

(巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500)

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淺談PROFIBUS與S7-400在玻纖行業(yè)拉絲生產(chǎn)線上的應(yīng)用

曹?chē)?guó)榮，沈建興

(巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500)

摘 要：介紹了了PROFIBUS，簡(jiǎn)述了拉絲生產(chǎn)線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了拉絲生產(chǎn)線的方案。通過(guò)分析玻纖行業(yè)內(nèi)拉絲機(jī)設(shè)備的電氣特性，選用合適的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，用來(lái)優(yōu)化拉絲機(jī)設(shè)備的電氣功能、實(shí)現(xiàn)拉絲機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)的互通、滿足車(chē)間生產(chǎn)的工藝要求。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS；玻纖行業(yè)；S7-400；電氣特性

0前言

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)已深入到自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)可以將PLC、變頻器、逆變器、傳感器各單元相互連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式I/O計(jì)算機(jī)控制。

隨著玻纖工藝技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，玻纖行業(yè)對(duì)玻纖設(shè)備提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)及控制方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對(duì)現(xiàn)在的玻纖生產(chǎn)工藝要求，因此，開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便靈活、控制性能好的控制系統(tǒng)成為急待解決的問(wèn)題。

目前已有PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)SIEMENS S7-400PLC與上位機(jī)、變頻器、逆變器的通信方式在玻纖生產(chǎn)線上的應(yīng)用實(shí)際案例。

1PROFIBUS特點(diǎn)

PROFIBUS是最成功的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合。所有自動(dòng)化設(shè)備(PLC，PC，HMI(人-機(jī)接口系統(tǒng))以及傳感器和執(zhí)行器)都可以經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸[1]，相對(duì)于各種可能的應(yīng)用類(lèi)別，有三種總線形式：即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA。我們?cè)谏a(chǎn)線上應(yīng)用了PROFIBUS-DP，下面將進(jìn)一步介紹。

PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA的特點(diǎn)如下：

(1) PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS總線功能強(qiáng)大，定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車(chē)間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。

(2) PROFIBUS-PA

這種型式用于過(guò)程自動(dòng)化是為滿足化學(xué)和過(guò)程工業(yè)的需要而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，從簡(jiǎn)單的傳感器到管理層的統(tǒng)一模塊化系統(tǒng)，能完整地實(shí)現(xiàn)新的工廠設(shè)計(jì)方案，可任意組合，用于過(guò)程工業(yè)和生產(chǎn)工業(yè)的功能強(qiáng)大價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)部[2]。其特點(diǎn)是：最小的硬件成本，縮短準(zhǔn)備時(shí)間，免維護(hù)，低成本軟件工程，提高了運(yùn)行的可靠性，在過(guò)程自動(dòng)化和電站自動(dòng)化有著廣泛的應(yīng)用[3]。

(3) PROFIBUS-DP

這種型式是為高數(shù)據(jù)傳輸而優(yōu)化的，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)12 Mbit/s，適用于有分布I/O站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊[4]。其特點(diǎn)是：非常短的響應(yīng)時(shí)間，抗干擾能力強(qiáng)，并替代4(0)至20 mA信號(hào)測(cè)量這種投資高昂的并行信號(hào)傳輸方式[5]。極強(qiáng)的自我故障診斷功能，如：本站診斷，模塊診斷，通道診斷等。

結(jié)合上述三種現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用PROFIBUS-DP總線方式。

2拉絲生產(chǎn)線的電氣控制特點(diǎn)

該設(shè)備的控制有如下特點(diǎn)：

(1) 所有電機(jī)均采用交流調(diào)速方式。根據(jù)拉絲工藝要求的特點(diǎn)，為此我們采用了整流回饋單元構(gòu)成的公共直流母線的多電機(jī)傳動(dòng)。所有逆變單元及變頻器通過(guò)CBP通信板接在PROFIBUS-DP上。

(2) 根據(jù)拉絲機(jī)控制精度要求高的特點(diǎn)，機(jī)頭上增加了旋轉(zhuǎn)編碼器反饋以提高速度控制的精度。

(3) 為適應(yīng)不同品種及不同工藝的要求，每條生產(chǎn)線上配備了一臺(tái)工控機(jī)。在工控機(jī)上可顯示設(shè)備工藝流程，顯示主要工藝參數(shù)的設(shè)定值和過(guò)程值，能動(dòng)態(tài)監(jiān)視各單元機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，WINCC能對(duì)各種信息進(jìn)行歸檔。在不同的權(quán)限下，能在線對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行修改，報(bào)表打印各種歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)PLC對(duì)各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷并及時(shí)處理。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

(1) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件以PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，所有的逆變器和變頻器通過(guò)CBP通信板接在PROFIBUS-DP上。主控PLC為S7-417H，通過(guò)PLC的模擬量輸入/輸出模塊及PLC內(nèi)部PID來(lái)控制。考慮到生產(chǎn)線的特點(diǎn)與產(chǎn)品周期，我們?yōu)槠渑渲昧宋鏖T(mén)子具有高度靈活性，可靠性與高度集成化的WINCC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成數(shù)據(jù)管理、集成編程、組態(tài)、集成通訊等功能[6]。

采用的S7-417H是冗余的自動(dòng)化系統(tǒng)，由兩個(gè)獨(dú)立的中央處理單元組成，同步跟蹤被控對(duì)象，并通過(guò)CPU之間的數(shù)據(jù)線進(jìn)行快速，直接的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。這兩個(gè)獨(dú)立的中央處理單元可以以冗余的方式接入工業(yè)以太網(wǎng)，并有冗余的PROFIBUS-DP接口連接I/O[7]。一旦異常情況發(fā)生，故障搜索裝置啟動(dòng)，受影響的單元停止，自動(dòng)切入后備單元。

(2) 軟件配置應(yīng)用與開(kāi)發(fā)

在該系統(tǒng)中，我們采用西門(mén)子公司的PLC、通訊、工控軟件及傳動(dòng)控制產(chǎn)品組成高質(zhì)量、高性能的整合的控制系統(tǒng)，完成整個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程及拖動(dòng)控制任務(wù)。其中，采用了2套S7-400型PLC、近60多套MASTERDRIVER 6SE70系列傳動(dòng)產(chǎn)品(功率范圍從3 kW到500 kW)。

上位監(jiān)控系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配裝工控軟件，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)INTERNET完成整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)設(shè)備控制及其他工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、報(bào)表生成、打印、數(shù)據(jù)備份等工作[8]。PLC系統(tǒng)與傳動(dòng)控制系統(tǒng)間采用的是西門(mén)子公司的PROFIBUS-DP總線通訊方式，完成控制信號(hào)及數(shù)據(jù)的高速傳遞與交換。其中，處理主傳動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷平衡是該系統(tǒng)中技術(shù)難度最大的課題，要求必須做到高速度響應(yīng)、高控制精度、高安全可靠性能。與以往的同等級(jí)項(xiàng)目不同，上述的傳動(dòng)控制裝置全部采用的是西門(mén)子公司的全交流MASTERDRIVE 6SE70系列變頻器產(chǎn)品，配合西門(mén)子公司的PLC、PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起高性能的傳動(dòng)系統(tǒng)，充分發(fā)揮出西門(mén)子產(chǎn)品多功能、高性能的特點(diǎn)，較好地解決了技術(shù)難題，并將負(fù)荷分配控制精度提高到0.5%以上(用戶提出的負(fù)荷分配考核指標(biāo)為<2%)。同時(shí)，將系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間控制在0.5 s以?xún)?nèi)，響應(yīng)速度大大提高S7-400具有運(yùn)算速度快，資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用西門(mén)子WINCC，它具有畫(huà)面顯示、趨勢(shì)曲線、報(bào)警處理、報(bào)表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能[9]。根據(jù)以上系統(tǒng)配置，整個(gè)生產(chǎn)線軟件分組態(tài)軟件WINCC和PLC編程軟件STEP7兩部分。

在工控機(jī)上運(yùn)行西門(mén)子WINCC組態(tài)軟件，通過(guò)對(duì)該軟件的組態(tài)來(lái)完成工控機(jī)與S7-400PLC的鏈接。在此不多加描述。下面以PLC與逆變器/變頻器通信為例說(shuō)明PROFIBUS-DP的通信。

PROFIBUS-DP是根據(jù)令牌傳遞過(guò)程工作的，即在一個(gè)邏輯環(huán)中，主站成為一個(gè)確定時(shí)間窗口的令牌保持者，在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，擁有令牌的主站能與其它從站通信。PROFIBUS主要使用主從方式，周期性的與逆變器/變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，逆變器/變頻器總是從站且每個(gè)從站本身都有明確的地址[10]。

對(duì)于逆變器/變頻器，通信板CBP具有訪問(wèn)變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的能力，它定義了能使主站訪問(wèn)從站的用戶數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被劃分為兩個(gè)區(qū)域，它們以各自的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。A：過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)(PZD)控制字和設(shè)定值或狀態(tài)字和實(shí)際值。B：參數(shù)區(qū)(PKW)讀/寫(xiě)參數(shù)的一個(gè)參數(shù)區(qū)，即讀出故障或參數(shù)的屬性，如最大/最小值等。編程時(shí)，可以直接通過(guò)強(qiáng)制變量直接訪問(wèn)I/O來(lái)控制逆變器/變頻器。

這樣，在運(yùn)行過(guò)程中，PLC可以通過(guò)訪問(wèn)報(bào)文PKW來(lái)觀察和更改逆變器/變頻器的任意參數(shù)，可以通過(guò)訪問(wèn)報(bào)文PZD來(lái)實(shí)現(xiàn)控制字和設(shè)定值或狀態(tài)字和實(shí)際值的數(shù)據(jù)傳輸。工控機(jī)通過(guò)訪問(wèn)PLC的數(shù)據(jù)塊(DB)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。

4結(jié)論

眾所周知，在玻纖工業(yè)的玻纖工程項(xiàng)目中，所采用的電氣自動(dòng)化產(chǎn)品范圍之廣、種類(lèi)之多幾乎涵蓋了電氣自動(dòng)化產(chǎn)品的所有門(mén)類(lèi)，其中包括低壓電器產(chǎn)品、邏輯控制產(chǎn)品(PLC)、工控及軟件產(chǎn)品、通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、儀表類(lèi)產(chǎn)品、傳動(dòng)控制產(chǎn)品、傳感器類(lèi)產(chǎn)品、電動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)等等。西門(mén)子公司在上述的各項(xiàng)產(chǎn)品門(mén)類(lèi)中都有高性能產(chǎn)品可供用戶選擇，同時(shí)在產(chǎn)品兼容性、產(chǎn)品相互接口的適應(yīng)性等方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。整個(gè)自控系統(tǒng)體現(xiàn)了西門(mén)子工廠一體化的先進(jìn)自控理念，并且結(jié)構(gòu)完全符合現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期的安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率、節(jié)能降耗的目的。系統(tǒng)的控制思路和方法十分新穎、獨(dú)特，SIMATIC STEP 7擁有良好的用戶界面及強(qiáng)大而豐富的編程工具，能大大節(jié)省系統(tǒng)編程組態(tài)的時(shí)間和費(fèi)用。當(dāng)前已經(jīng)通過(guò)用戶的生產(chǎn)監(jiān)定，贏得用戶一致好評(píng)，因此SIEMENS的S7-400系統(tǒng)和PROFIBUS總線技術(shù)在我國(guó)玻纖工業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

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Brief Discussion on the Application of PROFIBUS and S7-400 in Fiber Glass Industry

Cao Guorong，Shen Jianxing

(Jushi Group Co.，Ltd.，Tongxiang 314500)

Abstract:PROFIBUS and the control of glass fiber production line are introduced in this paper.According to their features，a control system for glass fiber production line was designed.Through the analysis of the electrical characteristics of fiber winders used in glass fiber industry，an applicable PROFIBUS communication technology was selected in order to optimize the electrical function of winders，realize the relevant data intercommunication of winders and meet the process requirements of glass fiber production.

Key words:PROFIBUS；fiber glass industry；S7-400；electrical character

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ171.77+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-10-16

作者簡(jiǎn)介：曹?chē)?guó)榮，男，1973年生，高級(jí)工程師。主要從事生產(chǎn)自動(dòng)化方向的研究。

修回日期：2015-10-23