PROFIBUS-DP技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮玉爽，王仲民，董 磊，李豐振（.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300；.禧天龍科技發(fā)展有限公司，天津 300450）

0 引言

當(dāng)前，對(duì)塑料家居制品的需求量日益增多，但塑料家居制品生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度較低，主要依賴人工進(jìn)行操作，存在著產(chǎn)品生產(chǎn)效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、控制與調(diào)速不夠靈活等問題。塑料家居制品生產(chǎn)企業(yè)亟待進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型和升級(jí)。隨著信息與自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，將PLC控制技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合，對(duì)設(shè)備電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制并逐漸在工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。

為有效提高塑料家居制品自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍，本文設(shè)計(jì)了基于西門子PLC控制技術(shù)與PROFIBUS-DP總線技術(shù)相結(jié)合的塑料家居制品自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。應(yīng)用西門子S7-300系列CPU 314C-2DP PLC作為主控PLC，基于PROFIBUS-DP通信協(xié)議對(duì)6臺(tái)ABB公司ACS550系列變頻器進(jìn)行傳動(dòng)控制，對(duì)輸送帶實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程變頻調(diào)速控制。采用PROFIBUS-DP總線完成了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、故障檢測(cè)及生產(chǎn)工藝參數(shù)管理，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的組態(tài)和監(jiān)控管理[3]，而且非常便于設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of PROFIBUS-DP communication system

1 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)標(biāo)志著自動(dòng)化技術(shù)步入了一個(gè)新的時(shí)代，其本質(zhì)上是一種數(shù)字通信協(xié)議，解決了數(shù)字信號(hào)的兼容性問題，是連接現(xiàn)場(chǎng)裝置與自動(dòng)化裝置之間的數(shù)字式、串行、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信協(xié)議[4]。

PROFIBUS（Process Fieldbus縮寫），是一種國(guó)際化的、開放式的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS 等3個(gè)兼容部分組成。PROFIBUS-DP使用第1層、第2層和用戶接口層，第3層～7層未用。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議，特別適用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)分散的輸入/輸出設(shè)備之間的通信，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s[5]。PROFIBUS-PA使用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可將傳感器和執(zhí)行器連接到通常的現(xiàn)場(chǎng)總線上，用于安全性要求較高的場(chǎng)合。PROFIBUS-FMS使用了第1層、第2層和第7層，使用和PROFIBUS-DP相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，主要用來處理單元級(jí)（PLC和PC）的數(shù)據(jù)通信，完成以中等傳輸速率進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。

2 ABB ACS550變頻器參數(shù)設(shè)置

圖2 協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig.2 Protocol message structure

RPBA-01 PROFIBUS-DP適 配 器 模 塊[6]是ABB傳動(dòng)單元的一個(gè)可選設(shè)備，其可以將傳動(dòng)單元連接到一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)向傳動(dòng)單元發(fā)出控制命令和給定信號(hào)，可從傳動(dòng)單元讀取狀態(tài)信號(hào)和實(shí)際值。ABB ACS550系列變頻器是一種應(yīng)用廣泛，非常適合變轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩的高性能矢量控制變頻器，其與控制信號(hào)源之間是通過收發(fā)主控制字和狀態(tài)字進(jìn)行相互識(shí)別操作。ABB ACS550變頻器功能可通過相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)，若要建立與西門子CPU 314C-2DP之間的網(wǎng)絡(luò)通信，需要從通信方式的選擇、控制信號(hào)源、電機(jī)的啟動(dòng)和停止、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、電機(jī)的參數(shù)和加減速時(shí)間等方面對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。ABB ACS550變頻器主要參數(shù)設(shè)定見表1。

3 PROFIBUS-DP通信協(xié)議

PROFIBUS-DP通信協(xié)議在周期型通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象PPO（Parameter Process Object）。協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

PPO報(bào)文結(jié)構(gòu)由參數(shù)通道PKW和過程通道PZD兩部分組成，其中PKW用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的傳遞；PZD用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)的傳遞。根據(jù)PKW和PZD的不同組合，共定義了PPO1-PPO5 五種類型格式。本文采用PPO4類型格式，在過程參數(shù)傳遞過程中，ABB ACS550變頻器識(shí)別過程數(shù)據(jù)控制字（CW）和狀態(tài)字（SW），西門子CPU 314C-2DP PLC通過將不同的控制字發(fā)送給變頻器，然后變頻器根據(jù)控制字（CW）的數(shù)據(jù)信息發(fā)出相應(yīng)的指令，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，再以狀態(tài)字（SW）反饋給西門子CPU 314C-2DP PLC，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的讀寫操作。

表1 ABB ACS550變頻器參數(shù)設(shè)定表Table 1 Parameter setting table of ABB ACS550 inverter

4 西門子PLC的組態(tài)配置

在西門子STEP7編程軟件中，對(duì)CPU 314C-2DP PLC進(jìn)行組態(tài)配置，步驟如下：

1）打開西門子STEP編程軟件，在PLC中新建工程，雙擊HARDWARE選項(xiàng)，自動(dòng)進(jìn)入HW Config 窗口，并點(diǎn)擊圖標(biāo)打開相對(duì)應(yīng)的硬件目錄，按照硬件安裝順序和訂貨號(hào)依次插入電源、CPU模塊以及輸入和輸出模塊。在HW Config窗口，點(diǎn)擊主菜單Option-＞Install New GSD…，選擇“PROFIBUS DP”適配器模塊RPBA-01附帶的GSD文件（ABB_0812.GSD）進(jìn)行安裝。

2）在CPU 314C-2DP PLC的DP接口上雙擊進(jìn)行總線地址參數(shù)設(shè)置。本文將總線地址設(shè)置為2，傳輸速率為1.5Mbit/s，再點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Add master system，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊NEW按鈕，點(diǎn)擊OK進(jìn)行DP從站設(shè)備接口的添加。

3）在硬件列表中選擇Additional Field Devices-＞Drives-＞ABB Drives RPBA-01，進(jìn)行ABB ACS550 變頻器DP從站的添加，并進(jìn)行總線地址參數(shù)設(shè)置，注意不要與CPU 314C-2DP PLC主站和其他從站的地址發(fā)生沖突，本文將ABB ACS550變頻器DP從站的總線地址依次設(shè)置為3，4，5，6，7，8。

4）雙擊ABB ACS550變頻器DP從站，在彈出的對(duì)話框的Parameter Assignment選項(xiàng)頁(yè)，點(diǎn)擊Station parameter-＞Device- specific parameter前面的加號(hào)，將其擴(kuò)展開，將Operation mode的值由Profidrive改為Vendor specific，點(diǎn)擊OK。

圖3 PLC組態(tài)配置圖Fig.3 PLC Configuration diagram

5）點(diǎn)擊ABB ACS550變頻器DP從站，在硬件列表中選 擇Additional Field Devices-＞Drives-＞ABB Drives RPBA-01，將其下方的PPO4拖到相應(yīng)的插槽處，進(jìn)行地址的設(shè)置。

6）點(diǎn)擊主菜單Station-＞Save And Compile進(jìn)行保存和編譯處理，然后將組態(tài)配置信息下載到PLC中。

在STEP7編程軟件中，PLC組態(tài)配置后的界面如圖3所示。

5 西門子PLC編程實(shí)現(xiàn)通信控制

西門子CPU 314C-2DP PLC通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)ABB ACS550變頻器DP從站的控制，有以下兩種方式：

1）CPU 314C-2DP PLC主站對(duì)ABB ACS550變頻器DP從站進(jìn)行I/O直接讀寫操作，以輸送帶的手動(dòng)控制操作為例，將1142寫入ABB ACS550變頻器從站輸出區(qū)地址PQW256中，并延遲100ms的時(shí)間進(jìn)行初始化操作；將1151寫入ABB ACS550變頻器從站輸出區(qū)地址PQW256中，進(jìn)行電機(jī)的正向啟動(dòng)操作；而將1143寫入ACS550變頻器從站輸出區(qū)地址PQW256中，進(jìn)行電機(jī)的停止操作等。其主要程序如圖4所示。

2）在OB1中，通過調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)的讀寫操作。其中，SFC14用于讀取ABB ACS550變頻器DP從站的數(shù)據(jù)，而SFC15用于將數(shù)據(jù)寫入ABB ACS550 變頻器DP從站，SFC14讀取數(shù)據(jù)和SFC15寫入數(shù)據(jù)的程序如圖5所示。其中，程序段1中的參數(shù)LADDR表示讀取的ABB ACS550變頻器DP從站設(shè)備所映射的輸入?yún)^(qū)的起始地址。本文設(shè)定為PIW256，RET_VAL表示讀取操作的返回值，將其存放在MW142中，RECORD表示讀取回來的數(shù)據(jù)存放的位置；程序段2中的參數(shù)LADDR表示要訪問的ABB ACS550變頻器DP從站設(shè)備的起始地址，本文設(shè)定為PQW256，RECORD表示需要傳送的數(shù)據(jù)存放的位置，RET_VAL表示寫入操作的返回值，其存放于MW157中。

圖4 輸送帶電機(jī)正向啟動(dòng)的手動(dòng)控制程序Fig.4 Manual control procedure for positive start of conveyor motor

圖5 SFC14讀取數(shù)據(jù)和SFC15寫數(shù)據(jù)程序Fig.5 SFC14 Read data and sfc15 write data program

圖6 輸送帶電機(jī)正向啟動(dòng)的手動(dòng)控制程序Fig.6 Manual control procedure for positive start of conveyor motor

以輸送帶的手動(dòng)控制操作為例，通過向控制字寫入相應(yīng)的數(shù)值實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，如：向控制字CW中寫入1142，并延遲一定的時(shí)間進(jìn)行初始化操作；向控制字CW中寫入1151，進(jìn)行電機(jī)的啟動(dòng)操作；控制字CW中寫入1143，進(jìn)行電機(jī)的停止操作等，主要程序如圖6所示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PLC控制技術(shù)和變頻傳動(dòng)技術(shù)的塑料家居制品自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線完成對(duì)輸送帶控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、故障檢測(cè)及生產(chǎn)工藝參數(shù)管理等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)塑料家居制品輸送帶控制系統(tǒng)的組態(tài)和監(jiān)控管理。通過ABB ACS550變頻器參數(shù)設(shè)定、PLC的硬件組態(tài)配置、通信和控制程序編制，實(shí)現(xiàn)對(duì)ABB ACS550變頻器DP從站的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制和故障檢測(cè)，進(jìn)一步提高了塑料家居制品自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。