鄭智武（1982—）
男，福建人，上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)碩士研究生。

摘要：論述了利用Profibus-DP技術(shù)在起重船變頻傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)中的實(shí)踐與應(yīng)用，并詳細(xì)介紹Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的硬件配置、系統(tǒng)功能和軟件設(shè)計(jì),該系統(tǒng)已用于起重船控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求,整體運(yùn)行安全可靠、故障率低。

關(guān)鍵詞：Profibus-DP；PLC；ET200M；集散控制

Abstract: This article introduces the application of Profibus-DP in the Crane ship frequency drive and control system. It also details the hardware configuration，system function and software design according to the demands of Crane ship frequency drive and control system. This system has been used in Crane ship control system. The practical result shows that the design fits the demands and the system is safe, and dependable.

Key words: Profibus-DP; PLC; ET200M; DCS

    Profibus是近年來國際上最為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率較快的一種現(xiàn)場總線,傳輸率可達(dá)12Mbit/s，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，也是發(fā)展較快的現(xiàn)場總線。Profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對第三層到第六層進(jìn)行簡化。此外它的三種模塊(FMS、DP和 PA) 又可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對象和通信速率方面的要求，開放性也好。Profibus現(xiàn)場總線基于令牌協(xié)議加主從總線的介質(zhì)存取方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)，站點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)。

1　項(xiàng)目簡介

    “起重1號”是2005年投入運(yùn)營的全交流變頻調(diào)速的工程起重船，總起吊能力為500t，主要用于海上起吊重物作業(yè)配套服務(wù)。其起重控制系統(tǒng)由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、移船機(jī)構(gòu)和索具機(jī)構(gòu)四大部分組成。

    起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和移船機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)采用起重船用變頻鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，其中：起重主鉤2臺、起重副鉤2臺、變幅機(jī)構(gòu)2臺、移船機(jī)構(gòu)8臺。索具機(jī)構(gòu)有2臺索具吊鉤電動(dòng)機(jī)，為普通船用三速起重電動(dòng)機(jī)。變頻電機(jī)可遠(yuǎn)程控制及本地控制, 遠(yuǎn)程控制與本地控制互鎖。起重與變幅不能同時(shí)工作。兩臺起重主鉤，可通過電氣控制實(shí)現(xiàn)同步工作。

2　控制系統(tǒng)要求

    起重機(jī)控制系統(tǒng)采用“工控機(jī)+PLC”集散控制方式，通過分布式I/O及通訊適配器與遠(yuǎn)程輸入輸出模塊及變頻器交換數(shù)據(jù)。每個(gè)機(jī)構(gòu)電機(jī)由變頻器控制，變頻器在接收到PLC發(fā)出的啟動(dòng)指令后，變頻器首先進(jìn)行零轉(zhuǎn)速控制，使電機(jī)產(chǎn)生零速力矩，變頻器鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子，這時(shí)打開抱閘，使重物不會發(fā)生溜鉤或提鉤現(xiàn)象。此時(shí)在PLC系統(tǒng)收到制動(dòng)器打開的信號后（安裝在制動(dòng)器上的限位開關(guān)動(dòng)作），向變頻器發(fā)出速度給定指令，斜坡使能，電機(jī)開始平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)操作者操作的檔位，系統(tǒng)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

    起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)變頻器采用編碼器反饋的閉環(huán)控制方式，編碼器信號可及時(shí)被PLC采集，PLC根據(jù)采集的編碼器信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，以控制和監(jiān)測電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)速比高，從而達(dá)到電子式保護(hù)的作用。

    工作過程中存在大量物理量，如電流、電壓、力矩等模擬量參數(shù)，系統(tǒng)中的PLC主要就是采集現(xiàn)場傳過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過繼電器和接觸器控制現(xiàn)場設(shè)備。控制功能主要由PLC來完成。

    PLC將比較重要的數(shù)據(jù)傳送給操作室的工控機(jī)，工控機(jī)所采用的監(jiān)控軟件提供全面直觀的設(shè)備工作狀況顯示及監(jiān)控，速度與電流的動(dòng)態(tài)曲線圖形等；記錄歷史故障，分析故障原因，提示排除故障能夠采取的可能步驟；記錄分析每個(gè)電氣設(shè)備的工作頻率與故障頻率，記錄設(shè)備每次發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)與工作參數(shù)，供進(jìn)一步分析用。正常時(shí)顯示起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并可進(jìn)行人機(jī)對話操作。故障時(shí)顯示并記錄故障發(fā)生順序、故障發(fā)生時(shí)間、可能故障點(diǎn)及可能故障原因。既有圖形顯示也有文字顯示。

3　控制系統(tǒng)構(gòu)成

    為了滿足上面提到的起重船變頻傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)要求，該監(jiān)控系統(tǒng)由Profibus-DP總線構(gòu)成單主從工作方式，如圖１所示。選用SIMATIC S7-400 PLC（CPU 412-2DP）作為主站，構(gòu)成以下兩個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)：第一個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)ET200M構(gòu)成。第二個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)由12臺變頻器、5個(gè)絕對值編碼器和4個(gè)ET200M構(gòu)成。上位機(jī)選用研華工控機(jī)，通過以太網(wǎng)模塊CP443-1與PLC相連。

    3.1　硬件配置

    在本系統(tǒng)中采用ET200M分布式I/O，ET200M是模塊化I/O站，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式I/O功能，通過接口模塊IM153-1與Profibus-DP現(xiàn)場總線相連。ET200M 的I/O模塊可以連接來自現(xiàn)場的數(shù)字或者模擬I/O。組態(tài)之后，分布式I/O將如同集中式I/O一樣。

    系統(tǒng)中變頻器采用ABB公司ACS800系列變頻器，其中1號主鉤、1號副鉤由于電機(jī)容量相近，不同時(shí)工作，采用一臺變頻器拖動(dòng)以上二臺電機(jī)，根據(jù)實(shí)際操作動(dòng)態(tài)切換。2號主鉤、2號副鉤同樣采用一臺變頻器拖動(dòng)二臺電機(jī)動(dòng)態(tài)切換。因此，2臺主鉤、2臺副鉤共采用兩臺變頻器。變幅機(jī)構(gòu)采用一對一的變頻拖動(dòng)方式，共有二臺變頻器。移船機(jī)構(gòu)由于8臺電動(dòng)機(jī)工作方式各不相同，因此為每一臺電機(jī)各設(shè)置一臺變頻器。故本系統(tǒng)12臺變頻器通過通訊適配器RPBA-01直接掛接入Profibus-DP(2)總線上。絕對值編碼器采用倍加福公司提供的PVM58N-011AGROBN-1213型編碼器，1號主鉤、1號副鉤、2號主鉤、2號副鉤、變副分別用1個(gè)，共5個(gè)絕對值編碼器。

    3.2　軟件配置

    軟件配置實(shí)際上就是形成整個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置,包括網(wǎng)絡(luò)波特率、主從站地址及主從關(guān)系表等參數(shù)。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的配置相當(dāng)靈活, 網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置, 既可以單主-從網(wǎng)絡(luò), 又可多主-從網(wǎng)絡(luò)。通過STEP7可對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置, 設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。組建Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過讀取相應(yīng)GSD文件而加入到同一總線系統(tǒng)中。GSD文件是電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。為了將不同廠家的Profibus產(chǎn)品集成在一起, 生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。GSD文件應(yīng)該包括三個(gè)部分: 總體規(guī)范(生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特率等)、與DP有關(guān)的規(guī)范(主站的各項(xiàng)參數(shù))、與DP從站有關(guān)的規(guī)范(輸入輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等)。從站與主站之間的通訊是通過使用設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)由西門子公司軟件STEP7組成的軟件配置如圖2。

圖2  系統(tǒng)軟件配置圖

    系統(tǒng)具體配置過程如下:

    在西門子STEP7硬件組態(tài)的option選項(xiàng)中,選擇Install New GSD,然后選擇要安裝的GSD文件,該文件是可以用記事本打開的,內(nèi)有詳細(xì)的通訊配置。安裝成功后,就可在西門子STEP7硬件選項(xiàng)的Additional Field Devices中找到剛安裝了GSD文件的DP從站,添加到Profibus網(wǎng)中[2]。 

    3.3　通信編程

    Profibus-DP是主從通訊和令牌通訊的結(jié)合，它允許單主從或多主從系統(tǒng)，單主從系統(tǒng)主從站之間采用主從原理通訊。本系統(tǒng)為單主多從型，這種方式的特點(diǎn)是S7－400作為系統(tǒng)主站在工作時(shí)間內(nèi)一直占有總線控制權(quán)，與網(wǎng)中的從站進(jìn)行通訊為純主從式通訊。本系統(tǒng)主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應(yīng)進(jìn)行通訊。

    與DP從站的數(shù)據(jù)通信是通過CPU的過程映像輸入和輸出表或由用戶程序中的直接I/O存取命令來處理。由于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)頻繁地使用多于4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，因此，與具有復(fù)雜功能和復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的DP從站的數(shù)據(jù)通信不能由用戶程序中的簡單I/O存取命令來處理。SIMATIC S7系統(tǒng)提供特殊的系統(tǒng)功能用于與這類DP從站的通信。這就是系統(tǒng)功能SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”[3]。主站PLC可以通過調(diào)用SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”來完成和從站的數(shù)據(jù)交換。

    就該系統(tǒng)中PLC(主站)與1號主鉤變頻器(從站)通訊來說明, 其功能調(diào)用圖如圖3所示。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)過程數(shù)據(jù)互連的問題。SFC的參數(shù)LADDR是一個(gè)指針，它指向要讀出的輸入數(shù)據(jù)區(qū)或指向要寫入的輸出數(shù)據(jù)區(qū)域。在SFC參數(shù)中，所指定的DP從站的輸入或輸出模塊的起始地址必須與早先用HWConfig程序組態(tài)時(shí)規(guī)定的地址相同，而且這些地址用十六進(jìn)制數(shù)表示。SFC的參數(shù)RECORD為CPU上的數(shù)據(jù)定義相關(guān)的源或止的區(qū)域，對于輸入和輸出的描述如表1所示。

圖3  功能調(diào)用圖

    程序說明：

    （1） W#16#200(即512)是1號主鉤變頻器組態(tài)時(shí)的起始地址

    （2）將從站數(shù)據(jù)讀入DB15.DBX0.0開始的8個(gè)字節(jié)(P#DB15.DBX0.0 BYTE 8)，即S7-400讀取變頻器的初始狀態(tài)。

    （3）將DB15.DBX30.0開始的8個(gè)字節(jié)寫入從站(P#DB15.DBX30.0 BYTE 8)，即S7-400發(fā)送給變頻器主控制字、速度給定設(shè)定值。

    （4）將從站數(shù)據(jù)讀入DB15.DBX8.0開始的20個(gè)字節(jié)(P#DB15.DBX8.0 BYTE 20)，即S7-400讀取變頻器的主狀態(tài)字、速度實(shí)際值、電流實(shí)際值。

    表1  SFC14、SFC15外部數(shù)據(jù)接口

參考文獻(xiàn)

    [1] 葉曉山，PROFIBUS現(xiàn)場總線在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽化工,2002,19(3).

    [2] 廖常初，S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

    [3] Siemens AG， Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual, 2002.

作者信息：

    鄭智武(上海海事大學(xué)，上海  200135）    

    王順順，徐方逸(上海港務(wù)工程公司，上海  200438)