王春花 （1965  -）

女，江西南昌人，副教授，碩士，研究方向為機電一體化，現就職于江西理工大學南昌校區機電工程系。

基金項目：國家科技攻關項目（項目編號：2002BA315A—4—06）

摘要：本文介紹了Profibus-DP（Decentralized Periphery）、網絡在稀土萃取生產線中的應用，對Profibus-DP網絡的特點、系統的組成及調試進行了詳細闡述，對完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能，其應用效果十分顯著。

關鍵詞：稀土；萃取；Profibus-DP；變頻器

Abstract: This paper introduces application of Profibus-DP network in the rare-earth element extraction production line. The ProfibusDP network features, the system 
configuration and debugging method are also explained in detail. The system has many 
functions including field control, monitoring and long distant parameterization. 
Its performance is remarkable.

Key words: The Rare-earth; Extration; Profibus-DP; Inventor

1 概述

    稀土串級萃取分離是稀土濕法冶金的重要生產過程和稀土元素分離提純的重要手段。在稀土萃取生產過程中，流量控制是至關重要的環節，是萃取生產是否穩定的決定因素，將直接影響稀土產品的質量及收率和生產企業的經濟效益[1]。由于稀土萃取過程流量控制對象的特殊性：一是介質的強腐蝕性（大都為鹽酸介質）；二是流量范圍變化大，一個百噸的稀土萃取分離廠其流量小至每分鐘幾十毫升，大至每分鐘幾十立升，相差一千多倍。目前國內稀土企業研究開發的流量控制裝置，還存在許多不盡人意的地方，使用效果不理想，致使稀土工業技術不能真實體現我國稀土分離工藝技術的國際領先水平。正因為如此，國家科技部2002年再次將稀土萃取過程閉環控制項目列為“十五”重大科技攻關項目。

    某公司研究開發了一套新型流量控制系統，已成功應用于稀土萃取分離生產線。流量調整直接在計算機上操作便可完成，改善了工人的操作環境和勞動強度，提高了勞動生產率，流量精度可達±2%。該系統采用變頻技術控制轉速，圓盤戽斗完成流量操作，控制器通過現場總線與變頻器之間傳遞信息。但該系統使用時首先須建立流量與頻率數值轉換的工作曲線，而且輸出的流量沒有流量計現場監測，輸入、輸出數據相互獨立，不能反饋，還須不定期進行人工檢校，無法實現稀土萃取過程流量閉環控制。針對這一情況，筆者采用了Profibus-DP現場總線技術。成功地實現了稀土萃取過程流量閉環控制。

1.1 Profibus-DP簡介

    現場總線[2 3]是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術；是以現場總線技術為核心，以基于現場總線的智能I／O或智能傳感器、智能儀表為控制主體，以計算機為監控指揮中心的系統編程、組態、維護、監控等功能為一體的工作平臺。現場總線技術可使用一條通信電纜將現場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數字化通信代替傳統的4-20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能。

    本系統采用的Profibus-DP即為現場總線的一種，是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。它是一種高速低成本通信方式，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。

1.2 Profibus-DP組成

    Profibus-DP通常采用RS-485傳輸技術，采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術基本特征：

    網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻

    傳輸速率：9.6K bps～12M bps

    介質：屏蔽雙絞電纜

    站點數：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。

    插頭連接：9針D型插頭

    PROFIBUS-DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。

2 系統組成及參數

2.1 PLC的選型配置

    為保證技術先進，操作簡便，方便后續的擴建，本控制系統中設計選用Siemens公司的S7—300系列PLC產品，其特點：模塊化結構，擴展功能強，結構堅固，可靠性高，功能全面，運行速度快，具有強大的通訊能力和集成的系統功能。該控制器通過CP342-5模塊作為Profibus-DP的主站，通過該模塊來管理整個網絡上其它從站的運行。在該網絡上連接了20臺MM420變頻器，它們作為從站，接受來自控制器所發出的控制指令和控制參數[4]。系統組成見圖1：

                                           圖1   系統組成圖

    網線連接及終端電阻配置完畢后，要使網絡正常工作，必須對各設備及網絡進行必要的參數設置。對于MM420變頻器要設置其P0700、P1000兩個參數，本系統要通過網絡來控制變頻器的輸出頻率，因此兩個參數應設置為6。

    Profibus-DP網絡的傳輸速率的設定要根據總線的長度及類型來確定，具體對應關系見表1：

                     表1   Profibus-DP網絡的傳輸速率與總線的長度關系

    電纜長度（m）         1000         400      200    100

    傳輸速率（bps）    9.6K～187.5K    500K    1.5M    3M～12M

    本系統網絡電纜長度為60多米，因此最大傳輸速率可達到12M bps。

2.2    軟件設置

    Profibus—DP總線共有20個站，其中S7—300作為主站，其余均為從站，應用STEP7對各個站點進行地址分配和系統組態，并且對可以設置的模塊參數化，同時還要進行通信組態，確保參數匹配正確，使網絡真正建立通信。軟件設置見表2。

                 表2   軟件設置

    工控機監控軟件WinCC是基于人機交互式監控系統，運行于Windows平臺上，其強大的過程接口界面和高度的安全數據存檔特性，適合于各種流程和控制過程的操作及監控。該軟件根據用戶建立的數據信息，把PLC信息直接連接到用戶應用圖形上。操作人員可以通過操作畫面及流程圖，監控流量狀態和運行數據，發出控制命令，也可進行參數修改、故障處理復位、報表打印等，實現自動化管理。

2.3 系統特點

    ①系統開放性。Profibus總線目前應用廣泛，是不依賴于設備生產商的總線標準，廣泛應用于制造業自動化、流程工業和樓宇自動化，以及交通電力自動化等其他領域，性能可靠數據傳輸安全。②技術先進，可靠性高，維修方便。Profibus總線是當前先進的總線技術，S7系列PLC技術水平先進，該系統設計使得軟、硬件之間充分協調，整體性強。又由于各從站相對獨立，各個控制點如果發生故障或失效，不會影響其他從站的作業，而且A i總線的設備可帶電操作，即插即用，檢修十分方便。③系統擴展容易。Profibus總線上可掛接100多個從站，如果需要增加級數，可以在前期布線時預留從站位置，接入時只要激活從站即可。

    加入的設備和儀表與原系統互不影響。

3 系統調試

    網絡連接及參數設置完畢后，對該系統進行了調試。所使用的軟件工具為STEP 7 V5.1，該軟件為西門子公司的針對SIMATIC S7-300的配套編程工具，STEP7完成硬件組態、參數設置、編程、調試和文檔處理。

    首先設置CP342-5為Profibus-DP主站，傳輸速率為12M bps，站地址為2。其次分別設置各變頻器地址，從5～24，通訊數據類型選擇PPO3，即2個輸入字、2個輸出字。最后將配置信息與相應程序下裝到S7-300PLC中。

    在實際調試過程中，通過下面的指令數據分別控制變頻器不同的運行狀態：

    047F 1000       正向12.5Hz運行；

    047F 4000       正向50Hz運行；

    0C7F 2000       反向25Hz運行；

    047E 0000       停止運行。

4 結束語

    通過現場調試證明，Profibus-DP在稀土萃取生產線中的應用達到了預期的要求，提高了系統的可靠性、可維護性和抗干擾性，提高了控制精度，降低了系統及工程成本，增強了現場級信息的集成能力，應用效果十分明顯。



參考文獻

[1] 楊易琳，聶民. 對用計算機控制萃取工藝中流量的探討 [J]. 鋁鎂通訊，2005，(4): 39.

[2] 劉守道，秦益霖. 基于現場總線的全數字遠程恒速控制系統的實現 [J]. 常州信息職業學院學報，2007，6(3): 9～12.

[3] 夏德海. 現場總線技術. [M]. 北京: 中國電力出版社，2003.

[4] 廖常初. S7-300／400應用技術[M]. 北京: 機械工業出版社，2005.