基于西門子400 PLC和ACS400變頻器實現(xiàn)造紙機傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計

為了在造紙機高速運行狀態(tài)（600 m／min以上）下對紙機各傳動點進行同步控制和負荷控制，通常需要采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的多電機同步傳動控制系統(tǒng)，解決多電機控制的同步性以及信號通訊的實時性、快速性和高精度性。

PR0FIBUS主要用以實現(xiàn)分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級的網(wǎng)絡(luò)化，它具有通信速率高、可靠性強、維護方便及總線協(xié)議開放等突出優(yōu)點。開發(fā)PROFIBUS通訊轉(zhuǎn)換接口，使現(xiàn)場底層的分散式數(shù)字化控制器能接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)中就顯得尤勾重要。本文對自行研究設(shè)計的PROFIBUS-DP轉(zhuǎn)換接口在2350／650紙機傳動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用作一介紹。

1 、紙機控制系統(tǒng)

以2350／650造紙機傳動控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用PC機作為上位機，西門子400PLC作為中心控制器，并由ABB公司的ACS400變頻器通過PROFIBUS．DIP通訊轉(zhuǎn)換接口與PLC構(gòu)成PROFIBUS．DP控制系統(tǒng)同時驅(qū)動負載，如圖1所示。

2、 PROFIBUS-DP總線通訊轉(zhuǎn)換接口

從圖2中可以看出，PLC通過PROFIBUS-DP總線與變頻器進行通訊的過程中，PR0FIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口是信號通訊的關(guān)鍵部分。在本設(shè)計的通訊接口中使用的是PR0FIBuS通信專用ASIC結(jié)合單片機。其中PROFIBUS通信專用ASIC選用的是西門子公司的SPC3，系統(tǒng)的控制核心選用Intel公司的MCS．51系列單片機中的80C31。

PROFIBUS-DP接口主要由處理器接口和串行總線接口組成。在處理器接口電路中，80C31通過Po口和P2口擴展外部存儲器，將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RA M的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關(guān)數(shù)據(jù)的交換。SPC3芯片通過請求發(fā)送信號（RTS），發(fā)送數(shù)據(jù)信號（TXD），接收數(shù)據(jù)信號（RXD），通過高速光耦HCPL7720和總線收發(fā)器SN75ALS176相連，構(gòu)成串行總線接口。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接口在物理上與RS485網(wǎng)絡(luò)接口相近，從圖3可以看出，PR0FIBUS-DP總線驅(qū)動一側(cè)和主站連接；另一側(cè)通過光耦與SPC3連接。采用光耦主要是為了消除來自零線上的干擾。在本設(shè)計中選用了SN75ALS176總線驅(qū)動芯片和HCPL772O光耦。HCPL7720光耦是一種比較特殊的光耦，為雙電源供電，速度最高達25Mb／s。另外， 在本設(shè)計中PR0FIBUs-DP總線電纜采用的是A類型的屏蔽雙絞線，有助于改善電磁兼容性，其特征阻抗為130～165Q，截面積》0．34 mm。

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFI．BUS-DP協(xié)議，因此8OC31不用參與處理PR0FIBUS．DP協(xié)議。80C31的主要任務(wù)是對SPC3進行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。圖3為其主程序流程圖。

3、 基于PROFIBUS-DP總線的控制系統(tǒng)的工作過程

3．1 系統(tǒng)的控制過程

從圖1可以看出，系統(tǒng)由PC機發(fā)送控制信息、設(shè)定運行參數(shù)以及讀取運行狀態(tài)的作用；數(shù)字測速部件采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器（PG），由PG分別測量造紙傳動中各單元的實際速度，送入變頻器，再通過自行開發(fā)的轉(zhuǎn)換接口將此信號傳輸給PLC；PLC通過現(xiàn)場總線協(xié)議讀取變頻器寄存器中的運行頻率與速度計算值，然后與設(shè)定運行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進行運算和控制，得到各單元電機的整定運行速度設(shè)定值，通過PROFIBUS．DP寫入變頻器執(zhí)行。

由于PLC直接通過數(shù)字通訊模式，按照一定采樣周期進行信息的輸入、處理和輸出，簡化了系統(tǒng)外圍模塊，縮短了控制周期，同時提高了在線監(jiān)測、運算和驅(qū)動能力，控制精度和工作可靠性也進一步提高。另外，可以通過通信接口將變頻器相關(guān)參數(shù)反饋到PLC，并由PC機實時監(jiān)控，并可根據(jù)實際情況做出相關(guān)的判斷和調(diào)整，使操作更加簡單、直觀。系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)定也可以通過遠程通信實現(xiàn)，低操作故障，減少勞動力的投入。

3．2 通訊接口與變頻器之問數(shù)據(jù)通訊

3．2．1 變頻器參數(shù)設(shè)置

在通信接15與變頻器進行通信時，通信接15的參數(shù)應(yīng)與變頻器的參數(shù)設(shè)置相對應(yīng)。主要設(shè)置的參數(shù)有站地址、通信速率、校驗等，變頻器的參數(shù)設(shè)置見表1。

3．2．2 通信接口與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換

通信接口與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換是根據(jù)PROFIBUS-DP主站傳送的數(shù)據(jù)長度確定對變頻器進行讀、寫操作的具體內(nèi)容。這里選擇8字節(jié)的輸入及輸出來說明讀寫操作的具體內(nèi)容。讀操作：當系統(tǒng)為8字節(jié)輸出時，通信接口需要讀取變頻器的狀態(tài)字、運行頻率、計算車速、計算轉(zhuǎn)矩。寫操作：當系統(tǒng)為8字節(jié)輸入時，通信接口需要給變頻器發(fā)送控制字、外部給定1、外部給定2。詳細內(nèi)容如表2所示。

4、 應(yīng)用效果

（1）系統(tǒng)的通訊速率可達到1．5Mb／s，大大超過以前應(yīng)用RS485總線的9．6kb／s，保證了各傳動點實時同步。

（2）系統(tǒng)的控制精度達到0．1％，動態(tài)精度（最大擾動偏差）為5％，負荷分配控制精度可維持在5％以內(nèi)。

（3）系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)小于0．02s，能夠及時進行紙機運行信息的交換和共享，確保了紙機高速穩(wěn)定運行，減少了紙幅斷頭。

（4）系統(tǒng)采用PROFIBUS．DP控制技術(shù)，全部的控制功能是由現(xiàn)場總線通訊完成，省去了成千上萬個線路節(jié)點，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜，降低了系統(tǒng)成本。

5、 結(jié)語

在這套控制系統(tǒng)中PROFIBUS-DP將所有的站點連接到一起，系統(tǒng)信息都是通過它進行傳遞。利用PROFIBUS-DP完成系統(tǒng)各設(shè)備間的通訊，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的智能化程度，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。在實際中，用它對造紙機控制系統(tǒng)進行改造，完成了預(yù)期的通信和控制功能，大大提高了生產(chǎn)效率，取得了滿意的效果。

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