基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用
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現(xiàn)場(chǎng)總線種類很多, 但由于大多交直流傳動(dòng)裝置可以采用Profibus（ Process Field Bus）現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，所以PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在傳動(dòng)控制領(lǐng)域占有較大的市場(chǎng)份額，并且在逐年地增加。另外PROFIBUS總線標(biāo)準(zhǔn)包括3個(gè)方面的內(nèi)容：FMS、DP、PA，可以適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)信息集成能力，可靠性好，維護(hù)性好，且總線協(xié)議是開放的。這樣，如果給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入具有現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)功能的接口，不僅可以利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)來管理分布的設(shè)備，還可以克服目前普通控制方式的缺點(diǎn)。
1 造紙機(jī)控制系統(tǒng)介紹
本系統(tǒng)為造紙車間傳動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為中心控制器，并由ABB公司的ACS600變頻器通過PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口與PLC構(gòu)成PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)來同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如圖1所示。系統(tǒng)由PC機(jī)發(fā)送控制信息、設(shè)定運(yùn)行參數(shù)以及讀取運(yùn)行狀態(tài)的作用;數(shù)字測(cè)速部件采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器PG，由PG分別測(cè)量造紙傳動(dòng)中各單元的實(shí)際速度，送入PLC中;PLC把收集到的各單元的實(shí)際速度與設(shè)定運(yùn)行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進(jìn)行運(yùn)算和控制，得到各單元電機(jī)的運(yùn)行速度設(shè)定值，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線寫入變頻器執(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(jìn)行信息的輸入、處理和輸出，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍模塊，縮短了控制周期，同時(shí)提高了在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)算和驅(qū)動(dòng)能力，控制精度和工作可靠性也進(jìn)一步提高。另外，可以通過通信接口將變頻器相關(guān)參數(shù)讀到PC機(jī)，供操作人員監(jiān)視，并可根據(jù)實(shí)際情況做出相關(guān)的判斷和調(diào)整，使操作更加簡(jiǎn)單、直觀。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定也可以通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)，從而降低操作故障，減少勞動(dòng)力的投入。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由于高速造紙機(jī)多電機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)必須具備高速的總線通訊能力，以保證各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)時(shí)同步。PROFIBUS-DP采用兩種傳輸技術(shù)：RS485與光纖。其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)到12Mbps/s，比其它主要的現(xiàn)場(chǎng)總線速率都高，可以滿足多電機(jī)同步傳動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速通訊能力。
2PROFIBUS-DP總線通訊轉(zhuǎn)換接口
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出，PLC通過PROFIBUS-DP總線與變頻器進(jìn)行通訊的過程中，PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口是信號(hào)通訊的關(guān)鍵部分，如圖2所示。在我研究所設(shè)計(jì)的通訊接口中使用的是PROFIBUS通信專用ASIC結(jié)合單片機(jī)來完成設(shè)計(jì)。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(jī)中的80C31。
圖2 通訊接口結(jié)構(gòu)圖 PROFIBUS-DP接口主要有處理器接口和串行總線接口兩部分組成。在處理器接口電路中80C31通過P0口和P2口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對(duì)雙口RAM的讀寫來完成對(duì)SPC3的初始化和有關(guān)數(shù)據(jù)的交換。SPC3芯片通過請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)（RTS），發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)（TXD），接收數(shù)據(jù)信號(hào)（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RS-485網(wǎng)絡(luò)接口相近，PROFIBUS-DP總線驅(qū)動(dòng)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(jì)中選用是SN75ALS176總線驅(qū)動(dòng)芯片和HCPL7720光耦，HCPL7720光耦是一種比較特殊的光耦，它是雙電源供電，速度最高達(dá)25Mbit。另外在本設(shè)計(jì)中PROFIBUS-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130～165Ω，截面積>0.3 。
PROFIBUS-DP的AS芯片SPC3IC集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)構(gòu)，因此80C31不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)。80C31的主要任務(wù)是對(duì)SPC3進(jìn)行合理的配置、初始化及對(duì)各種報(bào)文的處理。
圖3 通訊轉(zhuǎn)換接口主程序流程圖 由于用于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備要特別考慮抗干擾能力，因此在設(shè)備硬件抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，軟件方面采用指令冗余，設(shè)置軟件陷阱，系統(tǒng)的自檢及軟硬件相結(jié)合的看門狗技術(shù)，保證軟件出軌的自動(dòng)恢復(fù)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 3 結(jié)束語 基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的造紙機(jī)多電機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和控制的精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線使系統(tǒng)各設(shè)備件具有通訊能力，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)強(qiáng)大的軟件功能可縮短工程時(shí)間，提高系統(tǒng)的智能化程度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，并應(yīng)用于大中型紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，降低對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品和軟件的依賴性,加大了造紙行業(yè)中國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)所占的比重,提高具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。在實(shí)際中，用它對(duì)造紙系統(tǒng)進(jìn)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,這對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)安全都具有重要意義。
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