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胡 斌（1974－）
男，自動化工程師，主要從事自動化方面的設計、優化工作，主要研究方向為自動化優化控制、生產信息網絡。
摘要：本文介紹了在PKS系統中PROFIBUS現場總線技術的應用，并采用PROFIBUS-DP總線實現了對ABB公司ACS800變頻器及智能馬達中心M102的控制。文章主要從PKS系統規劃、PROFIBUS網絡組態以及PKS中實現PROFIBUS通訊及設備控制三個方面進行論述。
關鍵詞：PKS；PROFIBUS；變頻器；M102
Keywords: PKS; PROFIBUS; INVERTER; M102
隨著大型PLC、DCS在工廠中的廣泛應用，極大地提高了企業的現代化水平。但由于電氣設備不斷增多，傳統的硬接線方式使得控制室的電纜大量增加，同時電氣設備的干擾問題也較難解決，這給DCS（PLC）、電氣設備的維護帶來了很多問題。而隨著現場總線技術的不斷發展和完善，使得以上難題迎刃而解。PROFIBUS就是一種應用較為廣泛的現場總線技術，它是國際化的開放式現場總線標準，是一種具有廣泛應用范圍的、開放的數字通信系統。
本文主要討論了霍尼韋爾公司PKS系統通過PROFIBUS現場總線實現與ABB變頻器、智能馬達中心（M102-P）通訊、控制的方案。
1 Experion PKS系統規劃
Experion PKS是霍尼韋爾推出的最新的DCS控制系統，它采用基于Windows 2000的服務器,利用高速動態緩存區采集實時數據，融合了最新控制技術、現場總線、高級控制應用等。在現場總線方面支持FF、PROFIBUS、Device NET等多種流行的總線方式，因此具有較強的開放性，與第三方系統、儀表及設備的連接通訊較為方便。
在本套PKS系統中主要由三層網絡組成：FTE冗錯以太網、ControlNet（CNET）網絡、PROFIBUS網絡，如圖1所示。FTE是Honeywell專利技術，使得商用的100Mbps 以太網實現容錯允許所有的單點故障，以及一些多點故障；切換速度可快達1秒，并可提供比普通以太網更多的通訊路徑。ControlNet是一種令牌總線網絡，也采用冗余，通訊速度保持在5Mbits/s（與距離無關）。
編制控制程序的軟件為Control Builder，其組態全部采用圖形化的工具，系統的控制程序是以CM（控制模塊）為基本單位，可以單獨從控制器中上裝、下裝，實現在線修改而不影響設備的正常運轉。在CM中可以加入各種功能塊（包括現場總線功能塊），各功能塊之間可以完成通訊、聯鎖功能。
Experion PKS 至 PROFIBUS DP 的接口通過專用硬件接口卡提供了PROFIBUS網絡至控制器之間的通信路徑。PROFIBUS接口模塊 (PBIM) 是機架安裝的模件，它允許在控制器和 PROFIBUS設備之間的直接連接。PBIM 是 PROFIBUS 網絡中的主設備，其它設備為從設備。PBIM 允許控制器直接訪問 PROFIBUS DP 網絡中的設備。接口模件支持的設備包括電機驅動器（包括變頻器）和編碼器，以及可編程邏輯控制器。
在這套系統，一共采用了三個獨立的PROFIBUS網段，其中兩段通過M102控制普通電機，另外一段與變頻器進行通訊控制。
圖1 PKS系統網絡圖
2 PROFIBUS DP網絡組態
為實現DCS與ABB變頻器及M102的通訊及控制，第一步是在DCS中完成PROFIBUS的網絡組態工作。主要從以下四個方面著手設計組態。
（1） 網絡設計：主要從通訊速率、從站數量、冗余安全幾個方面考慮。由于變頻器與M102的通訊速率不同，并且為了防止變頻器的干擾，我們將變頻器與M102放置在不同的網段；將工藝流程中互為備用的設備放置在不同的網段。
（2） 硬件連接：將各變頻器或M102根據設計連接到相應的PKS系統中的PROFIBUS接口模塊上（主站模塊）。主站模塊通過FLASH－ROM存儲網絡組態，并且支持斷電恢復后自動重新配置從站設備。
（3） 安裝GSD文件：每種PROFIBUS通訊設備都有廠商提供的GSD文件，組態前需要先安裝相應的GSD文件。變頻器及M102的GSD文件分別是ABB_0812.GSD、INTC08DD.gsd。
（4） 組態：將DCS中的主站及從站分別加入到網絡中。設置主站、從站的網絡地址，為各從站選擇正確的模塊，配置主要參數。
2.1 M102的組態設置
根據工藝流程需要將互為備用的電氣設備連接到不同的兩段PROFIBUS網絡中（通過兩塊PBIM組成兩個獨立網絡），通過SST PROFIBUS組態工具完成。將M102的GSD文件加入后，在相應的從站庫中可以看到M102_Motor_Control。
圖2 M102網絡組態圖
圖2為智能馬達中心M102的網絡組態圖，圖中的SST_PFB_CLX_MASTER是PKS系統所帶的PROFIBUS通訊卡，它作為網絡的主站，站號為000。而M102作為從站，站號從001開始。M102支持多種數據結構，通過比較，我們選擇了8字節輸入/2字節輸出的方式，這樣既保證能讀取較多的數據，又不影響網絡速度。
在M102一端通過專用的軟件設置相應的站號（必須與PKS中的相同），對電機的相應參數進行設置，同時對相應輸入、輸出字節進行規定（如指定運行、故障等信號對應的位）。而對于通訊速率則由主站來定，在M102斷電重啟后，可以自動獲取。
2.2 變頻器的組態
我們將變頻器設備與單獨的一塊PBIM相連組成單獨的網絡，其通訊速率可達到1.5Mbps，保證了變頻器控制的可靠、迅速。將變頻器的GSD文件加入后，在相應的從站庫中可以看到ABB_DRVICES_RPBA。
圖3為變頻器PROFIBUS_DP網絡組態圖，與M102類似這里的主站站號為0，變頻器站號從001開始。網絡組態中需要注意的是Modules及Ext. Prms。變頻器共支持PPO1－PPO5五種PPO Module，在這里我們選擇PPO4方式，這種方式能讀取較多的模擬量數據，但不讀取變頻器相關的參數。在參數設置中，需要注意圖中的Operation mode采用圖中所用的Vendor Specific協議，而不能用其默認的Profidrive協議。
在變頻器一端，需要加入RPBA模塊（ABB專用的PROFIBUS通訊模塊），其地址由硬跳線完成（必須與PKS中的相同），在變頻器中對相應的通訊參數進行設置。與M102不同的是變頻器需要進行初始化（以便完成變頻控制功能），必須在DCS中完成，保證變頻器斷電重啟后的通訊正常。
圖3 變頻器網絡組態圖
3 PKS系統中的組態過程
在PKS系統中通過CONTROL BUILD完成組態過程。對于PROFIBUS現場總線通訊、聯鎖控制一共分為四個步驟：
（1） 建立主通訊站，加入功能塊PBIM BLOCK（參見圖4的PBIM_SST）。即加入“物理”的通訊模塊。
（2） 加入虛擬的從站設備塊(參見圖4中的PBI_DEVICE、PROFIDRIVEDEV)，與主通訊站構成一條PROFIBUS通訊網絡。即加入“虛擬”的通訊模塊。
（3） 加入輸入輸出功能塊(參見圖4中的PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN)，對應從站的輸入輸出地址。
（4） 將PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN加入到相應的控制模塊（CM）中，完成相應的聯鎖、控制等功能。
圖4 PKS組態流程圖
具體實施步驟
3.1加入“物理”模塊
即在CONTROL BUILD的工程項目中加入PBIM硬件設備（PBIM_SST）。與其它硬件相同，必須設定每塊PBIM的名稱、所在的CNET網絡位置、所在的機架位置等。由于PBIM實際上是PROFIBUS的主站，因此這里必須配置它所在網絡的各從站的地址、名稱；配置各從站的虛擬模塊、輸入輸出偏移等，如圖5所示。
圖5 PBIM參數設置
3.2 加入“虛擬”模塊
即在工程項目中加入各從站的輸入、輸出I/O模塊。根據實際情況對每一塊M102采用 PBI_DEVICE功能塊，建立AI、DI、DO三種類型的模塊，如S_1_AI、S_1_DO。對于S_1_AI需要設置它所對應的PBIM名稱、站號、模塊號、輸入數據格式、輸入數據大小（字節）等。對于S_1_DO則需要設定輸出數據格式、輸出數據大小。對于變頻器則采用PROFIDRIVEDEV功能塊，建立一個PPO類型為PPO4的模塊即可。
3.3 在CM中完成各種聯鎖控制
每一個CM中可以支持多種功能塊，各功能塊之間通過箭頭線連接。CM之間也可以相互關聯實現較為復雜的控制。CONTROL BUILD軟件還允許用戶定制自己的CM功能塊（這樣可以將大量相同的設備聯鎖進行封裝）。
圖6為一臺變頻器的CM聯鎖功能塊。圖中的PBIN、PBOUT分別是PROFIDRIVEIN、PROFIDRIVEOUT類型的功能塊。PBIN為輸入功能塊，包括變頻器的開關量、模擬量輸入信號；PBOUT為輸出功能塊，包括開關量、模擬量輸出信號以及實現對變頻器的初始化命令（通過對引腳CWRAW賦值為1142）。功能塊M4S_9ADC則是封裝的一個CM塊，在它內部完成對變頻器的開、停聯鎖控制（本文不詳細論述），它的各引腳SA、KM、MR、C分別對應變頻的遠程、運行、準備、命令等狀態信號。通過各連線及顏色可以清晰的判斷各種信號的狀態以及各功能塊之間對應關系，這些對于組態和調試都是非常方便。
圖6 CM功能聯鎖圖
4 結束語
在PKS系統中通過PROFIBUS現場總線完成電氣設備的聯鎖控制，不僅使電纜數量大大減少，而且可以為操作人員提供更多穩定可靠的信號。相信在眾多DCS和電氣廠家的努力下，這種方式將在大、中型企業中廣泛推廣應用。
參考文獻：
［1］PKS系統手冊. 霍尼韋爾公司.
［2］ABB變頻器手冊. ABB公司.
［3］M102技術資料. ABB公司.
［4］楊寧,趙玉剛.集散控制系統及現場總線［M］.北京: 航空航天大學出版社.
作者信息：
胡 斌，侯國峰 （中國鋁業中州分公司，河南 焦作 454174）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號