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

摘要：論述了利用Profibus-DP技術在起重船變頻傳動及其控制系統中的實踐與應用，并詳細介紹Profibus-DP網絡的硬件配置、系統功能和軟件設計,該系統已用于起重船控制系統。實踐證明該系統設計符合要求,整體運行安全可靠、故障率低。

關鍵詞：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場總線，也是目前數據傳輸率較快的一種現場總線,傳輸率可達12Mbit/s，因此在很多領域內有廣泛的應用，也是發展較快的現場總線。Profibus的網絡協議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，只是對第三層到第六層進行簡化。此外它的三種模塊(FMS、DP和 PA) 又可以適應不同的應用對象和通信速率方面的要求，開放性也好。Profibus現場總線基于令牌協議加主從總線的介質存取方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協議決定總線控制權，站點數可達127個。

1　項目簡介

    “起重1號”是2005年投入運營的全交流變頻調速的工程起重船，總起吊能力為500t，主要用于海上起吊重物作業配套服務。其起重控制系統由起升機構、變幅機構、移船機構和索具機構四大部分組成。

    起升機構、變幅機構和移船機構電動機采用起重船用變頻鼠籠異步電動機，其中：起重主鉤2臺、起重副鉤2臺、變幅機構2臺、移船機構8臺。索具機構有2臺索具吊鉤電動機，為普通船用三速起重電動機。變頻電機可遠程控制及本地控制, 遠程控制與本地控制互鎖。起重與變幅不能同時工作。兩臺起重主鉤，可通過電氣控制實現同步工作。

2　控制系統要求

    起重機控制系統采用“工控機+PLC”集散控制方式，通過分布式I/O及通訊適配器與遠程輸入輸出模塊及變頻器交換數據。每個機構電機由變頻器控制，變頻器在接收到PLC發出的啟動指令后，變頻器首先進行零轉速控制，使電機產生零速力矩，變頻器鎖定電機轉子，這時打開抱閘，使重物不會發生溜鉤或提鉤現象。此時在PLC系統收到制動器打開的信號后（安裝在制動器上的限位開關動作），向變頻器發出速度給定指令，斜坡使能，電機開始平穩運行。根據操作者操作的檔位，系統控制電機的旋轉速度。

    起升機構、變幅機構變頻器采用編碼器反饋的閉環控制方式，編碼器信號可及時被PLC采集，PLC根據采集的編碼器信號進行相應的處理，以控制和監測電機旋轉速度，調速比高，從而達到電子式保護的作用。

    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，系統中的PLC主要就是采集現場傳過來的數據，進行數據處理，通過繼電器和接觸器控制現場設備。控制功能主要由PLC來完成。

    PLC將比較重要的數據傳送給操作室的工控機，工控機所采用的監控軟件提供全面直觀的設備工作狀況顯示及監控，速度與電流的動態曲線圖形等；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；記錄分析每個電氣設備的工作頻率與故障頻率，記錄設備每次發生故障時的狀態與工作參數，供進一步分析用。正常時顯示起重機運行參數，并可進行人機對話操作。故障時顯示并記錄故障發生順序、故障發生時間、可能故障點及可能故障原因。既有圖形顯示也有文字顯示。

3　控制系統構成

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

    3.1　硬件配置

    在本系統中采用ET200M分布式I/O，ET200M是模塊化I/O站，可以實現遠程分布式I/O功能，通過接口模塊IM153-1與Profibus-DP現場總線相連。ET200M 的I/O模塊可以連接來自現場的數字或者模擬I/O。組態之后，分布式I/O將如同集中式I/O一樣。

    系統中變頻器采用ABB公司ACS800系列變頻器，其中1號主鉤、1號副鉤由于電機容量相近，不同時工作，采用一臺變頻器拖動以上二臺電機，根據實際操作動態切換。2號主鉤、2號副鉤同樣采用一臺變頻器拖動二臺電機動態切換。因此，2臺主鉤、2臺副鉤共采用兩臺變頻器。變幅機構采用一對一的變頻拖動方式，共有二臺變頻器。移船機構由于8臺電動機工作方式各不相同，因此為每一臺電機各設置一臺變頻器。故本系統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，共5個絕對值編碼器。

    3.2　軟件配置

    軟件配置實際上就是形成整個Profibus-DP網絡的網絡配置,包括網絡波特率、主從站地址及主從關系表等參數。Profibus-DP網絡的配置相當靈活, 網絡允許單子網或多子網配置, 既可以單主-從網絡, 又可多主-從網絡。通過STEP7可對整個網絡進行配置, 設置相關的參數。組建Profibus-DP網絡的設備通過讀取相應GSD文件而加入到同一總線系統中。GSD文件是電子設備數據文件。為了將不同廠家的Profibus產品集成在一起, 生產廠家必須以GSD文件方式提供這些產品的功能參數。GSD文件應該包括三個部分: 總體規范(生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率等)、與DP有關的規范(主站的各項參數)、與DP從站有關的規范(輸入輸出通道數、類型、診斷數據等)。從站與主站之間的通訊是通過使用設備數據庫文件(GSD)實現的。本系統由西門子公司軟件STEP7組成的軟件配置如圖2。

圖2  系統軟件配置圖

    系統具體配置過程如下:

    在西門子STEP7硬件組態的option選項中,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,內有詳細的通訊配置。安裝成功后,就可在西門子STEP7硬件選項的Additional Field Devices中找到剛安裝了GSD文件的DP從站,添加到Profibus網中[2]。 

    3.3　通信編程

    Profibus-DP是主從通訊和令牌通訊的結合，它允許單主從或多主從系統，單主從系統主從站之間采用主從原理通訊。本系統為單主多從型，這種方式的特點是S7－400作為系統主站在工作時間內一直占有總線控制權，與網中的從站進行通訊為純主從式通訊。本系統主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應進行通訊。

    與DP從站的數據通信是通過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網絡頻繁地使用多于4個字節數據結構的相連續的數據區域，因此，與具有復雜功能和復雜數據結構的DP從站的數據通信不能由用戶程序中的簡單I/O存取命令來處理。SIMATIC S7系統提供特殊的系統功能用于與這類DP從站的通信。這就是系統功能SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”[3]。主站PLC可以通過調用SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”來完成和從站的數據交換。

    就該系統中PLC(主站)與1號主鉤變頻器(從站)通訊來說明, 其功能調用圖如圖3所示。它實質上是一個過程數據互連的問題。SFC的參數LADDR是一個指針，它指向要讀出的輸入數據區或指向要寫入的輸出數據區域。在SFC參數中，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程序組態時規定的地址相同，而且這些地址用十六進制數表示。SFC的參數RECORD為CPU上的數據定義相關的源或止的區域，對于輸入和輸出的描述如表1所示。

圖3  功能調用圖

    程序說明：

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

    （2）將從站數據讀入DB15.DBX0.0開始的8個字節(P#DB15.DBX0.0 BYTE 8)，即S7-400讀取變頻器的初始狀態。

    （3）將DB15.DBX30.0開始的8個字節寫入從站(P#DB15.DBX30.0 BYTE 8)，即S7-400發送給變頻器主控制字、速度給定設定值。

    （4）將從站數據讀入DB15.DBX8.0開始的20個字節(P#DB15.DBX8.0 BYTE 20)，即S7-400讀取變頻器的主狀態字、速度實際值、電流實際值。

    表1  SFC14、SFC15外部數據接口

參考文獻

    [1] 葉曉山，PROFIBUS現場總線在工業自動化控制系統中的應用[J].安徽化工,2002,19(3).

    [2] 廖常初，S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,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，上海  200135）    

    王順順，徐方逸(上海港務工程公司，上海  200438)