Profibus－DP在翻車機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

盧秉娟，王燕，趙紅兵

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系，河南 洛陽(yáng) 471023；2.華能沁北電廠 燃料部，河南 濟(jì)源 454662）

1 引言

翻車機(jī)是一種大型高效的機(jī)械化卸車設(shè)備，主要用于翻卸鐵路敞車所裝載的煤、礦石等塊狀及顆粒物料，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、冶金、港口等大型企業(yè)中。在保證安全穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)快速卸車，提高設(shè)備的自動(dòng)化、智能化，增強(qiáng)運(yùn)行的可靠性，并具有同上位控制計(jì)算機(jī)通信的能力，已成為翻車機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和要求。

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，過(guò)程控制逐漸由集散控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)發(fā)展。目前，較有影響力的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN，Lonworks，DeviceNet，Profibus，HART 等［1］，其中，Profibus總線由于其獨(dú)特的技術(shù)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。Profibus提供了Profibus－DP，Profibus－FMS，Profibus－PA 3 種 通 訊 協(xié) 議 類 型［2］。Profibus－DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速數(shù)據(jù)通信，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和分散的設(shè)備級(jí)I／O之間通信而設(shè)計(jì)。

2 翻車機(jī)控制系統(tǒng)

翻車機(jī)按翻卸形式可分為轉(zhuǎn)子式、側(cè)傾式、端傾式和復(fù)合式，目前國(guó)內(nèi)火電廠普遍采用轉(zhuǎn)子式，主要類型有FZ150.0型、M2型、KFJ型及ZFJ型等［3］。華能某電廠選用FZ1－3AC型轉(zhuǎn)子式翻車機(jī)，額定卸車重量100t，回轉(zhuǎn)速度1.0r／min，卸車速度22～25節(jié)／h。翻車機(jī)本體靠車、壓車、夾輪器、漲輪器均采用液壓裝置控制，靈活可靠，對(duì)車皮無(wú)損傷。

整個(gè)翻車機(jī)控制系統(tǒng)由翻車機(jī)、撥車機(jī)、遷車臺(tái)、推車機(jī)、夾輪器5個(gè)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，撥車機(jī)實(shí)現(xiàn)重車的牽引，遷車臺(tái)和推車機(jī)實(shí)現(xiàn)空車的轉(zhuǎn)移，翻車機(jī)本體完成重車卸料，其中夾輪器用于固定重車，防止作業(yè)過(guò)程中重車溜車。翻車機(jī)卸車系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。

圖1 翻車機(jī)卸車系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 The flowchart of the car dumper system

3 Profibus－DP總線通信的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線

Profibus－DP主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站為主／從方式。通信頻率為9.6kb／s～12.0Mb／s，通信距離為100～1 200m，每段可掛32個(gè)站，最多允許127個(gè)站。每個(gè)Profibus－DP系統(tǒng)包括以下3種不同類型設(shè)備［4－5］。

1）一類 DP主站。中央控制器（如PC，PLC），在預(yù)定的周期內(nèi)與分散的站交換信息，并對(duì)總線通信進(jìn)行控制和管理。

2）二類DP主站。指編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，是DP網(wǎng)絡(luò)中的編程、診斷和管理設(shè)備。二類主站除了具有一類主站的功能外，在與一類DP主站進(jìn)行通信的同時(shí)，可以讀取DP從站的輸入／輸出數(shù)據(jù)和當(dāng)前的組態(tài)數(shù)據(jù)，給DP從站分配新的總站地址。

3）DP從站。指進(jìn)行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備（分布式I／O，PLC，帶Profibus－DP接口的其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備），只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，向該主站報(bào)告本地診斷中斷和過(guò)程中斷。

3.2 翻車機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翻車機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了3種傳輸方式：1）運(yùn)行人員操作站、工程師站通過(guò)以太網(wǎng)和CPU進(jìn)行通訊；2）Control Net實(shí)現(xiàn)I／O模塊和CPU之間的通訊；3）對(duì)變頻器和編碼器的控制則由Profibus－DP總線完成。翻車機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 翻車機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the car dumper control system

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)一級(jí)主站選用AB公司的1756Control Logix系列PLC，采用Logix 5561處理器作為中央控制器，通過(guò) MVI56－PDPMV1通迅模塊與總線相連，負(fù)責(zé)讀取總線上所有變頻器狀態(tài)字及編碼器實(shí)時(shí)值，同時(shí)向變頻器發(fā)控制字；采用雙CPU熱備（一旦主CPU出現(xiàn)故障，瞬間切換至從CPU工作）。

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)二級(jí)主站通過(guò)以太網(wǎng)和CPU進(jìn)行通訊，工程師站對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、編程和診斷；操作員站采用研華工控機(jī)和 Wonderware InTouch組態(tài)軟件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控。

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)從站包括9個(gè)ACS800變頻器和1個(gè)倍加福PVM系列絕對(duì)式編碼器。變頻器通過(guò)RPBA－01總線適配器模塊與主站DP接口組成Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)。DP網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，主站通過(guò)RPBA－01適配器可實(shí)現(xiàn)以下功能：向變頻器發(fā)送控制命令（啟動(dòng)、停止、允許運(yùn)行等）及速度和轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)；向變頻器的PID轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器發(fā)送1個(gè)過(guò)程實(shí)際值或1個(gè)過(guò)程給定信號(hào)；從變頻器讀取狀態(tài)信號(hào)或?qū)嶋H值；改變傳動(dòng)參數(shù)值等。絕對(duì)式編碼器作為撥車機(jī)位置檢測(cè)元件，內(nèi)部集成了Profibus－DP接口，可與總線直接相連，從而實(shí)現(xiàn)撥車機(jī)動(dòng)作控制。

4 Profibus－DP總線通信的軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)通信格式

在翻車機(jī)系統(tǒng)中，變頻器通過(guò)適配器模塊RPBA－01與PLC按主從模式進(jìn)行通信，在周期性通信中，主站從從站讀取輸入信息并把輸出信息發(fā)送給從站。Profibus－DP通信協(xié)議的信息幀分為協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾；用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被指定為 PPO（Parameter／Process Data Objects，即：參數(shù)／過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）。PPO由參數(shù)區(qū)PKW和過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD構(gòu)成，PKW是變頻器運(yùn)行要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加／減速時(shí)間等；PZD是變頻器運(yùn)行過(guò)程中要輸入輸出的數(shù)據(jù)值，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值。根據(jù)有無(wú)參數(shù)區(qū)及過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)短可以將PPO分為5種不同的類型［6］。PPO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型如圖3所示，圖3中每個(gè)空格代表1個(gè)字（2個(gè)字節(jié)）。

圖3 PPO消息類型Fig.3 Types of PPO messages

其中，參數(shù)區(qū)PKW包括：ID——參數(shù)標(biāo)識(shí)；IND——參數(shù)子索引；VALUE——參數(shù)值。過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD包括：CW——控制字；SW——狀態(tài)字；REF——給定值；ACT——實(shí)際值；PZD3～PZD10——過(guò)程數(shù)據(jù)，由用戶自行定義。

本系統(tǒng)選擇PPO4作為從站和主站的數(shù)據(jù)傳輸格式，這種類型沒(méi)有參數(shù)識(shí)別值PKW，只有6個(gè)字的過(guò)程數(shù)據(jù)PZD。在主站發(fā)送給從站的請(qǐng)求報(bào)文中，通過(guò)對(duì)控制字CW的設(shè)置可以對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位等操作；而給定值REF通常用作速度參考；過(guò)程數(shù)據(jù)PZD3～PZD6在變頻器參數(shù)51.05，51.07，51.09，51.11中定義后分別對(duì)應(yīng)：CONST SPEED 1，CRIT SPEED SEL，CRIT SPEED 1LOW，CRIT SPEED 1 HIGH。在從站給主站的應(yīng)答報(bào)文中，通過(guò)讀取狀態(tài)字SW可以判斷從站是否故障和有無(wú)警告等信息；實(shí)際值A(chǔ)CT是來(lái)自變頻器的實(shí)際值；而過(guò)程數(shù)據(jù)PZD3～PZD6在變頻器參數(shù)51.06，51.08，51.10，51.12中定義后分別對(duì)應(yīng)：CURRENT，TORQUE，POWER，DC BUS VOLTAGE。

4.2 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)除了物理搭建外，還需在AB PLC的編譯軟件RSLogix 5000以及DP模塊組態(tài)軟件ProSoft Configuration Builder（PCB）中進(jìn)行硬件組態(tài)，給定地址。步驟如下：1）下載ABB變頻器GSD文件ABB＿0812.GSD文件；2）安裝PCB軟件，導(dǎo)入GSD文件，新建文件，配置DP網(wǎng)絡(luò)；3）導(dǎo)出 DP網(wǎng)絡(luò)配置文件.cnf；4）在RSLogix 5000中導(dǎo)入.cnf文件，分配地址。

4.3 變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

變頻器與Profibus－DP連成網(wǎng)絡(luò)后，除了在上一級(jí)PLC自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行編程和常規(guī)的電氣參數(shù)設(shè)置外，每個(gè)變頻器也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)配置。

1）使用RPBA－01適配器模塊的旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)地址開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置站地址。地址號(hào)為兩位數(shù)，范圍為：00～99。其中，“10x”開(kāi)關(guān)用來(lái)設(shè)定地址高位，“1x”開(kāi)關(guān)用來(lái)設(shè)定地址低位。當(dāng)選擇00時(shí)，從站地址則由傳動(dòng)通信參數(shù)組中參數(shù)定義。

2）配置變頻器主要參數(shù)，使其置于DP網(wǎng)絡(luò)工作模式，如表1所示。

表1 ACS800變頻器主要參數(shù)配置Tab.1 Configuration of main parameters of the ACS800converter

4.4 程序示例

PLC主站通過(guò)向翻車機(jī)變頻器發(fā)送控制字CW控制翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)的流程如下，相應(yīng)梯形圖如圖4所示。

圖4 控制字CW控制翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)梯形圖Fig.4 Ladder diagrams of the car dumper controlled by CW

1）初始化變頻器控制字CW，即向ABB傳動(dòng)通信協(xié)議的控制字CW中寫(xiě)入1 142（十進(jìn)制）。

2）PLC發(fā)翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)方向工作指令，即向ABB傳動(dòng)通信協(xié)議的控制字CW中第0，3，10位激活；控制字CW變?yōu)? 151。

3）給定頻率，即主機(jī)向ABB傳動(dòng)通信協(xié)議的給定值REF中寫(xiě)入－4 000，變頻器輸出速度，翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)。

4）停止翻轉(zhuǎn)，即主機(jī)向ABB傳動(dòng)通信協(xié)議的給定值REF中寫(xiě)入0。

5）變頻器停止工作轉(zhuǎn)第一步。

5 結(jié)論

翻車機(jī)控制系統(tǒng)采用Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PLC和變頻器、編碼器之間的分布式控制，網(wǎng)絡(luò)速度快，可靠性高，減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜的數(shù)量和接線工作量，方便了系統(tǒng)的安裝和維護(hù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)效率及自動(dòng)化水平。

［1］ 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］ 周志敏，紀(jì)愛(ài)華.Profibus總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［3］ 李兆生，鐘煒勍，朱仕政.翻車機(jī)程控系統(tǒng)技術(shù)改造［J］.熱力發(fā)電，2004，33（10）：75－76.

［4］ 陳月婷，何芳.Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及發(fā)展分析［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，21（3）：226－230.

［5］ 徐世彬，劉煥東，龐銳.基于Profibus總線的污水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2009，36（3）：79－80.

［6］ ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司.Profibus DP適配器模塊RPBA－01［Z］.北京：2005.

修改稿日期：2012－01－25