ABB ACS800變頻器在中鋁山東分公司種分瑪瑙生產(chǎn)線DCS總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王治剛，張海峰

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山東齊韻有色冶金工程設(shè)計院有限公司，山東淄博255000）

ABB ACS800變頻器在中鋁山東分公司種分瑪瑙生產(chǎn)線DCS總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王治剛1，2，張海峰1

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山東齊韻有色冶金工程設(shè)計院有限公司，山東淄博255000）

文章是中鋁山東分公司種分瑪瑙生產(chǎn)線自控系統(tǒng)下的一個子項目，主要論述ABB ACS800變頻器在其生產(chǎn)線基于Profibus-DP過程現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，并在集中監(jiān)控層應(yīng)用HOLLYSYS公司的人機界面軟件SmartPro進行組態(tài)，從而實現(xiàn)對變頻器的遠程監(jiān)控。

Profibus-DP；MACS3；ABB ACS800變頻器

傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)（DCS）采用電纜和控制柜相連接的集中控制方式，接線和布線變得相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣。變頻器帶有控制線和動力線，多用于大型生產(chǎn)線中，如果進行大規(guī)模的改造，那么重新布線會產(chǎn)生很大的工程量從而消耗較多的費用。ABB Profibus-DP（Decentralized Periphery）總線控制系統(tǒng)省去了大量的柜間連線，具有結(jié)構(gòu)靈活、安裝簡便和設(shè)計方便等優(yōu)點，減少了安裝的費用。而且編程和組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在線故障診斷，在調(diào)試和維護設(shè)備時更方便。

1 現(xiàn)場總線概述

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，近些年來，測控、通信和計算機控制相結(jié)合已經(jīng)成為新的發(fā)展方向?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（FCS）將逐步取代傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)成為新一代的工業(yè)控制系統(tǒng)，這是技術(shù)發(fā)展的必然要求?，F(xiàn)場總線（Field Bus）技術(shù)將專門芯片加到檢測控制設(shè)備中，使其有數(shù)字通訊和計算的功能，采用屏蔽雙絞線作為通訊介質(zhì)，把多個檢測控制設(shè)備用總線模式形成網(wǎng)絡(luò)，依照規(guī)定好的通信協(xié)議，完成現(xiàn)場儀表和多個檢測設(shè)備以及遠程計算機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)和信息交流，進而產(chǎn)生滿足各種生產(chǎn)需要的自動化控制系統(tǒng)[1]。

Profibus是1987年，德國工業(yè)技術(shù)開發(fā)部提出了一種現(xiàn)場總線作為國家標(biāo)準(zhǔn)，以便滿足以下目標(biāo)：雙向交換數(shù)據(jù)信息、自診斷參數(shù)等，使得數(shù)字化更精確；減少I/O和A/D實際點數(shù)以降低成本，方便操控。Profibus不同于 HART（Highway Addressable Remote Transducer），它以常用的RS-485通信模式作物理層，用便宜的雙絞線就可實現(xiàn)令牌模式的通信。

2 案例廠家的自控方案

廠家所采用的生產(chǎn)線工藝流程比較復(fù)雜，控制設(shè)備分布在三層廠房內(nèi)，位置相對分散而且數(shù)量多，采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量的電纜，設(shè)計、施工、調(diào)試和后期的維護都比較麻煩。經(jīng)過綜合考慮采用管控一體化的自控系統(tǒng)，系統(tǒng)由設(shè)備控制層、集中監(jiān)控層和生產(chǎn)管理層三部分構(gòu)成：（1）設(shè)備控制層，主要是來控制底層設(shè)備，由 ABB的Profibus-DP網(wǎng)組成；（2）集中監(jiān)控層，由主站的HOLLYSYSDCS控制系統(tǒng)，可以通過插槽上的模塊監(jiān)控和控制生產(chǎn)設(shè)備；（3）生產(chǎn)管理層，通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)管理層和集中監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，監(jiān)控機工作站、數(shù)據(jù)處理機、服務(wù)器、打印機以及工程師站均在同一個工業(yè)以太網(wǎng)上，與底層的設(shè)備控制層共同構(gòu)成了三級管控一體化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)主站DCS是采用HOLLYSYS公司的MACS3控制系統(tǒng)，其上配置一塊FM1021DP模塊通過DP雙絞電纜與ABB ACS800變頻器上的NPBA-01通訊模塊進行通信[2]。

圖1 DCS系統(tǒng)拓撲圖

從以上配置來看采用Profibus-DP總線，不需要昂貴的連接線路，可以降低成本且容易開發(fā)。若變頻器放置在本地不與總線連接，通過DCS輸入輸出模塊連接會導(dǎo)致連接電纜較多，變頻器和控制總線連接會導(dǎo)致I/O點浪費，增加了模塊數(shù)，設(shè)備空間加大了投資。如果使變頻器和總線直接通過通訊卡NPBA-01直接連接只需要增加少量投資，可以實現(xiàn)遠程控制，包括本地和主控室模式的手自動設(shè)置和頻率的設(shè)置，自動化程度高。

3 DCS硬件的模塊安排和控制系統(tǒng)的通訊協(xié)議

3.1 DCS硬件的模塊安排

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

該實現(xiàn)方案以和利時公司的DCS和ABB公司的變頻器來實現(xiàn)數(shù)字式的交流調(diào)速模式的系統(tǒng)。用Profibus-DP網(wǎng)中的通訊協(xié)議及控制形式實現(xiàn)。圖2（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配備布置圖）為該系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)配備布置圖，其中DCS為和利時公司的MACS3系統(tǒng)，變頻器為ABB公司的800類型，NPBA-01模塊為與變頻器配套的通訊功能塊。下位程序軟件為MACS3系統(tǒng)中的ConMake軟件，用于對MACS3控制程序編寫和對Profibus-DP網(wǎng)來編寫程序以及通訊配備布置。上位電腦的畫面操作界面采用FacView進行畫面編寫和操作，上位電腦與DCS傳遞數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)通訊模式。

3.2 控制系統(tǒng)通訊協(xié)議

在本控制系統(tǒng)中，MACS3作為主控制站，變頻器為從控制站，主控制站向變頻器發(fā)出控制命令，同時接收變頻器傳上來的頻率、電流的數(shù)值和設(shè)備運行的狀態(tài)信號及設(shè)備故障報警的狀態(tài)。變頻器與NPBA-01通訊裝置從變頻器前面的端子連接端口上安裝，接進DCS控制系統(tǒng)中的Profibus-DP總線控制網(wǎng)絡(luò)中作為從控制站，接受從主控制站MACS3來的控制。NPBA-01通訊裝置將從總線控制網(wǎng)中收到的不同數(shù)據(jù)存進存儲區(qū)中，控制量中的每一個字都被定義地址，向變頻器寫入控制字、設(shè)置值或讀出狀態(tài)字、電流頻率的實際值、其他菜單信息等參量。總線通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)構(gòu)成分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議層[3]。 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即PPO包括交換數(shù)據(jù)EZD和變頻設(shè)備參數(shù)指標(biāo)值EKW。參數(shù)指標(biāo)值EKW是變頻設(shè)備正常運行時要安排設(shè)立的一些參數(shù)變量。交換數(shù)據(jù)EZD是變頻設(shè)備工作中要寫入/寫出的某些反饋量、控制值，如控制頻率的值、現(xiàn)場速度顯示值、現(xiàn)場電流顯示值等。Profibus-DP分為兩種模式的網(wǎng)絡(luò)PPO模型：一種是無EKW字，而有2或6個字的EZD；一種是有EKW字，還有2或6個字或10個字的EZD。將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型這樣安排的原因，是為了實現(xiàn)各種的功能，所以EKW和EZD在傳遞進程中互不干擾，分別獨立傳輸。

4 ConMake系統(tǒng)編寫及通訊的程序編寫

1）利用ConMake編寫軟件，利用Hardware Configure功能項設(shè)置MACS3硬件組態(tài)。

2）選定MACS3為主站，將NPBA-01的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫）文件導(dǎo)入ConMake的設(shè)備庫中，軟件組態(tài)NPBA-01模塊添加到以MACS3為主站的DP總線網(wǎng)絡(luò)上，在其屬性設(shè)置中選定使用的PPO類型，（如圖3，ABB變頻通訊硬件導(dǎo)入組態(tài)所示）。本工程使用PPO4，設(shè)定NPBA-01網(wǎng)絡(luò)地址，ABB變頻設(shè)備采用Profibus-DP通信設(shè)備（NPBA-01）完成數(shù)據(jù)傳遞，主要是主站模型性、規(guī)律性是從從站讀取輸入數(shù)據(jù)并把輸出數(shù)據(jù)反傳給從站，因而可以在DCS主程序中可編寫一個固定的控制模塊ACS800。各個變頻器與 DCS的通訊可以通過調(diào)用功能塊ACS800來讀寫這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)到變頻器的控制，見圖4。

圖3 ABB變頻通訊硬件導(dǎo)入組態(tài)

圖4 主程序功能塊

3）在主DCS程序中建立一個數(shù)據(jù)塊，用于變頻器的數(shù)據(jù)交換，見圖5。建立一變量表，用于觀測實時通訊效果并判斷數(shù)據(jù)的正確與否。

圖5 數(shù)據(jù)通訊程序

5 變頻器運行設(shè)置

變頻器通訊參數(shù)設(shè)定變頻器與 DCS應(yīng)用Profibus-DP現(xiàn)場總線聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)后，除在DCS中進行編程外，在每個變頻器上都要做相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

5.1 變頻器基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定

1）變頻器的參數(shù)組51.01項是用來設(shè)定通訊模塊類型的，這一項顯示由變頻器內(nèi)部裝置探測到的模塊型號，其參數(shù)值不用設(shè)定。如果本參數(shù)項沒有顯示內(nèi)容，則表示變頻器與DCS沒有建立通訊。

2）51.02項，本參數(shù)項為通訊的協(xié)議類型選擇，設(shè)定“0”為選定Profibus-DP通訊協(xié)議。

3）51.03項，參數(shù)項選擇的PPO通訊的類型給Profibus，變頻器上的PPO類型應(yīng)與DCS上編程的選擇的PPO類型一致，“3”為PPO4通訊類型。

4）51.04項，本參數(shù)項用于定義通訊裝置地址號，即變頻器的從站點地址數(shù)值，設(shè)定地址是按照在DCS程序中設(shè)定的，及假如最后一個控制模塊為n則變頻器中依次為n+1，2，3···n[4]。在Profibus線路上的每一臺設(shè)備都必須有一個獨自的地址，不能重復(fù)。

5.2 變頻器數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)的設(shè)置

包括從站（變頻器）到主站（DCS）的連接和主站（DCS）到從站（變頻器）的連接。

1）DCS接收的變頻器發(fā)送的EZD值。EZD1-狀態(tài)字，如變頻器工作情況、不正常報警、錯誤故障等；EZD2-變頻器的工作頻率值、現(xiàn)場電流值等。

2）變頻器接受的DCS發(fā)送的EZD值。EZD1-控制字，如變頻器的急停、開啟、暫停等控制命令；EZD2-變頻器的工作頻率給定值。

6 結(jié)束語

ABB變頻器控制系統(tǒng)采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線控制模式后，不但整個系統(tǒng)可靠性強，操作簡便，而且可根據(jù)工藝需要進行靈活的功能修改。該系統(tǒng)在中鋁山東分公司種分瑪瑙生產(chǎn)線應(yīng)用以后，運行效果良好，為今后中國鋁業(yè)公司的自動化設(shè)備提供了一個成功的典范。

[1]繆學(xué)勤.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)最新進展[M].上海：上海工業(yè)自動化儀表研究所，2004.

[2]北京：ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司.ABB變頻器手冊[S].2006.

[3]徐日良，許建華.PROFIBS現(xiàn)場總線技術(shù)在電爐連鑄控制中的實現(xiàn)[J].浙江冶金，2012，2（1）：18-20.

[4]李全林.西門子PLC與ABB變頻器之間的現(xiàn)場總線通訊技術(shù)應(yīng)用[J].機械管理開發(fā)，2011，8（4）：203-205.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

The Application of ABB ACS800 Transducer in DCSControl System

WANG Zhi-gang1，2，ZHANG Hai-feng1
（1.College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi，030024；2.Shandong Qiyun Nonferrous Metallurgic Engineering Desing Co.，Ltd，Zibo Shandong，255000）

In this article the author generally introduces the application of ABB ACS800 trnsducer in FCS control system of seed precipitation plant in Shandong branch of Chinese aluminium company，which is an accessory project of plant control system.Configuring drivers with HOLLYSYS SmartPro software in the monitor and control level of control system，the remote monitor and control of transducer is finished.

Profibus-DP；MACS3；ABB ACS800 transducer

TP273

A

1674-0874（2012）04-0062-04

2012-02-06

王治剛（1979-），男，山東聊城人，碩士，工程師，研究方向：電氣自動化。