淺析Profibus-DP在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

王文標(biāo) 張永強 蔡 麒 汪思源

（大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連112026）

0 引言

隨著供暖工藝水平的迅速發(fā)展，如果將傳統(tǒng)的控制技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)場總線融為一體，則將使供熱系統(tǒng)具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、運行方便、成本低等一系列優(yōu)點。其由于良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制性能，已經(jīng)在供熱生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。目前，基于總線的電機變頻調(diào)速技術(shù)又是一項廣泛應(yīng)用的自動控制技術(shù)，它可以確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、更智能地長期運行。所以，將變頻器與總線技術(shù)結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮變頻器的通訊能力，從而更高效地帶動供熱生產(chǎn)過程，是值得研究的一項課題［2］。

本文針對某高校的鍋爐系統(tǒng)，采用Profibus-DP總線對原變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而實現(xiàn)不同廠商變頻器優(yōu)化運行的目的。

1 工業(yè)現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)4～20 m A模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場不同設(shè)備間的通信以及現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的信息傳遞。Profibus是西門子公司自主研發(fā)的，其已成為國際公認(rèn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)［3］。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點分為3種相互兼容的版本：Profibus-FMS、Profibus-PA和Profibus-DP。DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的廉價的通信標(biāo)準(zhǔn)，波特率可達(dá)9.6 kb／s～12 Mb／s，適用于對時間有快速響應(yīng)要求的現(xiàn)場，不同設(shè)備廠家的產(chǎn)品不需要調(diào)整其接口相互之間便可以通訊［4］。

2 硬件及組態(tài)

2.1 變頻器以及通訊卡

變頻器通過將交流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，在供暖中占據(jù)著重要的角色。根據(jù)用戶需求，鍋爐要自動調(diào)整供熱量。為了保證生產(chǎn)的可靠性，鍋爐輸出在設(shè)計驅(qū)動動力時留有一定的富余量。電機輸出需要驅(qū)動動力，多余的力矩便造成電能的浪費。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從N1變到N2時，其電機軸功率（P）的變化關(guān)系如下：P2／P1＝（N2／N1）3，由此可見，降低電機轉(zhuǎn)速理論可得到立方級的節(jié)能效果。變頻器不是能量發(fā)生器，只能通過改變輸出給電機的電流頻率來實現(xiàn)節(jié)電的功能。

在Profibus-DP總線上，使用STEP7組態(tài)時需要通訊卡出廠時配備的gsd文件。gsd文件是Profibus-DP產(chǎn)品的驅(qū)動文件，是不同生產(chǎn)商之間為了互相集成使用所建立的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，是該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的唯一標(biāo)識名。Profibus組態(tài)工具可根據(jù)廠商提供的gsd文件將設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。使用基于gsd的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中，既簡單，又對用戶友好。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的起端和終端需要設(shè)置終端電阻，防止信號在傳輸線中傳輸引起反射波，干擾正常信號。西門子PLC和富士變頻器自帶終端電阻，而施耐德變頻器的終端電阻需要在RS-485連接器上設(shè)置。對變頻器的反饋參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以讀取任意變頻器數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組態(tài)

某高校新改造通訊總線的硬件構(gòu)成分3部分：主站、從站、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路。主站可以用總線發(fā)出和接收數(shù)據(jù)，并訪問總線；從站只能被動接收總線上的命令，并在授權(quán)的情況下向總線發(fā)出數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路包括傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器，本項目使用有屏蔽雙絞電纜光纜，網(wǎng)絡(luò)連接器一般使用RS-485總線連接器，使用RS-485總線協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)?？紤]到現(xiàn)場傳輸線最長不超過50 m，所以對數(shù)據(jù)傳輸波特率不會有限制。工控機與PLC建立MPI網(wǎng)絡(luò)，這是一種比較簡單的通訊方式。電腦端安裝有CP5611通訊卡，在西門子PLC的第一個通訊接口都集成了MPI通訊協(xié)議，不需要編寫任何程序，在個人計算機上設(shè)置一下相關(guān)通訊參數(shù)即可實現(xiàn)通訊功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將富士變頻器的FCSOAOF.gsd文件和施耐德變頻器的TELE09CD.gsd文件加載到STEP7驅(qū)動文件夾，進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，波特率采用系統(tǒng)默認(rèn)的1.5 Mb／s，如圖2所示。按照變頻器硬件地址組態(tài)從站，選擇能夠滿足正常運行需要的PPO類型，按照此PPO類型定義規(guī)則進(jìn)行程序編寫。系統(tǒng)組態(tài)完成之后給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上電，變頻器通訊卡指示燈可以提示總線狀況，顯示從站在線狀態(tài)時，可以將程序下載到PLC對從站進(jìn)行通訊。

3 編程實例

圖2 系統(tǒng)組態(tài)圖

Profibus-DP通信協(xié)議的信息幀由協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾3部分組成。用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被指定為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象類型（PPO），有的用戶數(shù)據(jù)帶有參數(shù)區(qū)域和過程數(shù)據(jù)區(qū)域，而有的用戶數(shù)據(jù)僅僅由過程數(shù)據(jù)組成，該數(shù)據(jù)區(qū)域是經(jīng)常與Profibus-DP主機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的區(qū)域。富士變頻器通訊卡定義了4種PPO類型，選擇運行變頻器典型的類型PPO3。按照Profibus協(xié)議規(guī)定的電動機控制用Profile的PROFIdrive V2流程編寫程序。施耐德變頻器PPO類型只有一個選擇，按照本通訊卡支持的DriveCom流程編寫程序。

4 結(jié)語

供熱鍋爐系統(tǒng)通過采用Profibus-DP總線方式進(jìn)行通訊控制，增強了整個系統(tǒng)的安全可靠性、操作簡便性、后續(xù)維護性，具有更便捷的擴展能力，實現(xiàn)了現(xiàn)場的分布式控制，提高了系統(tǒng)的即時反饋和控制精度，充分利用并發(fā)揮了變頻器的總線通訊能力?；赑rofibus-DP總線通訊的變頻器通訊控制和故障即時反饋在供熱系統(tǒng)中的實現(xiàn)滿足了熱源對生產(chǎn)現(xiàn)場的安全需要，減少了供熱系統(tǒng)熱源側(cè)設(shè)計的成本，并極大地方便了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護，而且可實時查看故障狀況及原因，及時排除故障。

［1］許以軍.基于Profibus-DP總線的變頻器控制系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2004（3）：66～68

［2］杜文軍.PLC對變頻器的控制設(shè)計［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2013（1）：86～87

［3］趙英軍.變頻器在工業(yè)采暖鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（19）：88

［4］張道東.Profibus-DP在變頻器上的應(yīng)用［J］.電氣時代，2005（12）：58～59