基于PROFIBUS_DP的變頻控制系統(tǒng)在螺旋卸車機(jī)中的應(yīng)用

楊志 楊明漢

摘 要：該文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例介紹了PROFIBUS- DP現(xiàn)場總線控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，并對PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測。將PROFIBUS的優(yōu)點(diǎn)（開放性、低成本等）與變頻驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性二者相結(jié)合，不僅可以降低施工的成本，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，安裝調(diào)試的過程也相對簡單許多。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中前景非常廣泛。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線 變頻調(diào)速 RPBA-01 PROFIBUS-DP 適配器模塊 脈沖編碼器接口模塊RTAC-01

中圖分類號：TB6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0068-02

1 螺旋卸車機(jī)的系統(tǒng)要求及構(gòu)成

螺旋卸車機(jī)是一種安全、高效的現(xiàn)代卸料設(shè)備，廣泛用于火電廠、港口、礦山、鋼鐵廠列車裝載的散裝物料（煤、礦）的卸車。由于變頻調(diào)速技術(shù)在電氣控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，設(shè)備控制系統(tǒng)的好壞將直接影響用戶生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此必須先進(jìn)可靠。運(yùn)用PROFIBUS-DP總線技術(shù)的控制信息是純數(shù)據(jù)化的，把硬件、線纜、電路的數(shù)量進(jìn)行了簡化。提高了控制系統(tǒng)可靠性。文章以襄樊電廠螺旋卸車機(jī)控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)描述了PROFIBUS_DP的變頻控制系統(tǒng)在卸車機(jī)中的應(yīng)用。

襄樊電廠卸煤所用螺旋卸車機(jī)系統(tǒng)包括大車移動(dòng)、卸車臂升降、卸車斗旋轉(zhuǎn)3部分。其中大車移動(dòng)采用4臺(tái)25 kW的立式變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降系統(tǒng)采用2臺(tái)20 kW的臥式變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用1臺(tái)30 kW的臥式變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)均采用一拖一（一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)）控制的方法。

根據(jù)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，其控制機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信是通過PROFIBUS進(jìn)行的。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)中的選用ABB公司的ACS800系列的變頻調(diào)速器，并增加了RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器擴(kuò)展模塊。PLC控制系統(tǒng)主要采用的是施耐德公司的昆騰系列，總線模塊配置的是140 CRP 81100 PROFIBUS-DP。

2 使用PROFIBUS后的變頻控制系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)是由13家公司（西門子等）組成的ISP組織提出的一種全開放式的現(xiàn)場系統(tǒng)總線，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高速的數(shù)據(jù)傳輸率、較好的抗干擾性幾個(gè)特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)采用帶有主/從關(guān)系的令牌傳送原理進(jìn)行訪問，令牌由主站來接受，數(shù)據(jù)交換則由主站與從站之間周期性地進(jìn)行。

與傳統(tǒng)控制方式相比，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）整個(gè)系統(tǒng)的通訊可以用光纖、雙絞線等多種傳輸介質(zhì)，不同工況都可適應(yīng)。（2）多臺(tái)變頻器在系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸只用一條物理傳輸介質(zhì)完成，大量的現(xiàn)場接線的線材和人工費(fèi)用被節(jié)省下來，大幅降低了工程造價(jià)的同時(shí)也簡化了安裝過程。（3）采用數(shù)字化的信號傳輸技術(shù)，信號的數(shù)據(jù)衰減和共模干擾被避免了，糾錯(cuò)和檢錯(cuò)功能得以實(shí)現(xiàn)，傳輸信號的可靠性和精度也大幅提高。（4）可以由上一級自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用軟件直接控制變頻器的運(yùn)行，當(dāng)現(xiàn)場工況改變時(shí)，不用重新布線，只需要修改應(yīng)用軟件即可，系統(tǒng)的可維護(hù)性非常好，維護(hù)起來也很方便。（5）PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)具有開放的特性，這樣在同一總線上，不同廠家的變頻器都可掛運(yùn)行，兼容性非常好。

3 系統(tǒng)控制的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

下面以螺旋卸車機(jī)的大車移動(dòng)為例對系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成進(jìn)行說明。大車移動(dòng)系統(tǒng)中共有4臺(tái)變頻電機(jī)，自動(dòng)化系統(tǒng)的主站是PLC，從站為變頻器，把4臺(tái)變頻器都掛在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)里。它們之間采用主從方式構(gòu)建，由PLC控制主變頻器，其余3臺(tái)變頻器與主變頻器進(jìn)行通信，并跟隨動(dòng)作。在運(yùn)行中，PLC主站把主變頻器的指令傳給從站，并接收變頻器反饋的運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警狀態(tài)信號。

系統(tǒng)內(nèi)主要通訊的傳送是由RPBA-01 PROFIBU-DP適配器模塊來進(jìn)行的。該模塊是ABB ACS800系列變頻器的一個(gè)可選設(shè)備，它可以將傳動(dòng)單元連接到一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，傳動(dòng)單元被識別為從屬設(shè)備。通過RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器模塊，可以進(jìn)行以下幾種方式的操作。

（1）把（啟動(dòng)、停止、運(yùn)行等）控制命令發(fā)給傳動(dòng)單元。（2）把轉(zhuǎn)矩或速度的設(shè)定參數(shù)發(fā)送給傳動(dòng)單元。（3）把一個(gè)過程給定信號或一個(gè)過程實(shí)際值發(fā)送給傳動(dòng)單元的PID調(diào)節(jié)器。（4）把狀態(tài)信號和實(shí)際值從傳動(dòng)單元中讀取出來。（5）改變傳動(dòng)的參數(shù)值。（6）對傳動(dòng)單元進(jìn)行故障復(fù)位。

RPBA-01連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中是靠一個(gè)九針連接器X1。PROFIBUS總線適配器模塊可以支持9.6 kbit/s、19.2 kbit/s、45.45 kbit/s、93.75 kbit/s、187.5 kbit/s、500 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s的通訊速率。所使用的通訊速率和PPO類型，RPBA-01能自動(dòng)檢測。

4 系統(tǒng)的通信協(xié)議

PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信通過“參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象”（PPO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成。PPO包括過程數(shù)據(jù)（PZD）和參數(shù)識別值（PKW）2部分，其中PKW用于讀、寫參數(shù)值，PZD包括控制字、設(shè)定值、狀態(tài)值和實(shí)際值。PZD與PKW的傳輸各自獨(dú)立工作，互不影響。

參數(shù)識別：IND數(shù)組索引號；ID-參數(shù)識別；VALUE-參數(shù)值（4字節(jié)最多）。

過程數(shù)據(jù)：SW-狀態(tài)字（由從機(jī)到主機(jī)）；CW-控制字（由主機(jī)到從機(jī)）；ACT-實(shí)際值（由從機(jī)到主機(jī)）；REF-給定值 （由主機(jī)到從機(jī)）；PZD-過程數(shù)據(jù)（用戶指定由主機(jī)到從機(jī)的輸出，由從機(jī)到主機(jī)的輸入）；DW-數(shù)據(jù)字；DS-數(shù)據(jù)集。

對于參數(shù)識別值（PKW），文獻(xiàn)[1]給出了具體的請求標(biāo)識和響應(yīng)標(biāo)識的準(zhǔn)確描述，通過結(jié)構(gòu)的組合，PLC可以對變頻器的不同地址的參數(shù)進(jìn)行訪問與讀寫，變頻器予以應(yīng)答。

5 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)其他問題處理

螺旋卸車機(jī)系統(tǒng)中變頻器的干擾問題，一直是卸車機(jī)程控需要考慮的首要問題。盡管該系統(tǒng)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中PLC與變頻器的通訊采用了DP總線（6XV183001 HE00），克服了PLC與變頻器之間的直接干擾。但由于卸車機(jī)系統(tǒng)的本身工況決定了它還存在其他的途徑干擾，由于拖動(dòng)電機(jī)和車體的控制信號都是通過滑纜，動(dòng)力回路和控制回路不可能分開布置，又因變頻器功率很大、干擾信號強(qiáng)，在設(shè)備投入運(yùn)行后偶爾出現(xiàn)變頻器對PLC輸入模塊輸入信號的干擾問題，這樣就存在很大的安全隱患。通過現(xiàn)場的實(shí)際檢測，為不影響設(shè)備運(yùn)行的情況，不做很大的硬件接線的改動(dòng)，研究人員在PLC輸入模塊的輸入點(diǎn)上并上合適的電容，將變頻器高次諧波濾掉，消除了干擾。另外，為了獲取螺旋卸車機(jī)每臺(tái)電機(jī)軸的精確速度，保證它們的出力均勻，研究人員在每臺(tái)ACS800變頻器上增加脈沖編碼器接口模塊RTAC-01，為每臺(tái)變頻電機(jī)配置了光電編碼器RVI58N-011K1R61N-1024（倍加福產(chǎn)品）與之連接。如此，整個(gè)螺旋卸車機(jī)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，使系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn)、更可靠。

6 結(jié)語

襄樊螺旋卸車機(jī)整個(gè)系統(tǒng)采用了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制。PLC通過PROFIBUS-DP對變頻傳動(dòng)進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行可靠。將變頻驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性與PROFIBUS的開放性、低成本等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，隨著工業(yè)自動(dòng)化控制中的網(wǎng)絡(luò)化普及，有巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄔寬明.現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2] PROFIBUS-DP適配器模塊RPBA-01用戶手冊[Z].