Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在番茄醬廠螺桿泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡　兵王小娟

(1. 新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊　830011；2. 新疆工程學(xué)院基礎(chǔ)部，新疆 烏魯木齊　830011)

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Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在番茄醬廠螺桿泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡兵1王小娟2

(1. 新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊830011；2. 新疆工程學(xué)院基礎(chǔ)部，新疆 烏魯木齊830011)

螺桿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度對(duì)番茄醬的加工品質(zhì)有著重要影響，為了對(duì)螺桿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出了一種基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制方法。該方法采用以觸摸屏為上位機(jī)、PLC為控制器，并以變頻器作為執(zhí)行器的應(yīng)用系統(tǒng)方案，給出調(diào)試步驟，對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)控螺桿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。系統(tǒng)的應(yīng)用保證了螺桿泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化管理，延長(zhǎng)了螺桿泵的使用壽命，節(jié)省電能，為同類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)備的自動(dòng)控制提供參考。

螺桿泵；番茄醬；PLC；MCGS；變頻器

目前新疆已經(jīng)成為中國(guó)番茄制品的主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量約占全國(guó)番茄制品總量的90%[1]。番茄制品的加工工藝基本相同，有前處理、蒸發(fā)、閃蒸、灌裝等工藝流程。在前處理階段，清洗干凈的番茄要從選臺(tái)進(jìn)入番茄料斗，經(jīng)螺桿泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行初次破碎，在此，螺桿泵電動(dòng)機(jī)的精確控制十分必要，若料斗中的番茄多，螺桿泵電動(dòng)機(jī)速度慢，番茄破碎不徹底，影響番茄的后期預(yù)處理和精振，這種情況下番茄也容易從料斗中溢出，需要有專(zhuān)人打掃場(chǎng)地；若料斗中的番茄少，螺桿泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，又會(huì)損壞絲桿，且能源損耗較大。

目前，對(duì)解決破碎階段螺桿泵電動(dòng)機(jī)控制問(wèn)題的研究較少，僅有杜玉峰[2]研究了破碎階段冷破碎和熱破碎對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程其他工藝的影響。Profibus-DP總線(xiàn)具有抗干擾能力強(qiáng)，全數(shù)字化通信和減少布線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，借助于Profibus-DP總線(xiàn)連接PLC和變頻器，利用變頻器靈活的調(diào)速性實(shí)現(xiàn)螺桿泵電動(dòng)機(jī)速度的精確控制[3]。觸摸屏具有圖形化的交互界面，采用觸摸屏作為上位機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)顯示螺桿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率，減少人力資本。

1　系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)控制要求

番茄加工前處理階段工藝圖見(jiàn)圖1。經(jīng)清洗后的番茄在提升機(jī)的作用下進(jìn)入選臺(tái)，在選臺(tái)上除去雜質(zhì)和青果子之后，番茄進(jìn)入料斗，料斗底部有螺桿泵，螺桿泵帶動(dòng)絲桿刀片快速破碎番茄，為了精確控制螺桿泵電動(dòng)機(jī)，需滿(mǎn)足如下要求：

① 當(dāng)料斗中番茄少時(shí)，螺桿泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速慢；當(dāng)料斗中番茄多時(shí)，螺桿泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快；

② 控制室距離料斗較遠(yuǎn)，為了減少系統(tǒng)布線(xiàn)，需要采用總線(xiàn)控制螺桿泵的啟動(dòng)、停止；

③ 能夠在人機(jī)界面上控制螺桿泵的啟停，并顯示螺桿泵電機(jī)運(yùn)行的故障信息和狀態(tài)信息；

④ 運(yùn)行過(guò)程中，物料超限時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警。

1. 提升機(jī)支架2. 提升機(jī)3. 選臺(tái)4. 選臺(tái)支架5. 擋板6. 超聲波傳感器7. 料斗8. 螺桿泵

圖1破碎階段的工藝圖

Figure 1Process diagram of crushing stage

1.2系統(tǒng)控制方案

分析螺桿泵電動(dòng)機(jī)的控制要求，得出系統(tǒng)控制的關(guān)鍵因素是使螺桿泵電動(dòng)機(jī)的速度隨料斗中番茄的數(shù)量而變化。鑒于變頻器是基于交—直—交變頻原理，可根據(jù)控制對(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)調(diào)控電壓控制螺桿泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]；PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信功能，穩(wěn)定、可靠，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，系統(tǒng)可采用PLC精確采集螺桿泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率和變頻器的參數(shù)，控制電動(dòng)機(jī)的啟停，保證控制速度準(zhǔn)確可靠；人機(jī)界面具有實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備啟停、設(shè)備運(yùn)行故障信息和狀態(tài)信息。結(jié)合三者優(yōu)點(diǎn)，確定螺桿泵電動(dòng)機(jī)的控制方案如下：在保證選臺(tái)上的番茄流量供給的情況下，由PLC通過(guò)總線(xiàn)控制變頻器的啟停，變頻器的輸出速度調(diào)節(jié)通過(guò)安裝在番茄料斗上方的超聲波液位傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

1.3系統(tǒng)硬件配置

由圖2可知系統(tǒng)采用LAN和Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以觸摸屏為上位機(jī)人機(jī)界面、PLC為控制器、變頻器為執(zhí)行器，其中觸摸屏與PLC采用LAN通信，4臺(tái)變頻器通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)電纜相連，與PLC進(jìn)行Profibus-DP通信[5]。

系統(tǒng)上位機(jī)采用昆侖通態(tài)的TPC1061Ti觸摸屏，該觸摸屏是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，具有強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能，支持串口、網(wǎng)口等多種通訊方式?？刂破鞑捎梦鏖T(mén)子公司的S7-300 CPU315-2PN/DP PLC，該P(yáng)LC具有處理速度快，可靠性高，集成功能多，控制模塊可靈活配置，組網(wǎng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)[6]。因螺桿泵電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?zé)o特殊要求，可選用西門(mén)子MM440通用變頻器驅(qū)動(dòng)螺桿泵電動(dòng)機(jī)。

對(duì)于采用接觸式傳感器無(wú)法測(cè)量或者不易測(cè)量的工業(yè)場(chǎng)合，可以考慮采用超聲波傳感器，本系統(tǒng)采用BANNER邦納U-GAGE T30U系列超聲波傳感器[7]，其檢測(cè)量程為300～2 000 mm，直反式，模擬量輸出為(0～10) V/(4～20) mA，輸出自動(dòng)對(duì)應(yīng)到設(shè)定距離范圍，具有溫度補(bǔ)償功能。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

2　通信原理

2.1Profibus通信

Profibus是國(guó)際上通用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，由Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA 3個(gè)部分組成，其中，Profibus-DP專(zhuān)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)裝備(如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器等)間的通信[6]。應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)4臺(tái)變頻器通過(guò)西門(mén)子總線(xiàn)連接器連接在Profibus-DP總線(xiàn)上，進(jìn)行Profibus-DP通信，該通信采用主從通信方式，周期性的與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[8]，數(shù)據(jù)交換的格式主要采用參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PPO)實(shí)現(xiàn)。PPO由過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD和參數(shù)區(qū)PKW組成，過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD用于讀取或者設(shè)置數(shù)據(jù)值，如控制字和設(shè)定值或者狀態(tài)信息和實(shí)際值，參數(shù)區(qū)PKW用于讀寫(xiě)變頻器參數(shù)，如讀出故障，讀最小最大限制。PPO有5種類(lèi)型，即PPO1至PPO5，MM440支持PPO1和PPO3，PPO1有PZD區(qū)和PKW區(qū)，PPO3只有PZD區(qū)，本系統(tǒng)需要控制變頻器的啟停和讀取電機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)行狀態(tài)信息，可采用PPO1型，其報(bào)文結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2.2變頻器設(shè)置

由于螺桿泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要隨著料斗中番茄物料的多少而變化，需要將超聲波物料傳感器連接到MM440變頻器的模擬量輸入端，根據(jù)超聲波傳感器反饋的4～20 mA的電流信號(hào)，調(diào)節(jié)螺桿泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，其接線(xiàn)圖見(jiàn)圖4。

為了實(shí)現(xiàn)變頻器的DP通信，需要對(duì)MM440變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，將電機(jī)名牌上的參數(shù)輸入到變頻器并運(yùn)行，建立變頻器和電機(jī)的識(shí)別和匹配，參數(shù)匹配結(jié)束后設(shè)置變頻器DP通信參數(shù)，常用參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，為了保障總線(xiàn)運(yùn)行，必須設(shè)置P0700、P0918和P1000。在設(shè)置DP通訊地址時(shí)，可借助通訊模塊的7個(gè)DIP開(kāi)關(guān)或P0918來(lái)實(shí)現(xiàn)，4臺(tái)變頻器的撥碼地址分別設(shè)為1，3，4，5，對(duì)應(yīng)變頻器的P0918參數(shù)設(shè)置[9]也為1，3，4，5。

圖3　MM440變頻器報(bào)文結(jié)構(gòu)

圖4　變頻器與超聲波傳感器接線(xiàn)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC硬件組態(tài)及編程

系統(tǒng)硬件組態(tài)與編程是通過(guò)西門(mén)子Step7軟件實(shí)現(xiàn)，在Step7的SIMATIC Manager中新建工程，插入SIMATIC300站點(diǎn)，在硬件組態(tài)中插入機(jī)架rail，電源PS 307 5A，CPU型號(hào)為315-2PN/DP，數(shù)字量輸入輸出模塊DI16/DO16×24V/0.5A，模擬量輸入輸出模塊AI4/AO2×12Bit，組態(tài)Profibus網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置通信波特率為1.5Mbps，在Profibus-DP總線(xiàn)下分別添加4臺(tái)類(lèi)型為PPO1的MM440，設(shè)置對(duì)應(yīng)變頻器的DP地址為1，3，4，5，硬件組態(tài)完成后，下載硬件組態(tài)到PLC中[10]。

完成系統(tǒng)硬件組態(tài)，進(jìn)入用戶(hù)程序編寫(xiě)階段，SIMATICManager中用戶(hù)程序由組織塊(OB)、功能塊(FB/FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。OB1調(diào)用實(shí)現(xiàn)各種功能的功能塊，完成初始化、故障檢測(cè)、頻率設(shè)定和邏輯控制等功能。FB/FC是用戶(hù)子程序，用于編寫(xiě)各種控制功能。DB是用戶(hù)定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)變頻器的控制字和狀態(tài)字。對(duì)變頻器的啟停控制和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的讀取，系統(tǒng)調(diào)用SFC14和SFC15塊，SFC14是從變頻器中“讀”取過(guò)程數(shù)據(jù)到PLC，SFC15是PLC向變頻器“寫(xiě)”控制數(shù)據(jù)，部分PLC程序見(jiàn)表2[11]。

表1　MM440變頻器參數(shù)設(shè)置表

3.2MCGS組態(tài)

上位機(jī)采用昆侖通態(tài)的TPC1061Ti觸摸屏作為人機(jī)界面，觸摸屏中的界面組態(tài)需要在MCGS組態(tài)軟件中進(jìn)行，在MCGS6.2的用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中完成組態(tài)工藝畫(huà)面的制作、過(guò)程參數(shù)的設(shè)置、故障報(bào)警信息的設(shè)置及速度、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控設(shè)置，在設(shè)備窗口完成過(guò)程變量的連接，通信參數(shù)的設(shè)置，之后將組態(tài)界面下載到觸摸屏。

4　調(diào)試步驟與運(yùn)行結(jié)果分析

4.1系統(tǒng)調(diào)試步驟

在系統(tǒng)完成觸摸屏的組態(tài)、PLC編程、變頻器的接線(xiàn)、參數(shù)設(shè)置及設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，可進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的主要步驟為[12]：

表2　部分PLC程序

(1) 超聲波液位傳感器的調(diào)試：調(diào)整超聲波液位傳感器的零點(diǎn)和增益，使料斗中物料接近零時(shí)，超聲波液位傳感器的輸出電流為4 mA，料斗中物料滿(mǎn)時(shí)，超聲波液位傳感器的輸出電流為20 mA。

(2) 變頻器的調(diào)試：設(shè)置變頻器運(yùn)行參數(shù)后，首先點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，觀察變頻器頻率上升情況，設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常，螺桿泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是否穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向是否合理，并做好記錄，若點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行無(wú)問(wèn)題，可以進(jìn)行PLC與變頻器Profibus通信的調(diào)試。

(3) PLC與變頻器調(diào)試：設(shè)置好CPU和變頻器通信模塊的通信地址，此通信地址與變頻器的Profibus-DP通信模塊上拔位開(kāi)關(guān)的地址相同，連接好Profibus-DP通訊電纜，將首尾通訊電纜的網(wǎng)絡(luò)連接器的終端電阻設(shè)置為on，中間的終端電阻設(shè)置為off，在PLC中進(jìn)行通信，通信成功后下載PLC程序。

(4) 觸摸屏與PLC通信調(diào)試：完成以上3步后，將組態(tài)界面下載到觸摸屏，建立觸摸屏與PLC的通信與調(diào)試。

(5)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：通過(guò)觸摸屏控制變頻器的啟停，監(jiān)控螺桿泵速度、頻率等參數(shù)的變化。變頻器運(yùn)行過(guò)程中，主要觀察變頻器的頻率上升和下降的速度與料斗中番茄數(shù)量的匹配情況，同時(shí)觀察機(jī)械共振點(diǎn)，若有共振現(xiàn)象，要在共振點(diǎn)附近設(shè)置跳躍頻率。

4.2運(yùn)行結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，進(jìn)行試運(yùn)行，調(diào)整參數(shù)和位置，最終實(shí)現(xiàn)螺桿泵的變頻控制，系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)圖5。4臺(tái)電機(jī)的啟停通過(guò)觸摸屏上的4對(duì)啟停按鈕控制，當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)為4臺(tái)螺桿泵處于全速運(yùn)行階段，螺桿泵電機(jī)額定速度為1 460 r/min，物料的料位量程為0～2 m，其中電機(jī)速度和物料料位的線(xiàn)性關(guān)系見(jiàn)式(1)[13]：

(1)

式中：

Hmax——料位最高量程，m；

Hmin——料位最低量程，m；

H——料位實(shí)際值，m；

圖5　系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果

Vmax——電機(jī)最高速度，r/min；

Vmin——電機(jī)最低速度，r/min；

V——電機(jī)實(shí)際速度，r/min。

由式(1)可知，1#螺桿泵在料位為1.25 m時(shí)，電機(jī)速度為912 r/min；2#螺桿泵在料位為0.82 m時(shí)，電機(jī)速度為599 r/min；3#螺桿泵在料位為1.03 m時(shí)，電機(jī)速度為736 r/min；4#螺桿泵在料位為1.50 m時(shí)，電機(jī)速度為1 095 r/min，基本符合線(xiàn)性關(guān)系。滿(mǎn)足螺桿泵電動(dòng)機(jī)的速度隨著番茄料斗中物料的變化而變化的控制要求，其中電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、變頻器故障和物料報(bào)警也可以在觸摸屏中實(shí)時(shí)顯示。

5　結(jié)束語(yǔ)

Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度可靠的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合PLC和變頻器的功能，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵電動(dòng)機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速控制，并將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信息傳送到觸摸屏，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和試運(yùn)行，成功應(yīng)用到新疆某番茄醬廠，延長(zhǎng)了螺桿泵的使用壽命，并節(jié)省電能，提高了生產(chǎn)效率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。但系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在共振問(wèn)題。但通過(guò)設(shè)置變頻器的跳躍頻率可以解決該問(wèn)題，跳躍頻率的設(shè)置需要反復(fù)試驗(yàn)，預(yù)先測(cè)量共振頻率或者根據(jù)設(shè)備機(jī)理模型計(jì)算共振頻率可以為跳躍頻率設(shè)置提供參考。

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Application of profibus-DP in the screw pump control system in tomato paste plant

HU Bing1WANGXiao-juan2

(1.DepartmentofElectricalandInformationEngineering,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi,Xinjiang830011,China; 2.FoundationalDepartment,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi,Xinjiang830011,China)

The speed of screw pump motor used for crushing tomatoes in corresponding paste plant influences the quality of its processing seriously. Therefore, based on Profibus-DP, we proposed a control method in order to actually operate the screw pump motor for real-time monitoring with a touched PC and PLC screen. Moreover, the frequency converter was used as actuators system solutions, and the operation was analyzed according to the debugging steps. The results showed that the system characterized by good stability and fast response could run a good monitoring of screw pump motor as well as get real-time feedback of running and alarm information. The application of this system ensured that the speed of screw pump motor was accurately controlled, and the digital management of system was realized. This might help to extend the service life of the screw pump and save electricity. Our results here could provide a new clue for similar automatic control of processing equipment on agricultural processing.

screw pump; tomato paste; PLC; MCGS; frequency conversion control

胡兵(1985—)，男，新疆工程學(xué)院講師。

E-mail：2003042121@163.com

2016-03-16

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.025