腈綸生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡設計

葛鎖良 潘燦燦

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

腈綸生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡設計

葛鎖良 潘燦燦

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

為了實現(xiàn)腈綸濕法轉向紡絲生產(chǎn)線所有工位協(xié)同工作對高速通信網(wǎng)絡的要求，基于MPI和Profibus-DP設計三層通信網(wǎng)絡。給出通信網(wǎng)絡的結構和硬件組態(tài)，分析PLC主從站之間和PLC與變頻器之間的通信參數(shù)配置，并結合PPO1數(shù)據(jù)傳輸類型重點介紹通信過程和通信程序的編寫?，F(xiàn)場運行表明：該網(wǎng)絡通信系統(tǒng)具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性能。

通信網(wǎng)絡 濕法轉向紡絲技術 Profibus-DP MPI 結構 硬件組態(tài) 程序

腈綸生產(chǎn)采用濕法轉向紡絲技術，該工藝具有快速紡絲、連續(xù)熱牽伸及快速定型等特點[1]。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工序可分為前紡和后紡兩部分，前紡包括紡絲成形、集絲、洗滌、預加熱、一次牽伸及致密化處理等工位，后紡包括汽蒸定型、二次牽伸、上油處理、卷曲及烘干裝箱等工位。這就需要設計一個穩(wěn)定高速的通信網(wǎng)絡保證各工位的協(xié)同工作。

Profibus總線具有開放性。不同設備的廠商不需要對其產(chǎn)品做特殊調(diào)整就可以進行相互通信，經(jīng)實際應用驗證具有普遍性[2]。梁慧斌和李學華將Profibus-DP用于煤礦空壓機監(jiān)控系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了空壓機組及其冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的集中監(jiān)視管理和分散控制[3]。王海嘯詳細介紹了基于S7-300 PLC的Profibus-DP協(xié)議與賽摩6000系列儀表通信的配置方案，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)的采集與控制[4]。朱帥介紹了Profibus-DP現(xiàn)場總線在遠程調(diào)速系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)在上位機組態(tài)王監(jiān)控畫面中對遠程變頻器的輸出頻率(電機轉速)進行實時監(jiān)控的功能[5]。姚莉詳細講解了Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)的故障原因和處理措施，為系統(tǒng)設計和設備故障檢測提供參考[6]。王明虎介紹了異構控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的新方法[7]。葛鎖良和李揚詳細介紹了腈綸紡絲的速度控制，并對控制的通信周期進行了計算與驗證[8]。

為了實現(xiàn)腈綸濕法轉向紡絲生產(chǎn)線所有工位協(xié)同工作對高速通信網(wǎng)絡的要求，基于MPI和Profibus-DP設計三層通信網(wǎng)絡。設計通信網(wǎng)絡的結構并進行硬件組態(tài)，分析PLC主從站之間和PLC與變頻器之間的通信參數(shù)配置，并結合PPO1數(shù)據(jù)傳輸類型重點介紹通信過程并給出通信程序的編寫方法。

1 通信網(wǎng)絡結構

某腈綸生產(chǎn)廠采用濕法轉向紡絲技術，全廠共有6條生產(chǎn)線和一條備用線控制系統(tǒng)，每條生產(chǎn)線皆采用S7-300 317-2DP PLC控制器。每條生產(chǎn)線有16個工位，均由EV3000變頻器驅動?？刂葡到y(tǒng)不僅要對各個工位的啟停和聯(lián)鎖保護進行控制，而且還包含對生產(chǎn)過程中的調(diào)速、牽伸位置及松弛環(huán)狀態(tài)等過程進行控制。生產(chǎn)線的不同工位都嚴格依照高精度的速度比例進行啟、?；蜻\行[9]。

控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡結構如圖1所示，共有3層：第一層使用MPI通信協(xié)議，由備用線PLC和PC監(jiān)控站組成，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控功能；第二層使用Profibus-DP協(xié)議，備用線PLC作為Profibus-DP主站，備用線變頻器和1#～6#生產(chǎn)線的PLC為Profibus-DP從站，當生產(chǎn)線的某工位變頻器出現(xiàn)故障時可以有條件地啟用備用線對應工位的變頻器，進行備用；第三層使用Profibus-DP協(xié)議，1#～6#生產(chǎn)線PLC作為Profibus-DP主站，ET200和變頻器為Profibus-DP從站，承擔每條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡結構

2 硬件組態(tài)

使用S7-300 317-2DP PLC時需要在軟件上設置硬件參數(shù)，即組態(tài)，組態(tài)不僅要選擇PLC的電源型號、PLC類型及I/O模塊等，還需設置Profibus-DP主從站、設備的Profibus-DP地址及通信緩存地址等。組態(tài)中要把EV3000添加到通信網(wǎng)絡中，需在Step7中添加現(xiàn)場總線適配器對應的GSD文件。GSD文件是對智能從站的數(shù)據(jù)類型和傳輸格式詳細描述的文件。在Step7中添加GSD文件后，在工具目錄里就會出現(xiàn)相應的圖標，然后通過總線適配器將EV3000連接到通信網(wǎng)絡上，并設置從站參數(shù)。圖2為備用線的硬件組態(tài)，備用線變頻器DP地址分別為2～20，1#～6#線PLC的DP地址分別為21～26。對于變頻器而言，還需要通過面板設定其DP地址、數(shù)據(jù)格式及比特率等，現(xiàn)場總線適配器也需要進行通信比特率設置，并根據(jù)具體情況選擇是否撥通終端電阻。1#～6#線的網(wǎng)絡組態(tài)與備用線Profibus網(wǎng)絡類似。

圖2 備用線硬件組態(tài)

3 通信網(wǎng)絡

3.1MPI監(jiān)控級通信

監(jiān)控級網(wǎng)絡使用的MPI通信協(xié)議采用主主通信方式。S7-300 317-2DP PLC的DP端口兼容MPI協(xié)議，工控機要與PLC進行通信，還需安裝支持Profibus和MPI協(xié)議的CP5611通信卡。備用線PLC分配2#MPI地址，工控機分配3#MPI地址。基于WinCC組態(tài)軟件，繪制系統(tǒng)的工序流程圖、啟停歸檔圖、頻率歸檔圖、運行狀態(tài)欄圖和故障報警圖。備用線PLC將系統(tǒng)運行參數(shù)上傳到工控機，工控機通過運行WinCC不僅可以及時了解整個系統(tǒng)的狀態(tài)，而且有益于系統(tǒng)故障的分析與解決。

3.2PLC間的通信

為了保證系統(tǒng)故障時及時啟動備用系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制單元，1#～6#線的PLC必須要與備用線的PLC保持通信暢通。通信采用Profibus-DP協(xié)議，需要對Profibus的屬性進行設置，除了配置Profibus-DP的地址，還要對主從模式、掛靠的通信總線和通信緩存地址進行配置。1#～6#線PLC均需要設置通信緩存地址。其中1#生產(chǎn)線PLC與備用線PLC通信的緩存地址的配置如圖3所示。

圖3 1#生產(chǎn)線PLC與備用線PLC通信的緩存地址配置

系統(tǒng)中，從站PLC將生產(chǎn)線的運行狀況存儲在DB塊中，打包后上傳到主站PLC；主站以同樣的方式將備用線的狀態(tài)信息發(fā)送給各從站。一旦從站某工位故障，從站PLC根據(jù)主站PLC傳送的對應故障工位的狀況決定是否啟用備用線。

3.3PLC與變頻器的通信

PLC與變頻器的通信中介為現(xiàn)場總線適配器。作為Profibus-DP的智能從站，現(xiàn)場總線適配器響應主站的查詢，并執(zhí)行主站發(fā)送的控制字，對變頻器完成發(fā)送控制字、讀取運行信息、重置功能碼和復位故障的任務。

該系統(tǒng)通過Profibus-DP網(wǎng)絡對變頻器進行控制，主要是控制變頻器的啟停、運行頻率,讀取電流值及變頻器工作狀態(tài)等。系統(tǒng)選用PPO1類型作為數(shù)據(jù)傳輸格式，數(shù)據(jù)格式包含8Byte的參數(shù)區(qū)(PKW)和4Byte的過程數(shù)據(jù)區(qū)(PZD)，其中PKW包含參數(shù)標識(ID)、參數(shù)索引(IND)和參數(shù)值(VALUE)；PZD包含控制字(CW)、狀態(tài)字(SW)、給定值(REF)和返回值(ACT)。主站可以通過PKW對變頻器的參數(shù)進行監(jiān)控或修改，通過PZD區(qū)向變頻器寫入運行控制字并讀取變頻器的狀態(tài)和運行頻率。若要讀取變頻器的運行電流值，可將變頻器相應功能的Profibus號1DBH(475)送入命令字的ID區(qū)，同時將變頻器的運行頻率送入REF區(qū)，如圖4所示，其中ID的第一位為1，表示請求讀取功能碼參數(shù)數(shù)據(jù)，即讀取電流值；在響應字中，ID的第一位為1，表示執(zhí)行讀取命令正確，而讀取的電流值在VALUE區(qū)。通過對CW賦值，可以控制變頻器的啟停；響應字中的SW則表示變頻器的工作狀態(tài)。

圖4 數(shù)據(jù)交換

現(xiàn)以1#F1變頻器為例，簡述數(shù)據(jù)傳輸過程。1#PLC通過調(diào)用系統(tǒng)子程序SFC15將命令控制字和目標頻率發(fā)送到F1變頻器，同時1#PLC調(diào)用系統(tǒng)子程序SFC14讀取F1變頻器的工作電流值和實際運行頻率，并存入1#PLC的數(shù)據(jù)塊DB1中。1#PLC通過通信程序將數(shù)據(jù)打包后傳給系統(tǒng)主站7#PLC。通信程序調(diào)用系統(tǒng)子程序SFC15和SFC14對變頻器的數(shù)據(jù)區(qū)進行讀寫，如圖5所示。

根據(jù)PPO1數(shù)據(jù)傳遞的格式，編寫PLC與EV3000的通信子程序。圖6為PLC與F1的通信程序，模塊左側為PKW和PZD的數(shù)據(jù)、地址，右側為PKW和PZD返回的數(shù)據(jù)、故障標志位。系統(tǒng)建立DB塊保存PKW和PZD的相關參數(shù)值，防止系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)丟失，方便系統(tǒng)重啟與恢復。

圖5 系統(tǒng)子程序SFC15和SFC14的調(diào)用程序#pkw_I_addr、#pzd_Q_addr——智能從站組態(tài)時分配的地址； #pzd——命令字； #pkw_RD——存儲讀入的電流值

圖6 PLC與F1變頻器通信程序

為了確?？刂频膶崟r性，要求通信周期小于PLC的掃描周期。系統(tǒng)的通信比特率為1.5Mbit/s，Profibus-DP協(xié)議使用的數(shù)據(jù)傳輸類型為PPO1，即每個變頻器與PLC間都有24Byte的信息傳送。

Profibus-DP的總線響應時間[10,11]：

TCycle-DP=(317N1+11N2)/f

式中 11——每一幀消息的位數(shù)；

317——一個DP從站建立通信連接所需要的數(shù)據(jù)位；

f——Profibus-DP的通信比特率；

N1——Profibus-DP總線上掛靠的從站數(shù)量；

N2——Profibus-DP總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總數(shù)，Byte。

由計算可知N1=16，N2=24×16=384，TCycle-DP=6.8ms，可見系統(tǒng)的通信響應時間(6.8ms)遠小于系統(tǒng)PLC的掃描周期(100ms)，完全達到系統(tǒng)對通信實時性的要求。

4 結束語

系統(tǒng)采用MPI協(xié)議和Profibus協(xié)議構造了一個多層現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡，從系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的結構、硬件組態(tài)配置和從站數(shù)據(jù)讀寫3個方面，介紹了通信網(wǎng)絡的設計方案。通過現(xiàn)場的運行效果來看，系統(tǒng)運行平穩(wěn)、通信正常，證實了該通信網(wǎng)絡方案的設計是合理的、成功的。

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2015-07-05(修改稿)