西門(mén)子PLC與變頻器在脫硫系統(tǒng)中的DP通信應(yīng)用

魏戴寧

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇南通 226002）

0 引言

目前國(guó)際公約、相關(guān)地區(qū)及國(guó)家關(guān)于船舶SOX排放控制的相關(guān)法規(guī)政策日趨嚴(yán)格，船舶廢氣中的SOX是燃油中的硫燃燒后形成的污染物，通過(guò)燃燒設(shè)備自身技術(shù)改造很難達(dá)到排放控制要求，船舶尾氣脫硫系統(tǒng)成為當(dāng)前各國(guó)船東提升船舶經(jīng)濟(jì)性，滿(mǎn)足排放要求的一種經(jīng)濟(jì)、高效、普適的技術(shù)手段[1]。

大流量海水變頻泵組是船舶尾氣脫硫系統(tǒng)中的重要組成部分，船舶在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生不同量的尾氣，即處理船舶尾氣需要的海水量亦不同。海水變頻泵控制系統(tǒng)可接收廢氣清洗系統(tǒng)（Exhaust Gas Cleaning Control System，EGCS）發(fā)出的海水目標(biāo)流量值，自動(dòng)啟動(dòng)海水泵并自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)頻率，提供適量的海水來(lái)處理船舶尾氣，達(dá)到與使用低硫油等效的減排效果；同時(shí)將系統(tǒng)的流量、壓力、電機(jī)狀態(tài)等信息反饋給EGCS。

本文主要以海水變頻泵控制系統(tǒng)中的西門(mén)子S7-1200系列PLC和2臺(tái)丹佛斯FC102變頻器通過(guò)PROFIBUS DP通信構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)讀取變頻器中電機(jī)的電流、頻率、功率、工作時(shí)間等數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)海水泵電機(jī)的工作狀態(tài)。

1 硬件組成

海水泵組控制系統(tǒng)主要由PLC、通信模塊、開(kāi)關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊、觸摸屏HMI、變頻器、電源模塊等，具體配置如下所述[2-3]。

1）PLC選用西門(mén)子S7-1200系列的CPU 1215C AC/DC/RLY。

2）通信模塊選用西門(mén)子CM 1243-5 PROFIBUS DP 主站模塊、CM1242-5 PROFIBUS DP從站模塊。

3）開(kāi)關(guān)量DI/DO模塊選用西門(mén)子SM 1223 8×24 VDC輸入/8 x繼電器輸出。

4）模擬量AI模塊選用西門(mén)子SM12314×13位模擬量輸入模塊、模擬量AO模塊選用西門(mén)子SM12324×14位模擬量輸出模塊。

5）觸摸屏HMI選用西門(mén)子TP700精智7寸觸摸屏。

6）變頻器選用丹佛斯FC102系列，配PROFIBUS DP MCA 101通信模塊。

7）電源模塊選用西門(mén)子PM 1207 2.5 A。

2 PROFIBUS DP通信

PROFIBUS－DP（Decentralized Periphery）是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。Profibus的傳輸速率為9 600～12 Mbps。在9.6～187.5 kb/s時(shí)，最大傳輸距離為1 000 m，500 kb/s時(shí)為400 m，1.5 Mb/s時(shí)為200 m，3～12 Mbps時(shí)為100 m，可用中繼器延長(zhǎng)至10 km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

船舶上一般傳輸距離不大于200 m，可以設(shè)置傳輸率為1.5 Mb/s。PLC通過(guò)DP主站模塊與1號(hào)變頻 器VFD_1和2號(hào) 變 頻 器VFD_2連 接 構(gòu) 成PROFIBUS_DP_VFD網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)DP從站模塊與EGCS系統(tǒng)連接。1號(hào)變頻器設(shè)置從站地址為8，2號(hào)變頻器設(shè)置從站地址為9。PLC與變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)視圖見(jiàn)圖1。

圖1 PLC與變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)視圖

3 PLC編程

3.1 GSD文件

通用站點(diǎn)描述（Generic Station Description File，GSD）文件，即電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件。GSD文件是PROFIBUS-DP產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)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)通信接口。不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式將這些產(chǎn)品的功能參數(shù)（如I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、波特率、時(shí)間監(jiān)視等）儲(chǔ)存起來(lái)。GSD文件由設(shè)備生產(chǎn)廠家來(lái)提供。首先，我們要在西門(mén)子博圖軟件中安裝丹佛斯變頻器所需要的GSD文件[4]。

3.2 PLC交互數(shù)據(jù)配置

參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PPO）用于變頻器的PROFIBUS 協(xié)議適用于過(guò)程控制器PLC和變頻器之間交換數(shù)據(jù)，所有PPO針對(duì)循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸（DP-V0）進(jìn)行定義，以確保過(guò)程數(shù)據(jù)（PCD）與參數(shù)（PCA）可在主站與從站之間傳輸。在PLC組態(tài)中我們選用變頻器的PPO類(lèi)型為PPO Type 8 Module consistent PCD，1#變頻器輸入I地址68…87（起始地址68，長(zhǎng)度10，結(jié)束地址87），1#變頻器輸出Q地址68…87，2#變頻器輸入I地址120…139，2#變頻器輸出Q地址120…139，再通過(guò)PLC軟件中的MOVE指令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。

4 變頻器配置

對(duì)應(yīng)第3.2節(jié)中所使用的PPO 類(lèi)型，將PPO8作為無(wú)需循環(huán)參數(shù)訪問(wèn)應(yīng)用的純過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象。PLC 向外發(fā)送過(guò)程控制數(shù)據(jù)，然后變頻器使用長(zhǎng)度相同并且含有過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)的 PPO進(jìn)行響應(yīng)。表1所示為CTW從主站發(fā)送給變頻器的控制字，REF從主站發(fā)送給變頻器的運(yùn)行速度，STW從變頻器返回給主站的狀態(tài)字，MAV從變頻器返回給主站的實(shí)際運(yùn)行速度，PCD參數(shù)的讀寫(xiě)區(qū)域。

表1 PPO 8過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)

變頻器交互數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定如表2中所示：916.0為默認(rèn)參數(shù)，包含一個(gè)16位狀態(tài)字，其中每一位均含有有關(guān)變頻器可能狀態(tài)的信息；916.1為默認(rèn)參數(shù)，以百分比格式表示變頻器的當(dāng)前速度；916.2為電機(jī)運(yùn)行電流，單位A；916.3為電機(jī)運(yùn)行電壓，單位V；916.4為電機(jī)的運(yùn)行功率，單位kW；916.5為電機(jī)運(yùn)行頻率，單位Hz；916.6為電機(jī)運(yùn)行速度，單位r/min；916.7為電機(jī)累積運(yùn)行時(shí)間，單位h；916.8和916.9暫未設(shè)定參數(shù)，根據(jù)客戶(hù)要求或?qū)嶋H使用需求進(jìn)行補(bǔ)充；918為變頻器的從站地址，其中1號(hào)變頻器地址設(shè)為8，2號(hào)變頻器地址設(shè)為9，與PLC和變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)保持一致。

表2 變頻器交互數(shù)據(jù)參數(shù)

5 結(jié)論

西門(mén)子PLC能夠提供各大船級(jí)社的形式認(rèn)可證書(shū)，在這套脫硫系統(tǒng)中所使用的PLC均為西門(mén)子。為使用方便，所有通信都統(tǒng)一為PROFIBUS DP通信。PROFIBUS DP通信不需要復(fù)雜的編程，如本文中僅需要簡(jiǎn)單配置PLC和變頻器中參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的交互。此外海水變頻泵控制系統(tǒng)中還采集了流量、溫度、壓力等信號(hào)，作為從站將這些信號(hào)以及電機(jī)狀態(tài)信息傳輸給EGCS系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)提供了必要的數(shù)據(jù)，可以提前預(yù)判系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，從而有效避免系統(tǒng)故障帶來(lái)的損失。