摘要:介紹了PROFIBus—DP現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及其在化纖滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)的應(yīng)用，方便了工藝操作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;后處理牽伸聯(lián)合機(jī);人機(jī)界面
1 前言
在化纖滌綸短絲的生產(chǎn)工藝流程中，后處理牽伸聯(lián)合機(jī)是整個(gè)生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，各單元機(jī)的控制精度直接影響成品絲的質(zhì)量。采用傳統(tǒng)的機(jī)械長邊軸或同步調(diào)節(jié)器控制，對(duì)各單元機(jī)之問的工藝比例倍數(shù)調(diào)整極不方便，且控制精度難以保證。所以，為了方便對(duì)各工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和可靠性，采用“西門子TP170A觸摸屏+S7—300PLC+矢量控制型逆變器”的控制模式，并采用PROFIBUS—DP作為主通信方式。
2 PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線
PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化等行業(yè)。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。其特點(diǎn)分別為：PROFIBUS—DP（工廠自動(dòng)化），快速即插即用；PROFIBUS—FMS（通用性自動(dòng)化），通用、大范圍使用、多主通信；PROFIBUS—PA（過程自動(dòng)化），面向應(yīng)用、總線供電、本質(zhì)安全。PROFIBUS—DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此以外，智能化現(xiàn)場設(shè)備還需要非周期性通信，以進(jìn)行配置診斷和報(bào)警處理。
PROFIBUS各種協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以通過PROFIBUS的相應(yīng)專門協(xié)議芯片和微處理器的結(jié)合來完成。在電力傳動(dòng)領(lǐng)域，各個(gè)公司分別推出自己的實(shí)現(xiàn)PROFIBUS各種協(xié)議的通信模板，直接插入變頻器內(nèi)就可以完成通訊。如：西門子公司SIMOVERTMASTERDRIVERS變頻器中的CBP板，艾默生變頻器的TDS—PA01適配器。現(xiàn)就滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中PROFIBUS的具體應(yīng)用作一描述。
3 滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)PROFIBUS現(xiàn)場總線的應(yīng)用
3．1 滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)
本文以滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例，介紹PROFIBUS現(xiàn)場總線應(yīng)用。
化纖聚酯切片經(jīng)熔融紡絲卷繞上油形成絲束喂人盛絲桶內(nèi)，盛絲桶里的絲束從集束架引出，經(jīng)過浸油槽上油，進(jìn)入第一牽伸機(jī)；本生產(chǎn)線共有兩道牽伸，一道牽伸在第一牽伸機(jī)和第二牽伸機(jī)之間進(jìn)行；一道牽伸所需的牽伸溫度是75～80℃ ，由水浴牽伸槽提供。二道牽伸是在第二牽伸機(jī)和第三牽伸機(jī)之間的蒸汽牽伸箱中進(jìn)行，牽伸溫度約為95～100～C；牽伸后的絲束由疊絲機(jī)將其疊成一片，送入卷曲機(jī)使絲束卷曲成形。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
系統(tǒng)使用6套西門子矢量控制型逆變器，分別驅(qū)動(dòng)6臺(tái)單元機(jī)。PLC采用西門子S7—300系列。在主控柜內(nèi)設(shè)置PLC主站，現(xiàn)場操作臺(tái)上裝有西門子TP170A型觸摸屏，觸摸屏與各變頻器均為從站。PLC通過PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線將主站與從站全部連接起來組成了一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，即提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，也極大地方便了工藝人員和操作人員。該系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)和功能：矢量控制變頻技術(shù)，電動(dòng)機(jī)上的編碼器和逆變器構(gòu)成速度閉環(huán)；能耗制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)，停車時(shí)自動(dòng)投入制動(dòng)工作，工作可靠，制動(dòng)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了高速下的快速停車；先進(jìn)的工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS總線；觸摸屏使用戶操作方便，速度、電流、溫度及壓力等工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示及設(shè)定電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與顯示，故障顯示、診斷、報(bào)警等；系統(tǒng)設(shè)單動(dòng) 動(dòng)選擇開關(guān)，當(dāng)選擇開關(guān)處于單動(dòng)位置時(shí)，各單元機(jī)可按設(shè)定的單動(dòng)速度運(yùn)行，當(dāng)選擇開關(guān)處于聯(lián)動(dòng)位置時(shí)，聯(lián)合機(jī)按設(shè)定的拉伸比例同步運(yùn)行。
3．2 PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)組成
利用S7—300 CPU313C一2DP作為主站，逆變器加CBP板、現(xiàn)場觸摸屏（TP170A）作為從站，組成一個(gè)單主PROFIBUS—DP通信系統(tǒng)。DP適用于數(shù)據(jù)高速通信的場合，采用RS 485雙絞線電纜或光纖電纜，波特率可達(dá)到12 Mbps，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)與傳輸）或廣播（控制指令）方式，支持循環(huán)的主從數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組成如圖2所示。
由于PLC主站和所有從站都為西門子產(chǎn)品，所以都滿足了PROFIBUS總線通信協(xié)議。在本系統(tǒng)中，采用RS 485屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)，通信波特率為1．5 Mbps，PROFIBUS為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS—DP主要使用主一從方式，PLC主站周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在PRO—FIBUS結(jié)構(gòu)中，周期性通道MSCY—C1的可用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過程對(duì)象PPO，可用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分成不同兩部分并用報(bào)文形式分別傳送：PZD部分（包括控制字，設(shè)定值，狀態(tài)字和實(shí)際值）；PKW（用于讀、寫參數(shù)值）。當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，這種用于PROFIBUS主站到傳動(dòng)裝置的PPO類型可以被設(shè)置，設(shè)置哪種類型的PPO，取決于在自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)裝置的功能。
PROFIBUS裝置有各種不同特性，為了所有主站系統(tǒng)能正確調(diào)用所使用的附加板，必須需要每一個(gè)裝置的主數(shù)據(jù)文件GSD。為了能夠有效通信，在STEP7中，必須為每一總線設(shè)備設(shè)定地址，以便主站尋址。在CBP板設(shè)置的通信參數(shù)有：P918（總線地址），P712（PPO類型），P722（過程數(shù)據(jù)的報(bào)文故障時(shí)間）。
本系統(tǒng)采用了PROFIBUS—DP總線，使得系統(tǒng)節(jié)省了到機(jī)臺(tái)的大量電纜，增加了可靠性，減少了變頻系統(tǒng)的干擾，便于人員操作和維護(hù)。
3．3 PROFIBUS的診斷功能
PROFIBUS具有強(qiáng)大的診斷功能，當(dāng)接到從站傳到的警報(bào)或錯(cuò)誤時(shí)，主站迅速作出反應(yīng)中止正常通信，對(duì)故障快速定位。這種診斷信息分為三級(jí)：本站診斷操作和模塊診斷操作、通斷診斷操作。故障清除以后，總線恢復(fù)正常通信。
4 軟件設(shè)計(jì)與控制
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由2個(gè)部分構(gòu)成，一部分是PLC的控制軟件設(shè)計(jì)，另一部分是觸摸屏的畫面組態(tài)設(shè)計(jì)。
從功能上講，PLC主要完成系統(tǒng)的初始化，各種數(shù)字I／O量的控制，故障監(jiān)測和自診斷控制，同步系數(shù)、拉伸系數(shù)的設(shè)置與各段輸出數(shù)據(jù)信號(hào)的計(jì)算以及與觸摸屏間的通信等。整個(gè)PLC的工作流程如圖3所示。
軟件主要由主程序，自診斷程序，數(shù)據(jù)運(yùn)算程序組成，它以循環(huán)掃描的工作方式執(zhí)行。觸摸屏的畫面組態(tài)包括創(chuàng)建顯示畫面和編輯信息，并將它們與PLC程序相鏈接，它主要由3個(gè)部分組成，第1部分是工作畫面示意圖，系統(tǒng)的工藝流程及各項(xiàng)參數(shù)都顯示在上面，工藝操作人員能及時(shí)了解系統(tǒng)工作情況。第2部分是系統(tǒng)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，包括拉伸系數(shù)，同步系數(shù)，各減速箱的減速比，制動(dòng)延時(shí)時(shí)間的設(shè)定與修改，為防止有人誤操作而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，可以為不同的操作人員設(shè)定不同的操作密碼和相應(yīng)的操作權(quán)限，以保障系統(tǒng)安全和生產(chǎn)安全。第3部分是報(bào)警功能及幫助信息設(shè)置，當(dāng)PLC檢測到系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，就把相應(yīng)的故障信息傳給觸摸屏，觸摸屏顯示相應(yīng)的報(bào)警畫面，顯示故障內(nèi)容及幫助信息的鏈接，提示維護(hù)人員做相應(yīng)的處理。
5 前景及優(yōu)越性
電力傳動(dòng)是工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，電力控制裝置隨著功率電子學(xué)，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以具有相當(dāng)水平的自治性和智能化。現(xiàn)場總線技術(shù)在電力傳動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是推動(dòng)電力傳動(dòng)裝置全數(shù)字化。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開發(fā)性，不同廠家的設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息交換，用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不同廠家的設(shè)備組成大小隨意的系統(tǒng)。使得生產(chǎn)廠家在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)到產(chǎn)品時(shí)，將進(jìn)一步加大裝置數(shù)字化。二是降低電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，從而可減少系統(tǒng)硬件投資。而且現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線十分簡單，電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，節(jié)省了安裝費(fèi)用。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷和處理簡單故障的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，使用戶可查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速解除。三是充分應(yīng)用軟件功能，提高系統(tǒng)復(fù)雜控制的能力。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比較，它從根本上提高了測量與控制的精度；減少了傳送誤差。同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。
6 結(jié)束語
生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明，此方案具有簡單實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于化纖滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機(jī)上，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
1 陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
2 西門子（中國）有限公司．SIMATIC S7—300可編程控制器系統(tǒng)手冊，2004．
3 西門子（中國）有限公司．STEP7 V5．1編程手冊，2004
