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　　隨著造紙企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)自動(dòng)控制水平的提高，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備如傳感器、調(diào)節(jié)器、發(fā)送器、驅(qū)動(dòng)器及可編程控制器等被應(yīng)用到造紙工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。相應(yīng)地，串行現(xiàn)場(chǎng)總線也用來(lái)在這些設(shè)備間進(jìn)行通信。因此，通信和數(shù)據(jù)流高速傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)就成為完成電氣傳動(dòng)和控制的一個(gè)必不可少的部分。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線存在著各種各樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，這些網(wǎng)絡(luò)大多是嚴(yán)格保密且互不兼容，其中PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)是一種開(kāi)放的、不依賴生產(chǎn)廠家的通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，所以PROFIBUS 在各種工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。尤其是在造紙行業(yè)，PROFIBUS 得到了大力推廣。本文針對(duì)PROFIBUS 在長(zhǎng)網(wǎng)多缸紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
   
　　PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是由德國(guó)Siemens等13 家公司和5 家研究所聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，并于1999 年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158 的組成部分。PROFIBUS 包括3 個(gè)同一類、可互相兼容的變種，即PROFIBUS-FMS 、DP 、PA 以適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求。PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)信息規(guī)范）的設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)；PROFIBUS-DP （分散型外圍設(shè)備）用于現(xiàn)場(chǎng)層高速數(shù)據(jù)傳送；PROFIBUS-PA （過(guò)程自動(dòng)化）適用于過(guò)程自動(dòng)化。PROFIBUS 能夠提供制造業(yè)、樓宇自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化各領(lǐng)域統(tǒng)一解決方案的系統(tǒng)，現(xiàn)已在汽車工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、食品工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、環(huán)保工程等多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。

1   造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)

1.l 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成
   
　　造紙機(jī)傳動(dòng)控制是一個(gè)控制點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的工作過(guò)程概略如圖1 所示。以1760 / 350 長(zhǎng)網(wǎng)多缸造紙機(jī)為例，整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)部分分為主傳動(dòng)和輔助傳動(dòng)兩部分：主傳動(dòng)部分共分16 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，總傳動(dòng)功率為368 kw ，主要控制飾面輥、真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導(dǎo)網(wǎng)輥、真空反壓輥、光壓輥、烘缸和卷紙機(jī)等；輔助傳動(dòng)部分合計(jì)功率42 kw ，主要控制勻漿輥、唇板、損紙攪拌器、張緊器、沖水管、輸油泵、刮刀和副臂等。傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路主要有2 個(gè)：其一是操作屏和PLC 走PROFIBUS-DP 或FMS 通路；其二是PLC 通過(guò)CBP 板卡和變頻器走RS485 PROFIBUS-DP 協(xié)議通路。為達(dá)到控制目的，整臺(tái)紙機(jī)共配有4 臺(tái)操作臺(tái)：操作臺(tái)OP-﹟l 控制流漿箱及上漿系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟2控制有關(guān)網(wǎng)部、吸移、反壓、二壓及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟3 控制有關(guān)光壓、部分烘干部及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；OP-﹟4控制部分烘干部、卷紙機(jī)、稀油站油泵及工藝系統(tǒng)有關(guān)氣動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備。每套操作臺(tái)配備1 套ET2OOM , 作為遠(yuǎn)程I/0 使用；并且裝有PROFIBUS-DP 接口的閥島和單機(jī)起停及緊急停車按鈕。其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2      控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 
　　本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大、軟件功能豐富的S7-300 型PLC CPU315 系統(tǒng)作為控制核心，軟件采用STEP7 Version 5.0 ；變頻器采用Siemens 的6SE7O 系列完整矢量控制高精度變頻調(diào)速裝置，其完善的控制性能特別適合紙機(jī)系統(tǒng)，如速度鏈給定、分布的速度控制，張力控制及兩者的切換，多種自由功能模塊和工藝模板的組合特別適用紙機(jī)的工藝要求；本系統(tǒng)采用了T40O 模塊，它提供了多種工藝控制功能，如卷曲、張力、同步、定位、多電機(jī)等；并采用CBP2 板卡插在變頻器中，用于PROFIBUS-DP 的通信；上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門子的PⅢ450 加54cm 彩顯；組態(tài)軟件采用WIN CC5.O 。通過(guò)OPIS 操作屏和PLC , PC 可對(duì)多臺(tái)裝置進(jìn)行參數(shù)重復(fù)設(shè)定以提高調(diào)整進(jìn)度。

1.2 傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求
   
　　造紙機(jī)生產(chǎn)過(guò)程是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續(xù)且復(fù)雜的過(guò)程組成，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 多變量、多參數(shù)系統(tǒng)，影響傳動(dòng)系統(tǒng)的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓、負(fù)載等；② 交流電動(dòng)機(jī)的非線性；③ 負(fù)載的不確定性；④ 多電機(jī)間性能的不匹配；⑤ 多電機(jī)之間存在耦合。因此，造紙機(jī)的傳動(dòng)控制要求滿足：① 實(shí)現(xiàn)速度鏈控制。依據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能。操作屏上設(shè)有功能鍵，通過(guò)通訊可直接修改PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)，改變響應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)的速度設(shè)定值。② 實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制。網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)動(dòng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時(shí)要求負(fù)載均衡，否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí)，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這2 個(gè)傳動(dòng)組合中的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷分配自動(dòng)控制功能。PLC 通過(guò)PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線得到電機(jī)電流信號(hào)，以先進(jìn)的調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值相等，這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。③ 實(shí)現(xiàn)張力控制。根據(jù)紙機(jī)工藝要求，在多組烘缸與卷紙機(jī)之間加張力傳感器，張力傳感器將張力信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊送人PLC，在操作臺(tái)上的操作屏上進(jìn)行張力設(shè)定，PLC根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值對(duì)卷紙機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持張力恒定準(zhǔn)確。PLC 內(nèi)采用積分分離的PID 控制算法，并帶有速度限幅，仿止斷紙時(shí)出現(xiàn)張力飛車現(xiàn)象。

2   PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸技術(shù)

2.1 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是ISO/OSI 的7 層網(wǎng)絡(luò)參考模型，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

■ DIN19245第四部分   ■ EN50 170  ■PROFIBUS準(zhǔn)則
圖3     PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS-FMS 第l 、第2 和第7 層均加以定義，其中第3～第6 層未加以描述，其功能在底層接口（Lower Layer Interface）完成，LLI 是第7 層中的一部分，F(xiàn)MS(Field Message Specification 現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）包含了應(yīng)用層協(xié)議并提供了多種強(qiáng)有力的通信服務(wù)及用戶接口。
   
　　PROFIBUS-DP 使用第l 層、第2 層和用戶接口，以直接數(shù)據(jù)鏈路映像（Direct Data Link  Mapper）提供易于進(jìn)入第2 層的用戶接口。該用戶接口規(guī)定了可以調(diào)用的應(yīng)用功能并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同PROFIBUS-DP 設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS485 傳輸技術(shù)或光纖。
   
　　PROFIBUS-PA 采用擴(kuò)展的“PROFIBUS-DP”協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。

2.2 PROFIBUS 傳輸技術(shù)
  
　　PROFIBUS 提供以下3 種類型的傳輸技術(shù)：FMS 和DP 的RS485 傳輸；PA 的IECll58～2 傳輸；光纖( FO）。RS485 采用屏蔽雙絞線，操作容易，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，而且能夠滿足高速傳輸?shù)囊螅蕬?yīng)用較廣，成為PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術(shù)。RS-485 總線結(jié)構(gòu)允許增加或減少站點(diǎn)，傳輸速度可選用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 傳輸技術(shù)可保持其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電，所以這種傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求并在這些領(lǐng)域得到廣泛使用。另外，IECll58-2 信號(hào)可通過(guò)耦合器與RS-485 信號(hào)相適配，這樣PROFIBUS-PA 設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。光纖傳輸技術(shù)主要用于電磁干擾很大的環(huán)境中，它可以增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，但光纖傳輸造價(jià)較高。

3 上位操作監(jiān)控管理系統(tǒng)

　　上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門子公司的PⅢ450 加54cm 彩顯，打印機(jī)，軟件平臺(tái)為隨機(jī)所帶的原版Windows NT Workstation 軟件，工控組態(tài)軟件為德國(guó)西門子公司的工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC ，即“WINDOWS CONTROL CENTER”（窗口控制中心）——為在標(biāo)準(zhǔn)PC 和WINDOWS NT 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)集成化全32 位的HMI （人機(jī)界面）的功能。WinCC5.0 具有的特點(diǎn)：① 全集成自動(dòng)化，使STEP7 編程環(huán)境更貼近于WinCC 的組態(tài)環(huán)境；② 組態(tài)更加高效，易于操作，最大地減少組態(tài)時(shí)間，是成功的HMI/SCADA 軟件的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，SIMATIC WinCC 一直遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；③ WinCC 是按照客戶機(jī)／服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，最多支持16 個(gè)客戶機(jī)；④ WinCCWeb 瀏覽器功能允許通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)Internet或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Internet 對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視甚至操作；⑤ WinCC5.5 對(duì)Messenger&Guardian （信使和看護(hù)者）可選功能進(jìn)行了升級(jí)，主要的新功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的攝像監(jiān)視，且在看護(hù)者計(jì)算機(jī)上支持多攝像機(jī)監(jiān)視；⑥ 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，易學(xué)易用，支持全序列的SIMATIC PLC ；⑦ 集成的SQL 數(shù)據(jù)有利于數(shù)據(jù)的存取和交流，并且支持0LE2.0 及OCX 控件。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存人SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。
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