1、引言 山東臨清新投產(chǎn)的4400/550高級瓦楞原紙造紙機中，有24個傳動點，四組負荷分配，3個張力控制點，總功率為2216.5kw。系統(tǒng)信息采集點多，通訊數(shù)據(jù)量大，通訊響應(yīng)時間要短，若采取西門子s7200系列plc和modbus通訊以不能滿足系統(tǒng)要求。故選用了西門子大型s7-400cpu為414-dp，采用通訊速率高（12mbps）、信息處理能力更強的profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)場設(shè)置5個操作屏，可實時監(jiān)控紙機運行。并可與車間管理級計算機，dcs控制系統(tǒng)，qcs控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)進行高速數(shù)據(jù)交換。是國內(nèi)先進的紙機自動化控制系統(tǒng)。 2、profibus現(xiàn)場總線技術(shù) profibus是process fieldbus的縮寫，是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供可行的解決方案。 profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以iso頒布的osi標準七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對第三層到第六層進行簡化，因此可以說它的標準適應(yīng)性強。此外它的三種模塊（dp、fms和pa）又可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對象和通信速率方面的要求，開放性也好。 2.1 紙機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本控制系統(tǒng)采用交流變頻傳動控制，系統(tǒng)為三級控制方式，如圖1所示。傳動系統(tǒng)第一級為變頻器控制級，變頻器采用abb公司acs600系列直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）變頻器，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器上還配有profibus-dp通訊板npba-12，與上位plc組成profibus-dp現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。 [align=center] 圖1 紙機控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖[/align] 傳動系統(tǒng)第二級為plc控制系統(tǒng)，plc采用西門子公司大型s7-400 cpu為414-2dp，操作臺控制選用西門子op27彩色操作屏, s7-400與變頻器、op27操作屏組成profibus-dp現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò), 完成整個紙機操作控制。 傳動系統(tǒng)第三級為上位優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用dell公司工業(yè)控制計算機,配置為piv1.7g/21"，用于整個紙機傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。上位機采用西門子組態(tài)軟件wincc，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)與qcs上位機、dcs上位機、車間管理級、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)紙機傳動控制系統(tǒng)優(yōu)化控制和自動控制。 2.2 profibus dp網(wǎng)絡(luò)硬件配置 每臺變頻器通過npba-12轉(zhuǎn)接卡掛接到profibus-dp網(wǎng)，全部采用光纖連接。故每臺變頻器需要一個npba-12。s7-400plc通過rs485接口和dp網(wǎng)絡(luò)相連，profibus-dp網(wǎng)可采用屏蔽雙絞線組成。因系統(tǒng)有24個主傳動點，距離較長，為便于操作監(jiān)控，在不同分部設(shè)置一個彩色操作屏op27，共有5臺。它們通過profibus總線和s7-400 plc相連。在dp網(wǎng)上，另掛兩臺s7-200plc，都配有em227 profibus-dp接口，其作為主s7-400的從站。一臺用于卷紙機自動換卷，另一臺完成電氣一體化輔助控制。上位機與s7-400 plc之間采用profibus-dp通訊方式控制，構(gòu)成上位優(yōu)化控制系統(tǒng)。此外，開放式的profibus-dp網(wǎng)絡(luò)可與dcs控制系統(tǒng)、qcs控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)連接。與其進行信息數(shù)據(jù)交換，共同組成一個現(xiàn)代化的自動控制系統(tǒng)。 2.3 profibus-dp網(wǎng)絡(luò)軟件配置 上位機軟件配置為西門子公司的wincc組態(tài)軟件，wincc與s7- 400組成profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，可自由通訊，不需再另外設(shè)置。s7- 400plc采用step7 v5.1編程軟件。step7 v5.1支持多種windows操作系統(tǒng)，可運行于windows nt、win98、win2000等操作系統(tǒng)下，編程方便快捷。s7-200plc采用microwin編程軟件，根據(jù)編程人員的不同習(xí)慣可采用梯形圖、語句表、功能圖語言編程。op27是大型彩色操作屏，配有專用的protool編程工具。 3、profibus-dp通訊功能及傳輸技術(shù) profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)iso7498國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)osi為參考模型，profibus-dp只用了第一層、第二層和用戶接口,第三層到第七層未加描述[2],如圖2所示。 [align=center] 圖2 profibus-dp網(wǎng)絡(luò)七層結(jié)構(gòu)[/align] 第一層－phy，規(guī)定了線路介質(zhì)、屋里連接的類型和電氣特性。profibus-dp通過差分電壓輸出的rs485實現(xiàn)電流連接。在線性拓撲結(jié)構(gòu)下采用雙絞線連接。第二層－mac，描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方法。profibus-dp采用一種混合訪問方法。第二層－flc，規(guī)定了對低層接口。第二層－fma1/2完成第二層－mac特定總線參數(shù)設(shè)定和第一層設(shè)定。 profibus-dp是主從通訊和令牌通訊的結(jié)合，該系統(tǒng)分為主戰(zhàn)和從站。主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應(yīng)進行通訊。主站和主站之間靠得到總線控制權(quán)（令牌）進行通訊。具體到臨清4400/550瓦楞紙機profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，命令傳輸圖如圖3所示: [align=center] 圖3 命令傳輸圖[/align] 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上取決于選用的傳輸技術(shù)，rs-485是profibus-dp最常用的一種，通稱為h2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，共用一根導(dǎo)線。rs-485每段最多32個站點, 帶轉(zhuǎn)發(fā)器最多可到127點。傳輸可選9.6kbps～12mbps, 一旦運行，全部設(shè)備均采用同一傳輸速度，電纜最大長度取決于傳輸速度，如附表所示: 4、三級系統(tǒng)功能 4.1 上位機優(yōu)化控制系統(tǒng)具有的功能 根據(jù)生產(chǎn)不同品種的紙張可以記錄各種狀態(tài)下紙機傳動系統(tǒng)運行狀況，即車速和各分部速度變比。在變更生產(chǎn)紙張品種或車速時，計算機可以根據(jù)已經(jīng)記錄的傳動系統(tǒng)運行參數(shù)自動控制plc執(zhí)行。這樣在變更生產(chǎn)需求時傳動系統(tǒng)自動適應(yīng)當(dāng)前傳動要求，不用對紙機進行調(diào)試。提高自動化操作與控制程度。 可以接受廠級、車間級管理級、dcs、qcs上位機的指令，控制傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)。完成紙機的優(yōu)化控制和自動控制。系統(tǒng)具有報警功能，當(dāng)傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動報警，并能自動診斷故障原因，提示操作人員如何處理。可以顯示分部速度、電流、轉(zhuǎn)矩的歷史曲線。 可以生成即時報表、定時報表，并能通過打印輸出。計算機上還配有模擬紙機電路圖，采用動畫技術(shù)顯示紙機運行狀況，使您在工作的同時有身臨其境的感受。可以與dcs、qcs及其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制。 4.2 s7-400plc及op27功能 s7-400plc為傳動控制中心，主要功能為通過profibus-dp總線對現(xiàn)場控制信號的采集，速度鏈控制及計算，負荷分配控制功能和恒張力控制。plc根據(jù)工藝要求，可完成速度鏈的控制處理。并通過現(xiàn)場總線控制各分部變頻器的運行速度。 本系統(tǒng)共有五組負荷分配要求，plc可根據(jù)現(xiàn)場采集的電流、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)節(jié)負荷分配系數(shù)，完成負荷分配功能。計算平均負荷轉(zhuǎn)矩方法如下列公式所示[1]。 plc根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩m和實際轉(zhuǎn)矩mli比較進行調(diào)節(jié)。 在半干壓上下棍和卷取部采用張力控制。通過張力反饋信號，自動進行恒張力控制。張力傳感器采用abb壓迫式（枕式）張力傳感器。s7-400plc和op27操作屏，通過profibus-dp總線相連，op27通過dp總線得到plc采集的數(shù)據(jù)信息，并將指令、數(shù)據(jù)信息經(jīng)dp總線傳輸給plc，由s7-400plc動態(tài)調(diào)節(jié)各分部傳動性能和各分部恒張力控制，進行實時監(jiān)控。 輔助s7-200plc，作為s7-400plc的從站，與主站配合完成自動換卷功能。這種分散式dcs控制系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的可靠性。另一臺plc安裝在壓榨部操作臺，通過em277與主plc組成dp網(wǎng)，完成電氣一體化輔助控制。控制各種連鎖、保護控制功能。 4.3 變頻器控制功能 本系統(tǒng)采用abb公司的acs600和acs800系列直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）變頻器，配有光電編碼器速度反饋，構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。每臺變頻器配有一個npba-12，可和profibus-dp網(wǎng)絡(luò)連接，與plc和操作屏通訊，接受來自現(xiàn)場操作屏的指令信息，動態(tài)調(diào)整電機運行狀態(tài)。 5 結(jié)束語 自調(diào)試完成到現(xiàn)在紙機已正常生產(chǎn)兩個月，系統(tǒng)運行正常，profibus-dp網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定無故障。主站s7-400plc與從站正常通訊，并和上位優(yōu)化控制系統(tǒng)通訊良好，同時和dcs控制系統(tǒng)、qcs控制系統(tǒng)正常通訊。可通過現(xiàn)場操作屏對紙機進行控制，在任意一操作屏上都能修改全局參數(shù)，避免操作人員往返于各個操作臺之間。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，精度高。很好發(fā)揮了profibus-dp網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性能，得到用戶的肯定。 參考文獻 [1] 孟彥京. 造紙機變頻傳動原理與設(shè)計. 西安:陜西人民出版社,2002. [2] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社,1999.