基于PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)石灰窯電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

引言

電氣控制系統(tǒng)中隨著PLC的問(wèn)世，用PLC內(nèi)部程序（虛擬繼電器）代替實(shí)際繼電器控制，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。隨著PLC的不斷發(fā)展，控制功能越來(lái)越強(qiáng)大，一臺(tái)PLC可同時(shí)控制幾十臺(tái)變頻器，但控制信號(hào)的增加，需要大量的控制電纜和顯示裝置。尋求一種更高速度、更低成本、低功耗、高可靠性的控制系統(tǒng)，擺在我們面前。使用PROFIBUS—DP總線(xiàn)技術(shù)是目前最好的方法。

1、 PROFIBUS—DP技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介

PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，非常適合于電氣控制系統(tǒng)。

PROFIBUS通信協(xié)議已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但PROFIBUS—DP從站的開(kāi)發(fā)必須符合使用者的要求，所以開(kāi)發(fā)PROFIBUS—DP智能從站越來(lái)越受到人們的重視，但由于PROFIBUS協(xié)議的復(fù)雜和繁瑣性，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家使用的PROFI．BUS—DP智能從站產(chǎn)品都是進(jìn)口的。

2006年北京鼎實(shí)有限公司開(kāi)發(fā)的嵌入式PRO—FIBUS總線(xiàn)橋，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，它廣泛用于變頻器、電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)裝置、智能高低壓電器、電氣測(cè)量裝置、各種變送器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備及儀表等等。

2 、PROFIBUS—DP技術(shù)在石灰窯電氣控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

2．1 石灰窯電氣控制系統(tǒng)中使用PROFIBUS—DP

技術(shù)的必要性

石灰窯電氣控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PLC控制方式見(jiàn)圖1，動(dòng)力線(xiàn)和控制線(xiàn)都直接接入主控室柜內(nèi)。由于石灰窯電氣控制系統(tǒng)龐大（例如某鋼廠所用石灰窯PLC控制系統(tǒng)中，數(shù)字量用了大約1 500點(diǎn)，模擬量用了大約600個(gè)點(diǎn)，變頻器20臺(tái)），且電氣設(shè)備分散，控制線(xiàn)用量很大，一套300 t石灰窯控制信號(hào)電纜的造價(jià)約占總電纜金額的40％。

通過(guò)加入智能儀表，使用PROFIBUS—DP總線(xiàn)技術(shù)（見(jiàn)圖2），一方面由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需用一根通信電纜就將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，完成對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，從而除去了控制中的傳輸導(dǎo)線(xiàn)，可節(jié)約資金30萬(wàn)。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)，大捆大捆的傳輸導(dǎo)線(xiàn)需要單獨(dú)挖電纜溝或架電纜橋架，給施工帶來(lái)很多不便，且對(duì)檢修、維修也帶來(lái)很大困難。從站的建立，保證了控制的可靠性和維修、改造的方便性。尤其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制帶來(lái)了極大的方便，人們可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)運(yùn)行設(shè)備的情況，通過(guò)智能儀表給PLC和變頻器發(fā)布命令，控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等。

2．2 從站硬件組成

從站的核心是自行開(kāi)發(fā)的智能儀表，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。

它由兩大部分組成，第1部分是嵌入式PRFI—BUS總線(xiàn)橋；第2部分是用戶(hù)產(chǎn)品模板：包括了用戶(hù)單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、鍵盤(pán)控制、輸出顯示和地址設(shè)置6大部分。RS485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器一側(cè)與9針D型插座相連，另一側(cè)通過(guò)光耦與SPC3相連。

2．2．1 嵌入式PROFIBUS總線(xiàn)橋

PRFIBUS接口部分，采用北京鼎實(shí)有限公司開(kāi)發(fā)的嵌入式PRFIBUS總線(xiàn)橋PB—OEM2一SE接口板，其中的CPU使用AT89S52單片機(jī)，由于使用Siemens PLC（s7—300）作主站，所以選用Siemens的從站協(xié)議芯片SPC3來(lái)連接PROFIBUS—DP主站與從站。對(duì)AT89S52而言，SPC3相當(dāng)于它擴(kuò)展的一個(gè)外部RAM，是一個(gè)集成有PROFIBUS—DP協(xié)議的DP總線(xiàn)橋芯片。

SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，SPC3芯片中包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和各種緩沖器指針和緩沖區(qū)；內(nèi)部含有1．5kB的RAM，帶有11位地址線(xiàn)的并行接口。另外，SPC3內(nèi)部還集成了1個(gè)看門(mén)狗計(jì)數(shù)器，可工作于3種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測(cè)、波特率控制和DP控制。當(dāng)應(yīng)用處理器出現(xiàn)故障時(shí)，PROFIBUS—DP將被禁止，這樣就不至于危及外圍設(shè)備。作為SPC3的心臟，微序列器控制著整個(gè)工作過(guò)程。在UART中，并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流完成交換。

CPU與SPC3的接口電路見(jiàn)圖5，SPC3有內(nèi)部地址解碼電路，所以，AB8～AB10接地。此時(shí)DB7～ DB0是數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線(xiàn)，可以產(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0～AB3產(chǎn)生，AB4～AB7產(chǎn)生SPC3的片選信號(hào)，只有AB4～AB7同時(shí)為0時(shí)才選中SPC3。

目前，能滿(mǎn)足12Mbps波特率的驅(qū)動(dòng)芯片有SN65ALS176 SN65ALS1176 SN75ASL176、ADM1485、SN65HVD1176等。采用光電隔離主要是為了消除來(lái)自外界的干擾，能滿(mǎn)足12Mbps波特率的光耦有HCPL7720、HCPL0720、HCPL7721、HCPL0721、HCPL7710等。另外要求電源也要采取隔離措施，如加變壓器隔離或采用DC—DC模塊。

2．2．2 用戶(hù)產(chǎn)品模板部分

其核心部分是一個(gè)AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)接口分配電路見(jiàn)圖6。

1）數(shù)字量輸入部分（見(jiàn)圖7）

設(shè)備（電機(jī)）的模擬量采用了RC電路濾波，經(jīng)光耦隔離，再由施密特觸發(fā)器整形，變?yōu)閿?shù)字量輸入CPU。RC電路濾波以減小因觸點(diǎn)機(jī)械顫抖而造成的誤操作。為了減小電路板的體積，使總體結(jié)構(gòu)更加美觀和緊湊，還可以采用軟件防顫，同樣可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果，但程序運(yùn)行速度減慢了。

2）數(shù)字量輸出部分（見(jiàn)圖8）

數(shù)字量輸出部分采用了74LS373鎖存器推動(dòng)電耦，經(jīng)大功率三極管3DD15輸出。采用74LS563鎖存器的目的，一是74LS373的驅(qū)動(dòng)能力較大，可以直接推動(dòng)電耦；二是74LS373具有鎖存功能，可以方便地掛在總線(xiàn)上，同時(shí)CPU不慎死機(jī)跑飛，由看門(mén)狗復(fù)位時(shí)，能保持輸出不變，防止抖動(dòng)造成的誤動(dòng)作。

3）鍵盤(pán)（見(jiàn)圖9）

DP從站除了為完成基本的數(shù)字量輸入／輸出外，還將變頻器的一部分控制參數(shù)通過(guò)DP傳送給PLC，用于變頻器的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)及頻率的設(shè)定。為了完成多種功能，鍵盤(pán)采用典型電路結(jié)構(gòu)，6個(gè)鍵盤(pán)采用矩陣式排列，且用軟件進(jìn)行防顫。

4）顯示部分

為了給用戶(hù)和調(diào)試人員提供一個(gè)良好的交互界面，采用點(diǎn)陣式液晶全漢字操作界面，不僅可以清楚了解各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的詳細(xì)情況，而且還可以在現(xiàn)場(chǎng)觀看設(shè)備的運(yùn)行情況，調(diào)試變頻器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)及頻率的設(shè)定，不必再跑去操作室。這種可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試變頻器的功能，給調(diào)試人員帶來(lái)極大的方便。

3、 軟件設(shè)計(jì)

軟件的主體部分是對(duì)DP總線(xiàn)橋的讀寫(xiě)，通過(guò)對(duì)DP總線(xiàn)橋的讀寫(xiě)來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理。此接口板專(zhuān)為自主開(kāi)發(fā)PROFIBUS產(chǎn)品的廠家以O(shè)EM方式提供PROFIBUS接口。用戶(hù)不需要了解PROFIBUS開(kāi)發(fā)技術(shù)，不需要購(gòu)買(mǎi)PROFIBUS開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；不需要自己編寫(xiě)GSD文件，用戶(hù)產(chǎn)品的CPU通過(guò)串行接口向接口板讀/寫(xiě)、輸入／輸出數(shù)據(jù)，接口板自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PROFIBUS—DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信。即DP總線(xiàn)橋通過(guò)應(yīng)答方式來(lái)對(duì)儀表傳送所有數(shù)據(jù)。

4 、結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目是專(zhuān)為某鋼廠石灰窯電氣控制系統(tǒng)改造的。改進(jìn)設(shè)計(jì)前和改進(jìn)后300 t石灰窯電氣控制系統(tǒng)部分性能指標(biāo)變化見(jiàn)表1。按表1初步計(jì)算改進(jìn)設(shè)計(jì)后石灰窯可節(jié)約成本38萬(wàn)元，同時(shí)提高了控制系統(tǒng)的可靠性和控制的方便性，深受用戶(hù)歡迎。

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