通過PROFIBUS-DP總線技術設計造紙機多電機同步傳動系統(tǒng)

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，工廠業(yè)主對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，分別對每臺電機進行單獨控制在某些場合已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，而需要同時對多臺電機進行控制，讓其更好地協(xié)調(diào)運行，因此多電機同步傳動控制應運而生。最早的同步控制方法有模擬放大器同步控制和電動式連鎖同步控制等方式，前者有抗干擾差和漂移等缺陷，而后者有調(diào)整不方便和體積龐大等不足。從90年代中期國外現(xiàn)場總線技術開始進入工業(yè)化實用階段，采用現(xiàn)場總線通訊方式的多電機同步控制系統(tǒng)開始廣泛應用。在紙機傳動系統(tǒng)中，隨著車速的提高和生產(chǎn)工藝的要求，也逐步地引進多電機同步控制方法，現(xiàn)代紙機的多分部傳動系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線通訊同步控制的已經(jīng)占到了90%以上。

現(xiàn)場總線種類很多, 但由于大多交直流傳動裝置可以采用Profibus（ Process Field Bus）現(xiàn)場總線通訊，所以PROFIBUS現(xiàn)場總線在傳動控制領域占有較大的市場份額，并且在逐年地增加。另外PROFIBUS總線標準包括3個方面的內(nèi)容：FMS、DP、PA，可以適用于不同的應用領域。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術就是實現(xiàn)現(xiàn)場級設備數(shù)字化的工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術，它具有較強的現(xiàn)場信息集成能力，可靠性好，維護性好，且總線協(xié)議是開放的。這樣，如果給現(xiàn)場設備接入具有現(xiàn)場總線網(wǎng)絡功能的接口，不僅可以利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡來管理分布的設備，還可以克服目前普通控制方式的缺點。

1 造紙機控制系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)為造紙車間傳動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PC機作為上位機，PLC作為中心控制器，并由ABB公司的ACS600變頻器通過PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口與PLC構成PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)來同時驅(qū)動負載，如圖1所示。系統(tǒng)由PC機發(fā)送控制信息、設定運行參數(shù)以及讀取運行狀態(tài)的作用;數(shù)字測速部件采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器PG，由PG分別測量造紙傳動中各單元的實際速度，送入PLC中;PLC把收集到的各單元的實際速度與設定運行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進行運算和控制，得到各單元電機的運行速度設定值，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線寫入變頻器執(zhí)行。由于PLC直接通過數(shù)字通訊模式，按照一定采樣周期進行信息的輸入、處理和輸出，簡化了系統(tǒng)外圍模塊，縮短了控制周期，同時提高了在線監(jiān)測、運算和驅(qū)動能力，控制精度和工作可靠性也進一步提高。另外，可以通過通信接口將變頻器相關參數(shù)讀到PC機，供操作人員監(jiān)視，并可根據(jù)實際情況做出相關的判斷和調(diào)整，使操作更加簡單、直觀。系統(tǒng)運行參數(shù)的設定也可以通過遠程通信實現(xiàn)，從而降低操作故障，減少勞動力的投入。

圖1 系統(tǒng)結構圖

由于高速造紙機多電機同步傳動系統(tǒng)必須具備高速的總線通訊能力，以保證各傳動點實時同步。PROFIBUS-DP采用兩種傳輸技術：RS485與光纖。其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達到12Mbps/s，比其它主要的現(xiàn)場總線速率都高，可以滿足多電機同步傳動的要求，實現(xiàn)系統(tǒng)的高速通訊能力。

2PROFIBUS-DP總線通訊轉(zhuǎn)換接口

從系統(tǒng)結構圖中我們可以看出，PLC通過PROFIBUS-DP總線與變頻器進行通訊的過程中，PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口是信號通訊的關鍵部分，如圖2所示。在我研究所設計的通訊接口中使用的是PROFIBUS通信專用ASIC結合單片機來完成設計。其中PROFIBUS通信專用ASIC選用的是西門子公司的SPC3，系統(tǒng)的控制核心選用Intel公司的MCS-51系列單片機中的80C31。

圖2 通訊接口結構圖

PROFIBUS-DP接口主要有處理器接口和串行總線接口兩部分組成。在處理器接口電路中80C31通過P0口和P2口擴展外部存儲器，將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RAM的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關數(shù)據(jù)的交換。SPC3芯片通過請求發(fā)送信號（RTS），發(fā)送數(shù)據(jù)信號（TXD），接收數(shù)據(jù)信號（RXD）,通過高速光耦HCPL7720和總線收發(fā)器SN75ALS176相連，構成串行總線接口。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡接口在物理上與RS-485網(wǎng)絡接口相近，PROFIBUS-DP總線驅(qū)動一側(cè)和主站連接，另一側(cè)通過光耦與SPC3連接，采用光耦主要是為了消除來自零線上的干擾。在本設計中選用是SN75ALS176總線驅(qū)動芯片和HCPL7720光耦，HCPL7720光耦是一種比較特殊的光耦，它是雙電源供電，速度最高達25Mbit。另外在本設計中PROFIBUS-DP總線電纜采用的是A類型的屏蔽雙絞線，有助于改善電磁兼容性，其特征阻抗為130～165Ω，截面積>0.3 。

PROFIBUS-DP的AS芯片SPC3IC集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機構，因此80C31不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機。80C31的主要任務是對SPC3進行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。

圖3 通訊轉(zhuǎn)換接口主程序流程圖

由于用于現(xiàn)場的設備要特別考慮抗干擾能力，因此在設備硬件抗干擾技術的基礎上，軟件方面采用指令冗余，設置軟件陷阱，系統(tǒng)的自檢及軟硬件相結合的看門狗技術，保證軟件出軌的自動恢復，從而進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 結束語

基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的造紙機多電機同步傳動系統(tǒng)的研究與開發(fā)，提高了傳動系統(tǒng)的可靠性和控制的精度，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線使系統(tǒng)各設備件具有通訊能力，形成網(wǎng)絡系統(tǒng)，同時強大的軟件功能可縮短工程時間，提高系統(tǒng)的智能化程度，實現(xiàn)復雜的控制功能，并應用于大中型紙機傳動控制系統(tǒng)中，降低對進口產(chǎn)品和軟件的依賴性,加大了造紙行業(yè)中國內(nèi)相關產(chǎn)品和技術所占的比重,提高具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品在市場中的競爭力。在實際中，用它對造紙系統(tǒng)進行改造，完成了預期的通信和控制功能，大大提高了生產(chǎn)效率，取得了滿意的效果,這對國家的經(jīng)濟建設和經(jīng)濟安全都具有重要意義。