基于PROFIBUS现场总线的复卷机电控系统设计

引言

　　复卷机由放卷辊（又称退纸辊）、引导辊、纵切机构、压纸辊、卷取底辊（包括前底辊和后底辊）等构成，如图1所示。

　　 复卷机对控制系统要求：压纸辊对纸卷的压力逐渐减小；放卷电机要提供一个反向力矩，在纸面上产生恒定的张力，保证在复卷过程中不断纸和松纸、成品纸内紧外松的品质；对前后底辊电机进行负荷分配；线速度长期稳定且调速范围宽，动态响应快。

　　 针对这种情况，本系统设计了一种以PROFIBUS-DP现场总线为通信方式，PLC为控制核心，西门子矢量控制变频器为执行机构，OP面板为人机界面的调速控制系统。

1 现场总线及其阿络结构

　　 现场总线口是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

　　PROFIBUS现场总线是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，协议结构根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型。ISO/OSI协议模型分为7层，其中PROFIBUS协议结构采用OSI的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层定义了物理特性，他上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据应用软件。PROFIBUS总线又分为PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP三种兼容通信方式。其中PROFIBUS-DP（分式式通信系统）采用第一层和第二层，因此通信速度快，数据传输量大，具有良好的可扩展性，成为目前广大用户普遍采用的通信方式。

　　 PROFTBUS-DP是一种电气网络，通过RS 485总线标准接口进行通信，最多可以有126个站点。PROFIBUS-DP和。PROFIBUS-PA之间可通过DP/PA耦合器（Coupler）或链接器（Link）相连接。

　　 PROFIBUS-DP采用主一从系统，主站周期性的轮询从站，与从站进行数据交换。

2 基于现场总线的复卷机控制系统结构

　　由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，他从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备之间连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的设备运行信息和诊断维护信息送入人机界面，用户可以监控所有设备的运行状况，查询故障原因，并可以根据复卷机工艺的不同要求，设定和修改工艺参数（例如张力）。因此，把现场总线技术和HMI技术应用于复卷机已经成为复卷机自动控制的发展趋势和主流。所以本系统以S7-300 PLC为控制中心，采用具有强大和丰富控制功能的西门子6SE70矢量变频器作为执行装置，OP270操作面板为操作单元组成全数字现场总线复卷机交流传动控制系统。系统设计方案如图2所示。

　　系统中PLC是一类主站，OP面板是二类主站，变频器和远程I/O是从站，变频器对自身的拖动点进行速度闭环控制、转矩控制、电流控制、启动环节、过流过压保护控制、工艺调节控制、故障检测和保护、电机温度监视等。PLC作为主站是整个系统的控制中心，主要实现对变频器的启动、停止、爬行、运行、微升、微降、速度链和负荷分配、张力控制等功能。OP面板通过PLC实现对变频器的停止、爬行、运行、微升、微降、点动、张力给定操作和调整以及用户管理等。[page]

3 网络硬件组态

　　PROFIBUS-DP网络的拓扑结构口[3]有3种：纯主一从、主一主、多主一从混合系统。主站有：PLC、PC机、PG编程器、OP操作面板等；从站主要有：变频器、远程I/O、PLC等设备。由图2可知，该复卷机系统是多主一从混合系统，因此整个网络的硬件组态包括3部分：主站组态、从站组态、OP面板组态。

　　主站选用S7-300 PLC，CPU选用315-2DP，该CPU有2个DP接口，1个可设置成MPI口，用于与上位机和PG编程器的通信，另外一个DP口用于PROFIBUS-DP网络通信用。OP270面板自身带有DP口可以挂在总线上，变频器通过PROFIBUS通信卡CBP2和网络相连，实现与PLC和OP面板的通信。

　　 3.1 主站组态

　　主站是以网络组态的方式组态的。在STEP7中创建一个新项目，插入一个S7-300站，在进行硬件组态时选择PLC的CPU型号为315-2DP，在组态PLC硬件时，当在机架中放置CPU时，产生一条总线，并设定主站地址为2，在进行网络参数组态时设置传输速率为"1.5 Mb/s"，行规为"DP"，并将其设置为主站（DP Masller）。

　　 3.2 从站组态

　　在PROFIBUS-DP选项中选择IM153并拖到DP网络上，地址设定为3，4，接着分配I/O地址。然后在PRO-FIBUS-DP选项中选择"Vector Control DCUVC"，拖动连接到DP网络上，并定义从站的地址为5。除组网设定地址和通信速率外，还需要组态变频器的通信区。双击变频器从站图标，进入通信接口区。选择PZD为"Enterlength"，通信方式根据复卷机传送数据的要求，把MasterDrive的PPO类型设为PPO2，PKW的通信区起始地址为256，PZD的通信区起始地址为264。然后接着组态另一个从站，直至3个变频器从站组态完毕。

　　3.3 OP面板在网络中的组态

　　OP面板也可以作为从站接入DP网。但是OP面板本身要求的实时性较高，数据的修改需要及时发送。如果采用从站方式，系统数据的传送方式是主站查询方式，实时性不能满足要求，因此采用主站的方式接入网络，形成一个混合系统。OP面板在STEP7中只需要将OP面板图标拖放到ROFIBUS网络上，并设定地址缺省为1。这样整个网络系统就组态完成，如图3所示。

4 PROFIBUS-DP网络的通信方式

　　PROFIBUS-DP网络通信包括两个方面：PLC与变频器和远程I/O，PLC与OP面板之间的通信。主站之间的通信采用令牌方式，主站与从站之问采用主站顺序查询从站方式，从站不能访问主站，从站之间也不能相互访问。OP面板与变频器和远程I/O的通信通过PLC完成。

　　在系统中，主站通信主要是PLC与OP操作面板之间的数据传输。PLC属于第一类主站，OP操作面板属于第二类主站。由于采用令牌环方式，系统初始化时，PLC自动负责生成令牌，并对令牌的分配进行管理。拥有令牌的站点有权对总线控制，发送或读取某个站点的数据。PLC首先将总线上的主站按站号大小排列形成一个递加的序列，再将序列的第一个站点作为最后一个站点的下一站点，这样就形成了一个逻辑环。

　　 PLC与变频器的通信是通过变频器中插入的通信模块CBP2板来实现的，ET200M是通过接口IM153连接在PROFIBUS-DP上与主站PLC进行通信，PLC主站周期性轮询从站。PLC对ET2020M的操作与PLC本身集成的I/O口的操作一样。PLC对变频器从站读写通过调用S7-300 PLC内部的系统功能SFC14和SFC15实现。在组态时设定的PPO2有6个PZD字同时使用，用来发送控制字和电机给定频率，接收变频器状态字和频率返回值，监视变频器的电压、电流、电机转矩、电机功率等参数；4个PKW字用来通过PROFIBUS-DP总线修改电机或变频器参数。数据传输的帧结构如图4所示。

5 结 语

　　这种基于现场总线的复卷机控制系统是一种先进的控制系统，由于该系统采用了现场总线和PLC技术组成的全数字化交流传动控制系统，有效避免了干扰，提高了系统的控制精度，缩短了设备的安装、调试周期。采用OP面板数字化操作，使操作简单，能动态监控被控设备的运行过程和状态，修改和设定工艺参数，了解报警信息，使维护更加方便，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率和可靠性。