葛鎖良， 衛(wèi)胤強(qiáng)， 方唐利

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 引 言

隨著造紙工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)自動化水平的提高，越來越多的自動化控制設(shè)備（如傳感器、驅(qū)動器及可編程控制器等）被應(yīng)用于造紙工業(yè)現(xiàn)場。這些設(shè)備之間的通信通過串行現(xiàn)場總線來完成，目前現(xiàn)場總線存在多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其中PROFIBUS是國際通用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的生產(chǎn)總線；MPI是多點接口（Multi Point Interface）的縮寫，每個SIMATIC CPU的第1個通信接口都集成MPI通信協(xié)議，所以MPI和PROFIBUS在工業(yè)控制現(xiàn)場得到了越來越廣泛地應(yīng)用［1］。本文對MPI和PROFIBUS在某造紙生產(chǎn)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

造紙機(jī)由網(wǎng)部、壓榨部、大缸、烘干、壓光及卷曲等部分組成，各部分都有電機(jī)驅(qū)動，各傳動點之間由速度鏈控制，以保證前后速度協(xié)調(diào)一致。造紙工藝要求設(shè)備傳動時應(yīng)保證各部分傳送時具有恒定的速比和張緊度，即各部分線速度相等。原造紙廠由4條生產(chǎn)線和1條備用線組成，其控制系統(tǒng)主要存在的問題有：①通信系統(tǒng)為安川公司自行開發(fā)，使用非公開的通信協(xié)議，與其他廠家的設(shè)備不能兼容；②沒有上位機(jī)監(jiān)控；③系統(tǒng)使用多年，設(shè)備老化，故障率高。

由于以上原因，需設(shè)計一套新系統(tǒng)替代原系統(tǒng)，新系統(tǒng)除具備原系統(tǒng)的功能外，還應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)定性、開放通信協(xié)議及良好的擴(kuò)展性等。

新控制系統(tǒng)如圖1所示，由圖1可見，通信網(wǎng)絡(luò)采用MPI和PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線設(shè)計。主控制單元采用西門子S7－300 317－2DP PLC，上位機(jī)采用裝有WinCC組態(tài)軟件的工控機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)采用艾默生EV3000系列變頻器?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)。備用線PLC的MPI／DP端口與工控機(jī)的CP5613通信卡連接，實現(xiàn)上位機(jī)與備用線及生產(chǎn)線上各種設(shè)備的通信，完成數(shù)據(jù)交換和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視。

（2）現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)。備用線PLC的DP端口與備用變頻器的總線適配器和1＃～4＃生產(chǎn)線PLC的第1個DP端口相連，如圖1中的PROBIBUSDP1所示；1＃～4＃生產(chǎn)線PLC的第2個DP端口與本生產(chǎn)線變頻器的總線適配器相連，如圖1中的PROFIBUS－DP2～PROFIBUS－DP5所示。備用線和生產(chǎn)線的PLC負(fù)責(zé)本線變頻器的速度控制和數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)某條生產(chǎn)線的某臺變頻器出現(xiàn)停機(jī)或通信故障時，備用線對應(yīng)位置的變頻器立刻投入使用，替代發(fā)生故障的變頻器，使該條生產(chǎn)線繼續(xù)生產(chǎn)運行，用一備多的方式實現(xiàn)系統(tǒng)硬件冗余，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2 監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)

2.1 MPI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信

MPI是當(dāng)通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時采用的一種簡單經(jīng)濟(jì)的通信方式。物理層是RS－485，最大傳輸速率為12 Mb／s。PLC通過MPI能同時連接STEP7編程器、人機(jī)界面（HMI）及其他SIMATIC S7、M7，組網(wǎng)時不需要額外的硬件和軟件。

在MPI網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸有多種方式，如采用全局?jǐn)?shù)據(jù)通信方式，或采用系統(tǒng)功能SFC60、SFC61方式［2］，本造紙廠系統(tǒng)采用WinCC直接調(diào)用STEP 7中變量的方式，采集每條生產(chǎn)線上變頻器的頻率值和電流值以及生產(chǎn)線上各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。這種方式在滿足信息交換速率要求的同時，減少建立變量的工作量，降低建立變量出錯概率，大大提高了工作效率［3］。

2.2 WinCC數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)

本造紙廠系統(tǒng)采用WinCC組態(tài)的計算機(jī)監(jiān)控畫面，負(fù)責(zé)對各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程、各項運行指標(biāo)（如輥子的線速度、變頻器輸出電流、變頻器起停狀態(tài)）進(jìn)行實時監(jiān)控，對重要過程參數(shù)的異常情況產(chǎn)生報警，同時完成報表歸檔和打印工作。

3 現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)

3.1 PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

PROFIBUS－DP主要用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信，特別適合于現(xiàn)場級分布式I／O之間的通信，主站之間的通信采用令牌方式，主站和從站之間的通信為主從方式［1］。

在STEP 7的硬件組態(tài)中加載總線適配器的GSD文件，就可以把變頻器智能從站組態(tài)到PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)中，然后將網(wǎng)絡(luò)波特率設(shè)為187.5 kb／s，通信格式設(shè)為PPO1，并為每個變頻器分配1個從站地址，最后把設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)下載到主站。

3.2 現(xiàn)場級數(shù)據(jù)通信

在周期性通信中PROFIBUS－DP協(xié)議使用PPO類型作為數(shù)據(jù)傳遞的格式，每種PPO類型有不同的數(shù)據(jù)組成，由用戶在通信參數(shù)中設(shè)置，分別在主站和從站中指定，并要求一致［4］。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，變頻器的數(shù)據(jù)通信格式選為PPO1，如圖2所示。

圖2 PPO1數(shù)據(jù)格式

PPO1分為4字節(jié)PKW參數(shù)區(qū)和2字節(jié)PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)，兩者均為連續(xù)參數(shù)區(qū)。PLC通過SFC15將命令控制字和目標(biāo)頻率傳給變頻器的PKW和PZD數(shù)據(jù)區(qū)，同時PLC通過SFC14讀取變頻器的PKW和PZD數(shù)據(jù)區(qū)的電流值和運行頻率值［5－6］。DB1為1號變頻器對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，PLC與變頻器數(shù)據(jù)通信格式如圖3所示。

圖3 PLC與變頻器數(shù)據(jù)通信

3.3 軟件實現(xiàn)

在DB1中定義PKW和PZD參數(shù)，見表1所列。

表1 DB1中PKW、PZD參數(shù)設(shè)定

當(dāng)主站和從站之間需要同步傳送比字節(jié)、字、雙字更大的數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)傳輸過程中被一個更高優(yōu)先級的事件中斷，將會使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不一致（不連續(xù)），即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一部分來自中斷之前，一部分來自中斷之后［7］。為了避免這種情況發(fā)生，可以使用系統(tǒng)功能SFC 14“DPRD－DAT”和SFC 15“DPWR－DAT”來實現(xiàn)PLC主站和變頻器從站的一致性數(shù)據(jù)傳輸，即先調(diào)用SFC15將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送，再調(diào)用SFC14將接受到的數(shù)據(jù)解包［8－9］。調(diào)用SFC14和SFC15的程序為：

／／發(fā)送讀取電流命令

CALL"DPWR－DAT"／／SFC 15

LADDR：＝DB1.DBW26／／輸出映像區(qū)起始地址

RECORD：＝P＃DB1.DBX0.0 BYTE 8／／存放要發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)區(qū)

RET－VAL：＝MW2／／錯誤代碼返回值存放區(qū)

／／寫PZD控制字和頻率

CALL"DPWR－DAT"／／SFC 15

LADDR：＝DB1.DBW30／／輸出映像區(qū)起始地址

RECORD：＝P＃DB1.DBX8.0 BYTE 4／／存放要發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)區(qū)

RET－VAL：＝MW4／／錯誤代碼返回值存放區(qū)

／／讀電流

CALL"DPRD－DAT"／／SFC 14

LADDR：＝DB1.DBW24／／輸入映像區(qū)起始地址

RET－VAL：＝MW6／／錯誤代碼返回值存放區(qū)

RECORD：＝P＃DB1.DBX12.0 BYTE 8／／存放要發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)區(qū)

／／讀PZD的狀態(tài)字和頻率

CALL"DPRD－DAT"／／SFC 14

LADDR：＝DB1.DBW28／／輸入映像區(qū)起始地址

RET－VAL：＝MW8／／錯誤代碼返回值存放區(qū)

RECORD：＝P＃DB1.DBX20.0 BYTE 4／／存放要發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)區(qū)

4 結(jié)束語

改造后的造紙廠控制系統(tǒng)適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的開放性和系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性均有了很大提高。由于采用MPI通信網(wǎng)絡(luò)完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，而采用開放協(xié)議的PROFIBUS－DP總線作為S7－300 PLC與EV3000變頻器通信的現(xiàn)場總線，使得不同廠家的設(shè)備集成到一個系統(tǒng)中，同時也是備用線PLC與各條生產(chǎn)線PLC連接的總線，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的冗余，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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