基于Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的造紙機傳動(dòng)控制系統
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現場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)很多, 但由于大多交直流傳動(dòng)裝置可以采用Profibus（ Process Field Bus）現場(chǎng)總線(xiàn)通訊，所以PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)在傳動(dòng)控制領(lǐng)域占有較大的市場(chǎng)份額，并且在逐年地增加。另外PROFIBUS總線(xiàn)標準包括3個(gè)方面的內容：FMS、DP、PA，可以適用于不同的應用領(lǐng)域。PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)就是實(shí)現現場(chǎng)級設備數字化的工業(yè)現場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，它具有較強的現場(chǎng)信息集成能力，可靠性好，維護性好，且總線(xiàn)協(xié)議是開(kāi)放的。這樣，如果給現場(chǎng)設備接入具有現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )功能的接口，不僅可以利用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)管理分布的設備，還可以克服目前普通控制方式的缺點(diǎn)。
1 造紙機控制系統介紹
本系統為造紙車(chē)間傳動(dòng)控制系統，系統采用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(guò)PROFIBUS-DP通訊轉換接口與PLC構成PROFIBUS-DP控制系統來(lái)同時(shí)驅動(dòng)負載，如圖1所示。系統由PC機發(fā)送控制信息、設定運行參數以及讀取運行狀態(tài)的作用;數字測速部件采用高分辨率的旋轉編碼器PG，由PG分別測量造紙傳動(dòng)中各單元的實(shí)際速度，送入PLC中;PLC把收集到的各單元的實(shí)際速度與設定運行參數綜合，按既定的同步控制策略進(jìn)行運算和控制，得到各單元電機的運行速度設定值，通過(guò)PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)寫(xiě)入變頻器執行。由于PLC直接通過(guò)數字通訊模式，按照一定采樣周期進(jìn)行信息的輸入、處理和輸出，簡(jiǎn)化了系統外圍模塊，縮短了控制周期，同時(shí)提高了在線(xiàn)監測、運算和驅動(dòng)能力，控制精度和工作可靠性也進(jìn)一步提高。另外，可以通過(guò)通信接口將變頻器相關(guān)參數讀到PC機，供操作人員監視，并可根據實(shí)際情況做出相關(guān)的判斷和調整，使操作更加簡(jiǎn)單、直觀(guān)。系統運行參數的設定也可以通過(guò)遠程通信實(shí)現，從而降低操作故障，減少勞動(dòng)力的投入。 
圖1 系統結構圖 由于高速造紙機多電機同步傳動(dòng)系統必須具備高速的總線(xiàn)通訊能力，以保證各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)時(shí)同步。PROFIBUS-DP采用兩種傳輸技術(shù)：RS485與光纖。其數據傳輸速率最高可達到12Mbps/s，比其它主要的現場(chǎng)總線(xiàn)速率都高，可以滿(mǎn)足多電機同步傳動(dòng)的要求，實(shí)現系統的高速通訊能力。
2PROFIBUS-DP總線(xiàn)通訊轉換接口
從系統結構圖中我們可以看出，PLC通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)與變頻器進(jìn)行通訊的過(guò)程中，PROFIBUS-DP通訊轉換接口是信號通訊的關(guān)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(zhuān)用ASIC結合單片機來(lái)完成設計。其中PROFIBUS通信專(zhuān)用ASIC選用的是西門(mén)子公司的SPC3，系統的控制核心選用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(xiàn)接口兩部分組成。在處理器接口電路中80C31通過(guò)P0口和P2口擴展外部存儲器，將SPC3內部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過(guò)對雙口RAM的讀寫(xiě)來(lái)完成對SPC3的初始化和有關(guān)數據的交換。SPC3芯片通過(guò)請求發(fā)送信號（RTS），發(fā)送數據信號（TXD），接收數據信號（RXD）,通過(guò)高速光耦HCPL7720和總線(xiàn)收發(fā)器SN75ALS176相連，構成串行總線(xiàn)接口。
PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )接口在物理上與RS-485網(wǎng)絡(luò )接口相近，PROFIBUS-DP總線(xiàn)驅動(dòng)一側和主站連接，另一側通過(guò)光耦與SPC3連接，采用光耦主要是為了消除來(lái)自零線(xiàn)上的干擾。在本設計中選用是SN75ALS176總線(xiàn)驅動(dòng)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(xiàn)電纜采用的是A類(lèi)型的屏蔽雙絞線(xiàn)，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(wù)是對SPC3進(jìn)行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。 
圖3 通訊轉換接口主程序流程圖 由于用于現場(chǎng)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(shù)的基礎上，軟件方面采用指令冗余，設置軟件陷阱，系統的自檢及軟硬件相結合的看門(mén)狗技術(shù)，保證軟件出軌的自動(dòng)恢復，從而進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力。 3 結束語(yǔ) 基于PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的造紙機多電機同步傳動(dòng)系統的研究與開(kāi)發(fā)，提高了傳動(dòng)系統的可靠性和控制的精度，增強了系統的抗干擾能力。利用PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)使系統各設備件具有通訊能力，形成網(wǎng)絡(luò )系統，同時(shí)強大的軟件功能可縮短工程時(shí)間，提高系統的智能化程度，實(shí)現復雜的控制功能，并應用于大中型紙機傳動(dòng)控制系統中，降低對進(jìn)口產(chǎn)品和軟件的依賴(lài)性,加大了造紙行業(yè)中國內相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)所占的比重,提高具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競爭力。在實(shí)際中，用它對造紙系統進(jìn)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(mǎn)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。
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