基于过程现场总线技术的群控系统

    1 引 言 
    随着中国由钢铁大国向钢铁强国目标的迈进，冶金装备正朝着大型化、现代化、自动化的方向迅猛发展。从单元控制装置、单体设备自动化以至于全线的自动化系统和全厂全公司的生产管理的控制系统正逐渐遍布于选矿、冶炼、轧制等冶金工业的各个方面。冶金自动化装备技术的发展与应用使冶金产品的质量和冶金生产线的作业率获得极大的提高，新产品、新工艺的开发周期大为缩短，获得了极其显著的经济效益。 
    目前，随着过程控制技术，自动化仪表技术和计算机技术的成熟和发展，冶金自动化装备技术又发生了一次技术变革，这次革命的基础就是现场总线的产生。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。自总线技术诞生以来。各国相继制定了现场总线标准，其中主要的有控制局域网络CAN（Controller Area Net-work）,局部操作网络Lon Works（Local Operating Network）,过程现场总线Profibus（Process Field Bus）和HART（Highway Addressable Remote Transducer）等。 
    同时，随着计算机技术和电力电子技术的发展、变频器产品的可靠性也有了很大的提高，人们从对变频器的应用已从单台变频器调速系统开始向多台变频器群控系统发展。 
    安阳钢铁集团有限公司随着产品结构调整的深层次发展，冶金设备装备大型化、自动化水平迅速提高，特别是在交直流传动领域，已取得相当成熟经验。下面介绍的是在安钢获得极大成功的基于Profibus-DP现场总线技术上的6SE70变频器群控系统。 
    2 Profibus控制系统特点 
    Profibus是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线。包括Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三部分。它们只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。Profibus支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权。主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。Profibus适用于制造自动化和过程自动化。 
    Profibus-DP是针对变频器等电气传动系统要求动态响应快的特点而由SIMENS等13家公司组成的ISP组织推出的现场总线。这种形式的现场总线具有高的数据传输率，快的动态响应时间和极强的抗干扰性。Profibus-DP访问方法采用EN5017中规定的，带有主/从关系的令 牌传送原理，只有主站能接受令牌，从站不能接受传输权限。通过指定连接从站（变频器）的CBP板进行直接编址。 
    Profibus-DP在多变频器系统中的应用具有很大的优越性:①控制室和现场变频器间可利用多种传输介质，如双绞线、光纤、同轴电缆等，提高了不同场合的适应性;②系统中的多台变频器只用1条物理介质完成数据传输，从而节省大量现场接线，使安装简便且工程造价低;③采用了数字信号传输技术，避免了信号衰减和共模干扰，还可实现检错功能。从而极大地提高了信号传输的可靠性和精度;④随着变频器的性能和可靠性的提高，其就地处理数据的功能增强。大多数时间内，变频器只接受频率指令运行，这种现场总线的分散性和变频器本身的智能性的统一，使得整个控制系统的可靠性得到大大加强;⑤由于变频器的运行直接由上一级自动化系统的应用软件控制，所以当现场工艺改变时只需要更改应用软件就可以了，不用再重新进行布线，使系统的灵活性大大加强;⑥由Profibus-DP组成的变频器系统是一种全开放的系统。不同厂家的变频器都可挂到同一总线上运行，解决了因不同品牌不兼容而带来的麻烦。 [page]
    2 Profibus-DP的变频器控制系统网络及通讯协议 
    西门子6SE70系列变频器的Profibus-DP通讯卡为CBP，插在变频器中，由基本装置提供电源。CBP有1个9针D型插座用于连接到Profibus-DP系统中去。

    在本系统中，上一级自动化系统作为主站，变频器作为从站工作时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈回来的运行状态及故障报警状态。 

    变频器现场总线控制系统若从软件角度看，其核心内容是现场总线的通讯协议。Profibus-DP的通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO包括参数值PKW及过程数据PZD，参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码，如最大频率，加/减速时间、基本频率等。过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值，速度反馈值、电流反馈值等。Profibus-DP共有2类5种类型的PPO:一类是无PKW而有2个字或6个字的PZD，另一类是有PKW且还有2个字、6个字或10个字的PZD。将网络数据这样分类定义的目的是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD 的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。 
    3 变频器运行设置 
    变频器群控系统应用现场总线连成网络后，除了在上一级自动化系统进行编程外，在每个变频器上也要进行适当的参数设置。 
    3.1 变频器的基本设置 
    
    其中P053、P060、P711-P721，P918是变频器的功能码。这些功能码必须经过设定后，变频器才能和上一级自动化系统进行数据交换，完成电机调速功能。 
    3.2 过程数据PZD的连接 
    变频器运行时，只有将频率设定值和速度实际值与实际的控制通道连接起来，变频器才能按照主站的指令运行，同时将实际值反馈到主站。系统工作时，CBP将接收到的数据存储在自身的内存中，然后通过模拟量连接器，将每一个过程数据PZDi（i=1-10）与控制通道连接起来。例如过程数据PZD2通过模拟量连接器K3002作为频率主设定。

    PKW:参数标识值;PZD:过程数值;STW:控制字; 
    HSW:主设定值;HIW:主实设际值 
    在图3中K3001-K3010为16位单字模拟量连接器;KK3032、KK3035、KK3036为32位双字模拟量连接器，B3100-B3115为开关量连接器，用于连接PZD的第1个字。P734是用于选择状态实际值连接量的功能码，P554是用于选择变频器启动和停止功能连接量的功能码。在变频器上，主给定控制通道所设定为:P554.1=B3100（控制字0位）、P555.1=B3101（控制字1位）、P443.1=B3102（主设定）、P588.1=3411（控制字28位），实际值控制通道的设定为P734.1=K032（状态字1）、P734.2=KK151（实际速度值）P734.4=K033（状态字2）。变频器通过上述设置后，即可按照上一级自动化系统的要求运行。 
    4 结语 
    变频器群控系统采用了Profibus-DP现场总线控制模式后，不但整个系统可靠性强，操作简便，而且可根据工艺需要进行灵活的功能修改。该控制系统在安钢应用以后，运行效果良好，为冶金设备装备现代化，自动化提供了一个成功范例。相信随着数字化和网络化时代的到来，该系统推广应用的前景，将越来越广阔。