现场总线技术PROFIBUS在HXD的应用

1.前言

　　HXD是一种高性能的烟草叶丝在线膨胀干燥设备，具有机械构造简单、自动化程度高、可靠性好、维护费用较低、可有效提高烟丝填充能力并改善和稳定卷烟内在品质等优点，因此研究并推广HXD的控制方式对促进我国烟草行业的发展是有益的。

　　PROFIBUS是PROCESS FIELD BUS的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，广泛应用于加工制造、流程工业及楼宇等方面的自动化控制，技术已十分成熟。PROFIBUS依据应用特点分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三个相互兼容版本。

2.HXD的构成及工艺流程

　　以济南卷烟厂的HXD为例介绍HXD的构成。

　　HXD可分为燃烧炉、干燥塔及旋风分离器两大部分，共有电机11台;燃烧炉部分与PROFIBUS-PA相连的设备如下：温度传感器（TT）6个，流量调节阀（FCV）6个，流量传感器（FT）3个，压力传感器（PT）1个;干燥塔及旋风分离器部分与PROFIBUS-PA相连的设备如下：温度传感器（TT）3个，流量调节阀（FCV）5个，水分仪（MT）一台，流量传感器（FT）4个，差压传感器（PdT）1个;两部分皆有火花（焰）探测器，另有压力调节阀、压力开关、电磁阀、单向阀等设备若干。

　　HXD具有将回潮后叶丝膨胀、干燥并自动调节烟丝水分等功能，其工艺流程如附图1所示。

图1 HXD工艺流程

3.控制系统构成及功能

　　3.1 控制系统构成

　　如附图2所示，系统采用PROFIBUS—DP单主站系统，主站选用高性能的S7-400型PLC，系统通过DP协议连接I/O控制单元ET200S、PC670、TP27、水分仪、变频器及S7300型PLC;通过DP/PA耦合器与现场温度传感器、流量传感器、压力传感器、流量调节阀相连。现场设有5个现场控制柜，控制柜接口模块分别选用IM157与IM151及带PROFIBUS接口的变频器，通过DP/PA耦合器可方便的将挂在ROFIBUS-PA上的设备集成到PROFIBUS-DP网络上，通过PROFIBUS协议将PLC与现场控制柜、现场检测与调节仪表等设备有机的连在一起，构成一体化控制系统。

图2  HXD网络拓扑图

　　3.2 系统功能

　　（1）水分/工艺气体温度的控制;

　　（2）工艺气体流量的控制;

　　（3）进料口压力的控制;

　　（4）系统清洗与灭火控制;

　　（5）燃烧炉的控制;

　　（6）工艺及控制参数的设定功能;

　　（7）工艺流程监控及设备运行状态显示;

　　（8）故障诊断与报警功能;

　　（9）相关参数的显示功能。[page]

　　3.3 系统工作原理

　　操作人员首先通过综合参数设定表（见附录）设定相关工艺与控制参数。按下启动按钮后系统检测安全连锁开关，如有异常则报警，正常则启动清洗与灭火系统加压泵，通过旋风分离器出口排气管路上风门开度调节工艺气体流量，通过排尘管路上风门开度控制进料口压力。水分/工艺气体温度的控制则由调节温控喷嘴系统流量（小范围）和燃烧炉热交换器输出温度实现。燃烧炉的控制相对独立，其与主站仅是启停等简单联系，燃烧炉主要是控制温度。在系统运行时，通过扩展的PROFIBUS诊断功能对故障快速定位，诊断信息在总线上传输并由PLC收集，通过PC670及TP27显示系统运行状态和相关参数，如在HXD出口检测到火花则通过灭火控制系统将混有火花的物料与正常物料分离并扑灭火花，在生产结束时要求进入设备清洗状态。

　　3.4 系统配置

　　（1）主电控柜CP2中，设置一套S7-400 PLC，其硬件配置主要包括：

　　1CPU选用414-2DP（6ES7 414-2XG03-0AB0）;

　　2数字量输入模块选用6ES7 421-7BH00-0AB0;

　　3数字量输出模块选用6ES7 422-1BH10-0AA0;

　　4接口模块分别选用IM157（6ES7 157-0AA80-0XA0）和IM151（6ES7 151-1 AA02-0AB0）;

　　5DP/PA耦合器选用6ES7 157-0AC00-0XA0;

　　6PROFIBUS网络通讯模块选用6GK7 433-1EX11-0XE0;

　　（2）燃烧炉控制柜（CP2C）中另设一套S7-300 PLC。其硬件配置主要包括：

　　1CPU选用315-2DP（6ES7 315-1AD03-0AB0）;

　　2数字量输入模块选用6ES7 321-1BH02-0AA0;

　　3数字量输出模块选用6ES7 322-1HF01-0AA0;

　　4模拟量输入模块选用6ES7 331-7KB02-0AB0;

　　5接口模块选用IM157（6ES7 157-0AA81-0XA0）;

　　6DP/PA耦合器选用6ES7-157-0AC80-0XA0;

　　以上两项其编程语言为STEP7。

　　（3）现场设有分别控制循环风机、排烟风机、工艺气体主风机、进出料气锁及燃烧炉控制柜5套电控柜，其中循环风机与工艺气体主风机为软启动，排烟风机为变频启动，此变频器选用可与PROFIBUS连接的西门子MICROMASTER 440型变频器，接口模块选用IM151（6ES7 151-1 AAO2-OASO），分布式I/O模块选用ET200S输入输出模块。

　　（4）连接在PROFIBUS-PA上的现场设备分别为：

　　温度传感器选用带PROFIBUS-PA接口的西门子公司的组件模块（（T3K）;

　　流量调节阀选用带PROFIBUS-PA接口的西门子公司的组件模块（SIPART PS2PA）;

　　流量传感器选用带PROFIBUS-PA接口的西门子公司的组件模块（7MF4332）;

　　压力传感器选用带PROFIBUS-PA接口的西门子公司的组件模块（7MF4032）;

　　水分仪选用NDC公司的TM710。

　　（5）CPU414-2DP与CPU315-2DP模块2DP及DP/PA耦合器分别连接分布式I/O、ET200S及现场设备等，采集现场数据和驱动现场调节机构，通信协议分别采用CP443-1和CP342-5模块，共同构成PROFIBUS网络系统。[page]

4.网络结构与特性

　　4.1 PROFIBUS协议结构

　　PROFIBUS的结构是依据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI的7层网络结构为参考模型。

　　PROFIBUS-DP使用第一层、第二层和用户接口，第三层至第七层未加以描述。此种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像（DDLM）提供易于进入第二层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS设备的设备行为，提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。

　　PROFIBUS-PA数据传输采用扩展的“PROFIBUS-DP”协议，还使用了描述现场设备行为的标准，PROFIBUS-PA可确保本质安全性并使现场设备通过总线供电。利用DP/PA耦合器PROFIBUS-PA设备可方便的集成到PROFIBUS-DP网络。

　　4.2 PROFIBUS特性

　　PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传输，通过高速串行线CPU与分散的现场设备进行通信，大多数数据传输是周期性的，并保证总线循环时间比控制器循环时间短。部分智能化现场设备还需要非周期性通信以进行配置、诊断与报警处理。

　　PROFIBUS-PA针对过程自动化设计。PA将自动控制系统与带有现场设备如压力、温度、流量、调节阀等变送器或执行器的过程控制系统连接起来，用于对安全性要求高的场所或由总线供电的设备。PROFIBUS-PA相对传统控制系统在现场设备的电缆敷设、调试、运行、维护等方面可节省50%左右的成本。

　　附录：综合参数设定表：

　　物料流量——KG/H

　　延时时间——S

　　回潮后烟丝水分——%

　　分离器出口气体温度（空运转模式）——°C

　　分离器出口气体温度（干燥模式）——°C

　　进料点前端气体温度——°C

　　工艺气体流量——KG/H

　　模拟载荷流量——KG/H

　　控制载荷流量——KG/H

　　蒸汽注射——KG/H

　　出口烟丝水分——%