1、引言

現(xiàn)場總線技術是20世紀8O年代中期在國際上發(fā)展起來的一種新技術，是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。在各種現(xiàn)場總線技術中，PROFIBUS是一種非常有代表性的國際性開放式現(xiàn)場總線技術，應用它可以將可編程控制器、交直流驅(qū)動器、監(jiān)控計算機、遠程I/O及智能傳感器等連接起來，實現(xiàn)分布式I/O控制，可提高檢測和控制精度，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，提高系統(tǒng)的安全性。

PROFIBUS有三種實現(xiàn)形式， 即PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—PA 、PROFIBUS—DP，分別應用于不同的控制場合，其中PROFmUS—DP主要用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)傳輸，完成自動控制系統(tǒng)（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設備（I／O、驅(qū)動器、閥門等）之間的通信任務。它適于在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中運行，性能可靠、造價低廉，抗干擾能力強。

本課題組根據(jù)馬鋼煤焦化公司熄焦車系統(tǒng)的控制要求和特點，以能使系統(tǒng)適應現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)境穩(wěn)定運行且便于操作和維護，能使系統(tǒng)的控制方式簡單合理且具有較高自動控制水平為目的，提出采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術構成分布式控制系統(tǒng)、采用西門子公司S7-300型PLC作為主控單元、采用西門子SIOVERTMASTERDRIVES 6SE7系列全數(shù)字矢量型變頻調(diào)速裝置控制交流電機作為系統(tǒng)的主傳動裝置來構成熄焦車控制系統(tǒng)，完成干式熄焦車系統(tǒng)的各項控制任務。

2 、工藝概況及控制要求

馬鋼煤焦化公司干熄焦系統(tǒng)的熄焦車由電機車、車箱和車載旋轉(zhuǎn)焦罐構成。熄焦車沿軌道行駛，往返于焦爐和熄焦塔之間，可接收任一指定碳化室的紅焦，并將其運往熄焦塔熄焦。熄焦車為大型移動機械設備，滿載時每車均重200噸，整個運行過程環(huán)境惡劣，且控制精度要求高，控制關系復雜。

熄焦車系統(tǒng)具體控制要求如下：

（1）系統(tǒng)各電機作到無級調(diào)速，并實現(xiàn)軟起動、軟停車。

（2）熄焦車可在0～3m/s速度范圍內(nèi)按工藝要求的任意速度行駛。在遠離目標位時高速行駛，在接近目標位時按預定曲線減速，自動對位停車，定位精度為± 10cm。

（3）車載旋轉(zhuǎn)焦罐在接紅焦時，按工藝要求以10 r／min速度旋轉(zhuǎn)。接焦完畢，按預定曲線減速， 自動對位停在工藝要求的指定角度。定位精度為±10cm。

（4）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它相關設備間的聯(lián)鎖控制和各種信息傳輸。

3、 控制系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示。

3．1 系統(tǒng)主站

主站為西門子S7—300型PLC，其主要部件包括307— 1EA00-0AA0型電源模塊、帶DP通訊接口的315—2AEO3—0AB0型CPU模塊、321-1FF01—0AA0型輸入模塊、322-1HH00-0AA0型輸出模塊。它負責在各預定周期內(nèi)利用PROFmUS—DP網(wǎng)絡與從站進行信息交換，將控制數(shù)據(jù)傳送到各個從站，并且讀取從站的狀態(tài)信息，實現(xiàn)系統(tǒng)復雜的過程及邏輯控制。如主站通過網(wǎng)絡將控制命令和頻率給定值傳送給變頻器；讀取變頻器的啟停狀態(tài)、運行頻率、報警信息等信息，在主站中進行處理。從圖1可以看出，PLC主站控制對象為三臺變頻器和一臺分布式I／O。

3．2 系統(tǒng)從站

系統(tǒng)從站分為兩類：一類為變頻器，一類為分布式I/O從站。

（1）變頻器

系統(tǒng)的各變頻器 方面作為系統(tǒng)從站響應來自主站的各種指令，同時實時返回電機運行狀態(tài)信息；另一方面，實現(xiàn)對與其相連電機的運行控制，使電機依據(jù)實際需要處在最佳工作狀態(tài)。這樣變頻器就在主站的控制下，根據(jù)負載運行情況恰當?shù)卦O置加、減速時間等參數(shù)，實現(xiàn)設備的軟起動、軟停車和準確定位等動作。同時由于電機拖動大慣性負載經(jīng)常需要進行制動或停機操作，系統(tǒng)還配備了制動單元來協(xié)助變頻器控制電機運行。

（2）ET200M 分布式I/O 從站

由于大量I，O 設備分布在現(xiàn)場，且距主站較遠，直接連接非常不方便，系統(tǒng)配置了ET200M 模塊來解決上述問題。安裝在現(xiàn)場的ET200M 分布式I／O站最大限度地降低了信號傳輸電纜的數(shù)量，有效地簡化了現(xiàn)場布線復雜性。

3．3 網(wǎng)絡介質(zhì)

本系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡采用屏蔽雙絞線連接，抗干擾能力強且造價低廉。網(wǎng)絡的接口為基于雙絞線的ETARS485協(xié)議接口，通訊方式采用收發(fā)輪流進行的半雙工方式。其發(fā)送器和接收器均以差分方式工作，每個信號用兩根導線傳輸。無需公用信號，信號電平由兩根導線的差值表示，線問及外界干擾大大削弱，具有高的抗共模干擾能力，保證了網(wǎng)絡傳輸可靠。

4、 系統(tǒng)控制軟件

控制軟件結構如圖2所示。

4．1 系統(tǒng)控制軟件的結構化編程方式

系統(tǒng)控制軟件的編制用S ATIC S7-30o語言完成，采用結構化編程方式編制。即將系統(tǒng)復雜的自動控制任務分解成為能夠反映系統(tǒng)工藝，功能的若干子任務，即分解為初始化任務，電機車1靜電機變頻器控制任務、電機車 電機變頻器控制任務，車載旋轉(zhuǎn)焦罐變頻器控制任務、系統(tǒng)通訊任務，再分別對各子任務編制相應的控制程序模塊如圖2所示，最后創(chuàng)建組織塊OB1，形成模快化結構程序。

在程序運行時，PLC連續(xù)循環(huán)執(zhí)行組織塊OB1，在OB1中調(diào)用相應的程序塊，在其下載到CPU后，PLC就循環(huán)掃描執(zhí)行這些程序。

4．2 系統(tǒng)自動定位停車控制算法

系統(tǒng)中的熄焦車和車載旋轉(zhuǎn)焦罐設備均有自動定位停車的控制要求。本課題組采用最優(yōu)控制思想并結合系統(tǒng)各種約束條件設計出設備的優(yōu)化運行模型。每一運行周期，PLC控制器依據(jù)優(yōu)化運行模型計算出該次定位停車過程控制指令的期望值，并通過對設備運行過程中實際速度和距目標位距離等現(xiàn)場參數(shù)的分析，給出控制指令的修正值，控制器最終輸出到傳動系統(tǒng)的控制指令為Uo-Ur=△ U。

該算法能有效提高定位精度， 且簡單、適應性強。

4．3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)的現(xiàn)場設備與PLC之問通過PROFmUS-DP總線可以完成數(shù)據(jù)的讀寫和過程數(shù)據(jù)的傳輸，如控制字，狀態(tài)字，給定值和實際值等。

本系統(tǒng)主站核心模塊CPU315-2DP具有PR0FmUS-DP接口，無需另外的通訊接口單元。借助于CBP2通訊接口板，變頻器通過PR0FmUS-DP現(xiàn)場總線與S ATIC S7-30o可編程控制器連接。在編程軟件STEP7中完成硬件網(wǎng)絡組態(tài)，為變頻器分配網(wǎng)絡地址。該地址必須與變頻器CBP2板中設置的相同，在PLC程序組織塊OBI中選用SFC14 “DPRD—DAT” ， SFC15“DPWB_DAT”系統(tǒng)功能塊向變頻器的CBP2模塊讀取，發(fā)送數(shù)據(jù)。

以電機車1#變頻器為例，如圖3所示，其控制字單元FO地址從W靜1礎100（n）到W靜1礎10B（H），因此可進行12個字節(jié)的讀取，寫入 調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC15，可把PLC應用程序“1#行走數(shù)據(jù)”塊中從DB11．DBX0．0開始的12個字節(jié)的內(nèi)容寫入1#變頻器的控制存儲單元，包括初始化控制字，運行方向控制字、當前速度給定控制字、變頻器使能控制字等，控制變頻器運行。調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14，可把1#變頻器的電機轉(zhuǎn)速實際值等狀態(tài)字讀入“1#行走數(shù)據(jù)”塊從DBII．DBX12．0開始的12個字節(jié)的單元中。

5、 結束語

本控制系統(tǒng)應用PROFmUS-DP總線技術實現(xiàn)分布式控制，使現(xiàn)場布線的復雜性有效簡化，不僅節(jié)省大量電纜及敷設費用，而且調(diào)試維護簡單方便，大大提高了系統(tǒng)的實用性、可靠性和開放性，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術的優(yōu)越性。系統(tǒng)目前已投入試運行，工程實踐證明，達到了預期的控制要求，控制精度高，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。

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