Profibus－DP在翻車機控制系統中的應用

盧秉娟，王燕，趙紅兵

（1.洛陽理工學院 電氣工程與自動化系，河南 洛陽 471023；2.華能沁北電廠 燃料部，河南 濟源 454662）

1 引言

翻車機是一種大型高效的機械化卸車設備，主要用于翻卸鐵路敞車所裝載的煤、礦石等塊狀及顆粒物料，廣泛應用于火力發電廠、冶金、港口等大型企業中。在保證安全穩定的前提下，實現快速卸車，提高設備的自動化、智能化，增強運行的可靠性，并具有同上位控制計算機通信的能力，已成為翻車機系統發展的趨勢和要求。

隨著工業控制技術的發展，過程控制逐漸由集散控制系統向基于現場總線的控制系統發展。目前，較有影響力的現場總線有CAN，Lonworks，DeviceNet，Profibus，HART 等［1］，其中，Profibus總線由于其獨特的技術、嚴格的認證規范、開放的標準等特點，成為目前應用最廣泛的現場總線之一。Profibus提供了Profibus－DP，Profibus－FMS，Profibus－PA 3 種 通 訊 協 議 類 型［2］。Profibus－DP是一種經過優化的高速數據通信，專為自動控制系統和分散的設備級I／O之間通信而設計。

2 翻車機控制系統

翻車機按翻卸形式可分為轉子式、側傾式、端傾式和復合式，目前國內火電廠普遍采用轉子式，主要類型有FZ150.0型、M2型、KFJ型及ZFJ型等［3］。華能某電廠選用FZ1－3AC型轉子式翻車機，額定卸車重量100t，回轉速度1.0r／min，卸車速度22～25節／h。翻車機本體靠車、壓車、夾輪器、漲輪器均采用液壓裝置控制，靈活可靠，對車皮無損傷。

整個翻車機控制系統由翻車機、撥車機、遷車臺、推車機、夾輪器5個主要執行機構組成，撥車機實現重車的牽引，遷車臺和推車機實現空車的轉移，翻車機本體完成重車卸料，其中夾輪器用于固定重車，防止作業過程中重車溜車。翻車機卸車系統工作流程圖如圖1所示。

圖1 翻車機卸車系統工作流程圖Fig.1 The flowchart of the car dumper system

3 Profibus－DP總線通信的硬件結構

3.1 Profibus－DP現場總線

Profibus－DP主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站為主／從方式。通信頻率為9.6kb／s～12.0Mb／s，通信距離為100～1 200m，每段可掛32個站，最多允許127個站。每個Profibus－DP系統包括以下3種不同類型設備［4－5］。

1）一類 DP主站。中央控制器（如PC，PLC），在預定的周期內與分散的站交換信息，并對總線通信進行控制和管理。

2）二類DP主站。指編程器、組態設備或操作面板，是DP網絡中的編程、診斷和管理設備。二類主站除了具有一類主站的功能外，在與一類DP主站進行通信的同時，可以讀取DP從站的輸入／輸出數據和當前的組態數據，給DP從站分配新的總站地址。

3）DP從站。指進行輸入信息采集和輸出信息發送的外圍設備（分布式I／O，PLC，帶Profibus－DP接口的其他現場設備），只與組態它的DP主站交換用戶數據，向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。

3.2 翻車機控制系統設計

翻車機控制系統設計時應用了3種傳輸方式：1）運行人員操作站、工程師站通過以太網和CPU進行通訊；2）Control Net實現I／O模塊和CPU之間的通訊；3）對變頻器和編碼器的控制則由Profibus－DP總線完成。翻車機控制系統結構如圖2所示。

圖2 翻車機控制系統結構Fig.2 Structure of the car dumper control system

Profibus－DP網絡一級主站選用AB公司的1756Control Logix系列PLC，采用Logix 5561處理器作為中央控制器，通過 MVI56－PDPMV1通迅模塊與總線相連，負責讀取總線上所有變頻器狀態字及編碼器實時值，同時向變頻器發控制字；采用雙CPU熱備（一旦主CPU出現故障，瞬間切換至從CPU工作）。

Profibus－DP網絡二級主站通過以太網和CPU進行通訊，工程師站對整個系統進行組態、編程和診斷；操作員站采用研華工控機和 Wonderware InTouch組態軟件，對整個系統進行操作和監控。

Profibus－DP網絡從站包括9個ACS800變頻器和1個倍加福PVM系列絕對式編碼器。變頻器通過RPBA－01總線適配器模塊與主站DP接口組成Profibus－DP網絡。DP網絡通信時，主站通過RPBA－01適配器可實現以下功能：向變頻器發送控制命令（啟動、停止、允許運行等）及速度和轉矩給定信號；向變頻器的PID轉矩調節器發送1個過程實際值或1個過程給定信號；從變頻器讀取狀態信號或實際值；改變傳動參數值等。絕對式編碼器作為撥車機位置檢測元件，內部集成了Profibus－DP接口，可與總線直接相連，從而實現撥車機動作控制。

4 Profibus－DP總線通信的軟件設計

4.1 數據通信格式

在翻車機系統中，變頻器通過適配器模塊RPBA－01與PLC按主從模式進行通信，在周期性通信中，主站從從站讀取輸入信息并把輸出信息發送給從站。Profibus－DP通信協議的信息幀分為協議頭、用戶數據和協議尾；用戶數據結構被指定為 PPO（Parameter／Process Data Objects，即：參數／過程數據對象）。PPO由參數區PKW和過程數據區PZD構成，PKW是變頻器運行要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加／減速時間等；PZD是變頻器運行過程中要輸入輸出的數據值，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值。根據有無參數區及過程數據區的長短可以將PPO分為5種不同的類型［6］。PPO數據結構類型如圖3所示，圖3中每個空格代表1個字（2個字節）。

圖3 PPO消息類型Fig.3 Types of PPO messages

其中，參數區PKW包括：ID——參數標識；IND——參數子索引；VALUE——參數值。過程數據區PZD包括：CW——控制字；SW——狀態字；REF——給定值；ACT——實際值；PZD3～PZD10——過程數據，由用戶自行定義。

本系統選擇PPO4作為從站和主站的數據傳輸格式，這種類型沒有參數識別值PKW，只有6個字的過程數據PZD。在主站發送給從站的請求報文中，通過對控制字CW的設置可以對變頻器進行啟動、停止、故障復位等操作；而給定值REF通常用作速度參考；過程數據PZD3～PZD6在變頻器參數51.05，51.07，51.09，51.11中定義后分別對應：CONST SPEED 1，CRIT SPEED SEL，CRIT SPEED 1LOW，CRIT SPEED 1 HIGH。在從站給主站的應答報文中，通過讀取狀態字SW可以判斷從站是否故障和有無警告等信息；實際值ACT是來自變頻器的實際值；而過程數據PZD3～PZD6在變頻器參數51.06，51.08，51.10，51.12中定義后分別對應：CURRENT，TORQUE，POWER，DC BUS VOLTAGE。

4.2 Profibus－DP 網絡的組態

Profibus－DP網絡除了物理搭建外，還需在AB PLC的編譯軟件RSLogix 5000以及DP模塊組態軟件ProSoft Configuration Builder（PCB）中進行硬件組態，給定地址。步驟如下：1）下載ABB變頻器GSD文件ABB＿0812.GSD文件；2）安裝PCB軟件，導入GSD文件，新建文件，配置DP網絡；3）導出 DP網絡配置文件.cnf；4）在RSLogix 5000中導入.cnf文件，分配地址。

4.3 變頻器運行參數設置

變頻器與Profibus－DP連成網絡后，除了在上一級PLC自動化系統中進行編程和常規的電氣參數設置外，每個變頻器也要進行適當的參數配置。

1）使用RPBA－01適配器模塊的旋轉節點地址開關來設置站地址。地址號為兩位數，范圍為：00～99。其中，“10x”開關用來設定地址高位，“1x”開關用來設定地址低位。當選擇00時，從站地址則由傳動通信參數組中參數定義。

2）配置變頻器主要參數，使其置于DP網絡工作模式，如表1所示。

表1 ACS800變頻器主要參數配置Tab.1 Configuration of main parameters of the ACS800converter

4.4 程序示例

PLC主站通過向翻車機變頻器發送控制字CW控制翻車機翻轉的流程如下，相應梯形圖如圖4所示。

圖4 控制字CW控制翻車機翻轉梯形圖Fig.4 Ladder diagrams of the car dumper controlled by CW

1）初始化變頻器控制字CW，即向ABB傳動通信協議的控制字CW中寫入1 142（十進制）。

2）PLC發翻車機翻轉方向工作指令，即向ABB傳動通信協議的控制字CW中第0，3，10位激活；控制字CW變為1 151。

3）給定頻率，即主機向ABB傳動通信協議的給定值REF中寫入－4 000，變頻器輸出速度，翻車機翻轉。

4）停止翻轉，即主機向ABB傳動通信協議的給定值REF中寫入0。

5）變頻器停止工作轉第一步。

5 結論

翻車機控制系統采用Profibus－DP現場總線技術實現了PLC和變頻器、編碼器之間的分布式控制，網絡速度快，可靠性高，減少了現場電纜的數量和接線工作量，方便了系統的安裝和維護，降低了勞動強度，提高了整個控制系統的生產效率及自動化水平。

［1］ 陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［2］ 周志敏，紀愛華.Profibus總線系統設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］ 李兆生，鐘煒勍，朱仕政.翻車機程控系統技術改造［J］.熱力發電，2004，33（10）：75－76.

［4］ 陳月婷，何芳.Profibus現場總線技術及發展分析［J］.濟南大學學報：自然科學版，2007，21（3）：226－230.

［5］ 徐世彬，劉煥東，龐銳.基于Profibus總線的污水監控系統設計與實現［J］.化工自動化及儀表，2009，36（3）：79－80.

［6］ ABB電氣傳動系統有限公司.Profibus DP適配器模塊RPBA－01［Z］.北京：2005.

修改稿日期：2012－01－25