西門子PLC與變頻器在脫硫系統中的DP通信應用

魏戴寧

（南通航海機械集團有限公司，江蘇南通 226002）

0 引言

目前國際公約、相關地區及國家關于船舶SOX排放控制的相關法規政策日趨嚴格，船舶廢氣中的SOX是燃油中的硫燃燒后形成的污染物，通過燃燒設備自身技術改造很難達到排放控制要求，船舶尾氣脫硫系統成為當前各國船東提升船舶經濟性，滿足排放要求的一種經濟、高效、普適的技術手段[1]。

大流量海水變頻泵組是船舶尾氣脫硫系統中的重要組成部分，船舶在不同的運轉狀態下產生不同量的尾氣，即處理船舶尾氣需要的海水量亦不同。海水變頻泵控制系統可接收廢氣清洗系統（Exhaust Gas Cleaning Control System，EGCS）發出的海水目標流量值，自動啟動海水泵并自動調節水泵電機頻率，提供適量的海水來處理船舶尾氣，達到與使用低硫油等效的減排效果；同時將系統的流量、壓力、電機狀態等信息反饋給EGCS。

本文主要以海水變頻泵控制系統中的西門子S7-1200系列PLC和2臺丹佛斯FC102變頻器通過PROFIBUS DP通信構成通信網絡，實時讀取變頻器中電機的電流、頻率、功率、工作時間等數據來監測海水泵電機的工作狀態。

1 硬件組成

海水泵組控制系統主要由PLC、通信模塊、開關量I/O模塊、模擬量I/O模塊、觸摸屏HMI、變頻器、電源模塊等，具體配置如下所述[2-3]。

1）PLC選用西門子S7-1200系列的CPU 1215C AC/DC/RLY。

2）通信模塊選用西門子CM 1243-5 PROFIBUS DP 主站模塊、CM1242-5 PROFIBUS DP從站模塊。

3）開關量DI/DO模塊選用西門子SM 1223 8×24 VDC輸入/8 x繼電器輸出。

4）模擬量AI模塊選用西門子SM12314×13位模擬量輸入模塊、模擬量AO模塊選用西門子SM12324×14位模擬量輸出模塊。

5）觸摸屏HMI選用西門子TP700精智7寸觸摸屏。

6）變頻器選用丹佛斯FC102系列，配PROFIBUS DP MCA 101通信模塊。

7）電源模塊選用西門子PM 1207 2.5 A。

2 PROFIBUS DP通信

PROFIBUS－DP（Decentralized Periphery）是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。Profibus的傳輸速率為9 600～12 Mbps。在9.6～187.5 kb/s時，最大傳輸距離為1 000 m，500 kb/s時為400 m，1.5 Mb/s時為200 m，3～12 Mbps時為100 m，可用中繼器延長至10 km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。

船舶上一般傳輸距離不大于200 m，可以設置傳輸率為1.5 Mb/s。PLC通過DP主站模塊與1號變頻 器VFD_1和2號 變 頻 器VFD_2連 接 構 成PROFIBUS_DP_VFD網絡；通過DP從站模塊與EGCS系統連接。1號變頻器設置從站地址為8，2號變頻器設置從站地址為9。PLC與變頻器的通信網絡視圖見圖1。

圖1 PLC與變頻器的通信網絡視圖

3 PLC編程

3.1 GSD文件

通用站點描述（Generic Station Description File，GSD）文件，即電子設備數據庫文件。GSD文件是PROFIBUS-DP產品的驅動文件，是不同生產商之間為了互相集成使用所建立的標準通信接口。不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件方式將這些產品的功能參數（如I/O點數、診斷信息、波特率、時間監視等）儲存起來。GSD文件由設備生產廠家來提供。首先，我們要在西門子博圖軟件中安裝丹佛斯變頻器所需要的GSD文件[4]。

3.2 PLC交互數據配置

參數過程數據對象（PPO）用于變頻器的PROFIBUS 協議適用于過程控制器PLC和變頻器之間交換數據，所有PPO針對循環數據傳輸（DP-V0）進行定義，以確保過程數據（PCD）與參數（PCA）可在主站與從站之間傳輸。在PLC組態中我們選用變頻器的PPO類型為PPO Type 8 Module consistent PCD，1#變頻器輸入I地址68…87（起始地址68，長度10，結束地址87），1#變頻器輸出Q地址68…87，2#變頻器輸入I地址120…139，2#變頻器輸出Q地址120…139，再通過PLC軟件中的MOVE指令即可實現對應的數據交換。

4 變頻器配置

對應第3.2節中所使用的PPO 類型，將PPO8作為無需循環參數訪問應用的純過程數據對象。PLC 向外發送過程控制數據，然后變頻器使用長度相同并且含有過程狀態數據的 PPO進行響應。表1所示為CTW從主站發送給變頻器的控制字，REF從主站發送給變頻器的運行速度，STW從變頻器返回給主站的狀態字，MAV從變頻器返回給主站的實際運行速度，PCD參數的讀寫區域。

表1 PPO 8過程狀態數據

變頻器交互數據參數設定如表2中所示：916.0為默認參數，包含一個16位狀態字，其中每一位均含有有關變頻器可能狀態的信息；916.1為默認參數，以百分比格式表示變頻器的當前速度；916.2為電機運行電流，單位A；916.3為電機運行電壓，單位V；916.4為電機的運行功率，單位kW；916.5為電機運行頻率，單位Hz；916.6為電機運行速度，單位r/min；916.7為電機累積運行時間，單位h；916.8和916.9暫未設定參數，根據客戶要求或實際使用需求進行補充；918為變頻器的從站地址，其中1號變頻器地址設為8，2號變頻器地址設為9，與PLC和變頻器的通信網絡保持一致。

表2 變頻器交互數據參數

5 結論

西門子PLC能夠提供各大船級社的形式認可證書，在這套脫硫系統中所使用的PLC均為西門子。為使用方便，所有通信都統一為PROFIBUS DP通信。PROFIBUS DP通信不需要復雜的編程，如本文中僅需要簡單配置PLC和變頻器中參數，即可實現各種數據的交互。此外海水變頻泵控制系統中還采集了流量、溫度、壓力等信號，作為從站將這些信號以及電機狀態信息傳輸給EGCS系統，為整個系統的健康狀態提供了必要的數據，可以提前預判系統可能出現的故障，從而有效避免系統故障帶來的損失。