今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
胡 斌（1974－）
男，自動化工程師，主要從事自動化方面的設計、優(yōu)化工作，主要研究方向為自動化優(yōu)化控制、生產信息網絡。
摘要：本文介紹了在PKS系統(tǒng)中PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的應用，并采用PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)了對ABB公司ACS800變頻器及智能馬達中心M102的控制。文章主要從PKS系統(tǒng)規(guī)劃、PROFIBUS網絡組態(tài)以及PKS中實現(xiàn)PROFIBUS通訊及設備控制三個方面進行論述。
關鍵詞：PKS；PROFIBUS；變頻器；M102
Keywords: PKS; PROFIBUS; INVERTER; M102
隨著大型PLC、DCS在工廠中的廣泛應用，極大地提高了企業(yè)的現(xiàn)代化水平。但由于電氣設備不斷增多，傳統(tǒng)的硬接線方式使得控制室的電纜大量增加，同時電氣設備的干擾問題也較難解決，這給DCS（PLC）、電氣設備的維護帶來了很多問題。而隨著現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展和完善，使得以上難題迎刃而解。PROFIBUS就是一種應用較為廣泛的現(xiàn)場總線技術，它是國際化的開放式現(xiàn)場總線標準，是一種具有廣泛應用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)。
本文主要討論了霍尼韋爾公司PKS系統(tǒng)通過PROFIBUS現(xiàn)場總線實現(xiàn)與ABB變頻器、智能馬達中心（M102-P）通訊、控制的方案。
1 Experion PKS系統(tǒng)規(guī)劃
Experion PKS是霍尼韋爾推出的最新的DCS控制系統(tǒng)，它采用基于Windows 2000的服務器,利用高速動態(tài)緩存區(qū)采集實時數(shù)據(jù)，融合了最新控制技術、現(xiàn)場總線、高級控制應用等。在現(xiàn)場總線方面支持FF、PROFIBUS、Device NET等多種流行的總線方式，因此具有較強的開放性，與第三方系統(tǒng)、儀表及設備的連接通訊較為方便。
在本套PKS系統(tǒng)中主要由三層網絡組成：FTE冗錯以太網、ControlNet（CNET）網絡、PROFIBUS網絡，如圖1所示。FTE是Honeywell專利技術，使得商用的100Mbps 以太網實現(xiàn)容錯允許所有的單點故障，以及一些多點故障；切換速度可快達1秒，并可提供比普通以太網更多的通訊路徑。ControlNet是一種令牌總線網絡，也采用冗余，通訊速度保持在5Mbits/s（與距離無關）。
編制控制程序的軟件為Control Builder，其組態(tài)全部采用圖形化的工具，系統(tǒng)的控制程序是以CM（控制模塊）為基本單位，可以單獨從控制器中上裝、下裝，實現(xiàn)在線修改而不影響設備的正常運轉。在CM中可以加入各種功能塊（包括現(xiàn)場總線功能塊），各功能塊之間可以完成通訊、聯(lián)鎖功能。
Experion PKS 至 PROFIBUS DP 的接口通過專用硬件接口卡提供了PROFIBUS網絡至控制器之間的通信路徑。PROFIBUS接口模塊 (PBIM) 是機架安裝的模件，它允許在控制器和 PROFIBUS設備之間的直接連接。PBIM 是 PROFIBUS 網絡中的主設備，其它設備為從設備。PBIM 允許控制器直接訪問 PROFIBUS DP 網絡中的設備。接口模件支持的設備包括電機驅動器（包括變頻器）和編碼器，以及可編程邏輯控制器。
在這套系統(tǒng)，一共采用了三個獨立的PROFIBUS網段，其中兩段通過M102控制普通電機，另外一段與變頻器進行通訊控制。
圖1 PKS系統(tǒng)網絡圖
2 PROFIBUS DP網絡組態(tài)
為實現(xiàn)DCS與ABB變頻器及M102的通訊及控制，第一步是在DCS中完成PROFIBUS的網絡組態(tài)工作。主要從以下四個方面著手設計組態(tài)。
（1） 網絡設計：主要從通訊速率、從站數(shù)量、冗余安全幾個方面考慮。由于變頻器與M102的通訊速率不同，并且為了防止變頻器的干擾，我們將變頻器與M102放置在不同的網段；將工藝流程中互為備用的設備放置在不同的網段。
（2） 硬件連接：將各變頻器或M102根據(jù)設計連接到相應的PKS系統(tǒng)中的PROFIBUS接口模塊上（主站模塊）。主站模塊通過FLASH－ROM存儲網絡組態(tài)，并且支持斷電恢復后自動重新配置從站設備。
（3） 安裝GSD文件：每種PROFIBUS通訊設備都有廠商提供的GSD文件，組態(tài)前需要先安裝相應的GSD文件。變頻器及M102的GSD文件分別是ABB_0812.GSD、INTC08DD.gsd。
（4） 組態(tài)：將DCS中的主站及從站分別加入到網絡中。設置主站、從站的網絡地址，為各從站選擇正確的模塊，配置主要參數(shù)。
2.1 M102的組態(tài)設置
根據(jù)工藝流程需要將互為備用的電氣設備連接到不同的兩段PROFIBUS網絡中（通過兩塊PBIM組成兩個獨立網絡），通過SST PROFIBUS組態(tài)工具完成。將M102的GSD文件加入后，在相應的從站庫中可以看到M102_Motor_Control。
圖2 M102網絡組態(tài)圖
圖2為智能馬達中心M102的網絡組態(tài)圖，圖中的SST_PFB_CLX_MASTER是PKS系統(tǒng)所帶的PROFIBUS通訊卡，它作為網絡的主站，站號為000。而M102作為從站，站號從001開始。M102支持多種數(shù)據(jù)結構，通過比較，我們選擇了8字節(jié)輸入/2字節(jié)輸出的方式，這樣既保證能讀取較多的數(shù)據(jù)，又不影響網絡速度。
在M102一端通過專用的軟件設置相應的站號（必須與PKS中的相同），對電機的相應參數(shù)進行設置，同時對相應輸入、輸出字節(jié)進行規(guī)定（如指定運行、故障等信號對應的位）。而對于通訊速率則由主站來定，在M102斷電重啟后，可以自動獲取。
2.2 變頻器的組態(tài)
我們將變頻器設備與單獨的一塊PBIM相連組成單獨的網絡，其通訊速率可達到1.5Mbps，保證了變頻器控制的可靠、迅速。將變頻器的GSD文件加入后，在相應的從站庫中可以看到ABB_DRVICES_RPBA。
圖3為變頻器PROFIBUS_DP網絡組態(tài)圖，與M102類似這里的主站站號為0，變頻器站號從001開始。網絡組態(tài)中需要注意的是Modules及Ext. Prms。變頻器共支持PPO1－PPO5五種PPO Module，在這里我們選擇PPO4方式，這種方式能讀取較多的模擬量數(shù)據(jù)，但不讀取變頻器相關的參數(shù)。在參數(shù)設置中，需要注意圖中的Operation mode采用圖中所用的Vendor Specific協(xié)議，而不能用其默認的Profidrive協(xié)議。
在變頻器一端，需要加入RPBA模塊（ABB專用的PROFIBUS通訊模塊），其地址由硬跳線完成（必須與PKS中的相同），在變頻器中對相應的通訊參數(shù)進行設置。與M102不同的是變頻器需要進行初始化（以便完成變頻控制功能），必須在DCS中完成，保證變頻器斷電重啟后的通訊正常。
圖3 變頻器網絡組態(tài)圖
3 PKS系統(tǒng)中的組態(tài)過程
在PKS系統(tǒng)中通過CONTROL BUILD完成組態(tài)過程。對于PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊、聯(lián)鎖控制一共分為四個步驟：
（1） 建立主通訊站，加入功能塊PBIM BLOCK（參見圖4的PBIM_SST）。即加入“物理”的通訊模塊。
（2） 加入虛擬的從站設備塊(參見圖4中的PBI_DEVICE、PROFIDRIVEDEV)，與主通訊站構成一條PROFIBUS通訊網絡。即加入“虛擬”的通訊模塊。
（3） 加入輸入輸出功能塊(參見圖4中的PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN)，對應從站的輸入輸出地址。
（4） 將PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN加入到相應的控制模塊（CM）中，完成相應的聯(lián)鎖、控制等功能。
圖4 PKS組態(tài)流程圖
具體實施步驟
3.1加入“物理”模塊
即在CONTROL BUILD的工程項目中加入PBIM硬件設備（PBIM_SST）。與其它硬件相同，必須設定每塊PBIM的名稱、所在的CNET網絡位置、所在的機架位置等。由于PBIM實際上是PROFIBUS的主站，因此這里必須配置它所在網絡的各從站的地址、名稱；配置各從站的虛擬模塊、輸入輸出偏移等，如圖5所示。
圖5 PBIM參數(shù)設置
3.2 加入“虛擬”模塊
即在工程項目中加入各從站的輸入、輸出I/O模塊。根據(jù)實際情況對每一塊M102采用 PBI_DEVICE功能塊，建立AI、DI、DO三種類型的模塊，如S_1_AI、S_1_DO。對于S_1_AI需要設置它所對應的PBIM名稱、站號、模塊號、輸入數(shù)據(jù)格式、輸入數(shù)據(jù)大小（字節(jié)）等。對于S_1_DO則需要設定輸出數(shù)據(jù)格式、輸出數(shù)據(jù)大小。對于變頻器則采用PROFIDRIVEDEV功能塊，建立一個PPO類型為PPO4的模塊即可。
3.3 在CM中完成各種聯(lián)鎖控制
每一個CM中可以支持多種功能塊，各功能塊之間通過箭頭線連接。CM之間也可以相互關聯(lián)實現(xiàn)較為復雜的控制。CONTROL BUILD軟件還允許用戶定制自己的CM功能塊（這樣可以將大量相同的設備聯(lián)鎖進行封裝）。
圖6為一臺變頻器的CM聯(lián)鎖功能塊。圖中的PBIN、PBOUT分別是PROFIDRIVEIN、PROFIDRIVEOUT類型的功能塊。PBIN為輸入功能塊，包括變頻器的開關量、模擬量輸入信號；PBOUT為輸出功能塊，包括開關量、模擬量輸出信號以及實現(xiàn)對變頻器的初始化命令（通過對引腳CWRAW賦值為1142）。功能塊M4S_9ADC則是封裝的一個CM塊，在它內部完成對變頻器的開、停聯(lián)鎖控制（本文不詳細論述），它的各引腳SA、KM、MR、C分別對應變頻的遠程、運行、準備、命令等狀態(tài)信號。通過各連線及顏色可以清晰的判斷各種信號的狀態(tài)以及各功能塊之間對應關系，這些對于組態(tài)和調試都是非常方便。
圖6 CM功能聯(lián)鎖圖
4 結束語
在PKS系統(tǒng)中通過PROFIBUS現(xiàn)場總線完成電氣設備的聯(lián)鎖控制，不僅使電纜數(shù)量大大減少，而且可以為操作人員提供更多穩(wěn)定可靠的信號。相信在眾多DCS和電氣廠家的努力下，這種方式將在大、中型企業(yè)中廣泛推廣應用。
參考文獻：
［1］PKS系統(tǒng)手冊. 霍尼韋爾公司.
［2］ABB變頻器手冊. ABB公司.
［3］M102技術資料. ABB公司.
［4］楊寧,趙玉剛.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線［M］.北京: 航空航天大學出版社.
作者信息：
胡 斌，侯國峰 （中國鋁業(yè)中州分公司，河南 焦作 454174）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號