浅析Profibus-DP在锅炉系统中的应用

王文标 张永强 蔡 麒 汪思源

（大连海事大学信息科学技术学院，辽宁 大连112026）

0 引言

随着供暖工艺水平的迅速发展，如果将传统的控制技术与工业现场总线融为一体，则将使供热系统具有可靠性高、功能强、应用灵活、运行方便、成本低等一系列优点。其由于良好的工业环境工作性能和自动控制性能，已经在供热生产领域得到了广泛的应用［1］。目前，基于总线的电机变频调速技术又是一项广泛应用的自动控制技术，它可以确保系统安全、稳定、更智能地长期运行。所以，将变频器与总线技术结合，进而发挥变频器的通讯能力，从而更高效地带动供热生产过程，是值得研究的一项课题［2］。

本文针对某高校的锅炉系统，采用Profibus-DP总线对原变频器控制系统进行改造，从而实现不同厂商变频器优化运行的目的。

1 工业现场总线

现场总线是以数字通信替代传统4～20 m A模拟信号及普通开关量信号的传输，实现工业现场不同设备间的通信以及现场设备和控制系统之间的信息传递。Profibus是西门子公司自主研发的，其已成为国际公认的现场总线标准［3］。Profibus根据应用特点分为3种相互兼容的版本：Profibus-FMS、Profibus-PA和Profibus-DP。DP是一种经过优化的廉价的通信标准，波特率可达9.6 kb／s～12 Mb／s，适用于对时间有快速响应要求的现场，不同设备厂家的产品不需要调整其接口相互之间便可以通讯［4］。

2 硬件及组态

2.1 变频器以及通讯卡

变频器通过将交流电转换成电压和频率都可调节的交流电技术应用在工业生产中。锅炉作为能源转换的重要设备，在供暖中占据着重要的角色。根据用户需求，锅炉要自动调整供热量。为了保证生产的可靠性，锅炉输出在设计驱动动力时留有一定的富余量。电机输出需要驱动动力，多余的力矩便造成电能的浪费。当电机转速从N1变到N2时，其电机轴功率（P）的变化关系如下：P2／P1＝（N2／N1）3，由此可见，降低电机转速理论可得到立方级的节能效果。变频器不是能量发生器，只能通过改变输出给电机的电流频率来实现节电的功能。

在Profibus-DP总线上，使用STEP7组态时需要通讯卡出厂时配备的gsd文件。gsd文件是Profibus-DP产品的驱动文件，是不同生产商之间为了互相集成使用所建立的标准通讯接口，是该设备在网络上的唯一标识名。Profibus组态工具可根据厂商提供的gsd文件将设备集成在同一总线系统中。使用基于gsd的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中，既简单，又对用户友好。工业网络的起端和终端需要设置终端电阻，防止信号在传输线中传输引起反射波，干扰正常信号。西门子PLC和富士变频器自带终端电阻，而施耐德变频器的终端电阻需要在RS-485连接器上设置。对变频器的反馈参数进行设置，可以读取任意变频器数据。

2.2 系统组态

某高校新改造通讯总线的硬件构成分3部分：主站、从站、网络网路。主站可以用总线发出和接收数据，并访问总线；从站只能被动接收总线上的命令，并在授权的情况下向总线发出数据；网络网路包括传输介质和网络链接器，本项目使用有屏蔽双绞电缆光缆，网络连接器一般使用RS-485总线连接器，使用RS-485总线协议传输数据。考虑到现场传输线最长不超过50 m，所以对数据传输波特率不会有限制。工控机与PLC建立MPI网络，这是一种比较简单的通讯方式。电脑端安装有CP5611通讯卡，在西门子PLC的第一个通讯接口都集成了MPI通讯协议，不需要编写任何程序，在个人计算机上设置一下相关通讯参数即可实现通讯功能。系统结构如图1所示。

图1 变频器控制系统结构图

将富士变频器的FCSOAOF.gsd文件和施耐德变频器的TELE09CD.gsd文件加载到STEP7驱动文件夹，进行系统组态，波特率采用系统默认的1.5 Mb／s，如图2所示。按照变频器硬件地址组态从站，选择能够满足正常运行需要的PPO类型，按照此PPO类型定义规则进行程序编写。系统组态完成之后给系统网络上电，变频器通讯卡指示灯可以提示总线状况，显示从站在线状态时，可以将程序下载到PLC对从站进行通讯。

3 编程实例

图2 系统组态图

Profibus-DP通信协议的信息帧由协议头、用户数据和协议尾3部分组成。用户数据结构被指定为参数过程数据对象类型（PPO），有的用户数据带有参数区域和过程数据区域，而有的用户数据仅仅由过程数据组成，该数据区域是经常与Profibus-DP主机进行数据通信的区域。富士变频器通讯卡定义了4种PPO类型，选择运行变频器典型的类型PPO3。按照Profibus协议规定的电动机控制用Profile的PROFIdrive V2流程编写程序。施耐德变频器PPO类型只有一个选择，按照本通讯卡支持的DriveCom流程编写程序。

4 结语

供热锅炉系统通过采用Profibus-DP总线方式进行通讯控制，增强了整个系统的安全可靠性、操作简便性、后续维护性，具有更便捷的扩展能力，实现了现场的分布式控制，提高了系统的即时反馈和控制精度，充分利用并发挥了变频器的总线通讯能力。基于Profibus-DP总线通讯的变频器通讯控制和故障即时反馈在供热系统中的实现满足了热源对生产现场的安全需要，减少了供热系统热源侧设计的成本，并极大地方便了系统的安装、调试和维护，而且可实时查看故障状况及原因，及时排除故障。

［1］许以军.基于Profibus-DP总线的变频器控制系统［J］.电网与水力发电进展，2004（3）：66～68

［2］杜文军.PLC对变频器的控制设计［J］.内蒙古石油化工，2013（1）：86～87

［3］赵英军.变频器在工业采暖锅炉控制系统中的应用［J］.科技创新导报，2009（19）：88

［4］张道东.Profibus-DP在变频器上的应用［J］.电气时代，2005（12）：58～59