基于PROFIBUS_DP的变频控制系统在螺旋卸车机中的应用

杨志 杨明汉

摘 要：该文结合工程应用实例介绍了PROFIBUS- DP现场总线控制变频调速系统的应用，并对PROFIBUS网络的发展前景进行了预测。将PROFIBUS的优点（开放性、低成本等）与变频驱动装置的可靠性二者相结合，不仅可以降低施工的成本，还可以提高系统的稳定性和可靠性，安装调试的过程也相对简单许多。因此，在实际的工程应用中前景非常广泛。

关键词：PROFIBUS-DP 现场总线 变频调速 RPBA-01 PROFIBUS-DP 适配器模块 脉冲编码器接口模块RTAC-01

中图分类号：TB6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0068-02

1 螺旋卸车机的系统要求及构成

螺旋卸车机是一种安全、高效的现代卸料设备，广泛用于火电厂、港口、矿山、钢铁厂列车装载的散装物料（煤、矿）的卸车。由于变频调速技术在电气控制系统的广泛应用，设备控制系统的好坏将直接影响用户生产效率和经济效益，因此必须先进可靠。运用PROFIBUS-DP总线技术的控制信息是纯数据化的，把硬件、线缆、电路的数量进行了简化。提高了控制系统可靠性。文章以襄樊电厂螺旋卸车机控制系统为例，详细描述了PROFIBUS_DP的变频控制系统在卸车机中的应用。

襄樊电厂卸煤所用螺旋卸车机系统包括大车移动、卸车臂升降、卸车斗旋转3部分。其中大车移动采用4台25 kW的立式变频电机驱动，升降系统采用2台20 kW的卧式变频电机驱动，旋转系统采用1台30 kW的卧式变频电机驱动。所有变频电机驱动均采用一拖一（一台变频器控制一台电机）控制的方法。

根据传动控制系统的要求，其控制机构与驱动机构的网络通信是通过PROFIBUS进行的。驱动机构在控制系统中的选用ABB公司的ACS800系列的变频调速器，并增加了RPBA-01 PROFIBUS-DP适配器扩展模块。PLC控制系统主要采用的是施耐德公司的昆腾系列，总线模块配置的是140 CRP 81100 PROFIBUS-DP。

2 使用PROFIBUS后的变频控制系统特点

该系统是由13家公司（西门子等）组成的ISP组织提出的一种全开放式的现场系统总线，具有快速的动态响应、高速的数据传输率、较好的抗干扰性几个特点。整个系统采用带有主/从关系的令牌传送原理进行访问，令牌由主站来接受，数据交换则由主站与从站之间周期性地进行。

与传统控制方式相比，通过PROFIBUS网络进行控制具有以下优点：（1）整个系统的通讯可以用光纤、双绞线等多种传输介质，不同工况都可适应。（2）多台变频器在系统中进行数据传输只用一条物理传输介质完成，大量的现场接线的线材和人工费用被节省下来，大幅降低了工程造价的同时也简化了安装过程。（3）采用数字化的信号传输技术，信号的数据衰减和共模干扰被避免了，纠错和检错功能得以实现，传输信号的可靠性和精度也大幅提高。（4）可以由上一级自动化系统的应用软件直接控制变频器的运行，当现场工况改变时，不用重新布线，只需要修改应用软件即可，系统的可维护性非常好，维护起来也很方便。（5）PROFIBUS网络具有开放的特性，这样在同一总线上，不同厂家的变频器都可挂运行，兼容性非常好。

3 系统控制的网络构成

下面以螺旋卸车机的大车移动为例对系统控制网络构成进行说明。大车移动系统中共有4台变频电机，自动化系统的主站是PLC，从站为变频器，把4台变频器都挂在PROFIBUS网络里。它们之间采用主从方式构建，由PLC控制主变频器，其余3台变频器与主变频器进行通信，并跟随动作。在运行中，PLC主站把主变频器的指令传给从站，并接收变频器反馈的运行状态及报警状态信号。

系统内主要通讯的传送是由RPBA-01 PROFIBU-DP适配器模块来进行的。该模块是ABB ACS800系列变频器的一个可选设备，它可以将传动单元连接到一个PROFIBUS网络。在PROFIBUS网络上，传动单元被识别为从属设备。通过RPBA-01 PROFIBUS-DP适配器模块，可以进行以下几种方式的操作。

（1）把（启动、停止、运行等）控制命令发给传动单元。（2）把转矩或速度的设定参数发送给传动单元。（3）把一个过程给定信号或一个过程实际值发送给传动单元的PID调节器。（4）把状态信号和实际值从传动单元中读取出来。（5）改变传动的参数值。（6）对传动单元进行故障复位。

RPBA-01连接到PROFIBUS-DP网络中是靠一个九针连接器X1。PROFIBUS总线适配器模块可以支持9.6 kbit/s、19.2 kbit/s、45.45 kbit/s、93.75 kbit/s、187.5 kbit/s、500 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s、9.6 kbit/s的通讯速率。所使用的通讯速率和PPO类型，RPBA-01能自动检测。

4 系统的通信协议

PROFIBUS网络的数据通信通过“参数过程数据对象”（PPO）的数据结构完成。PPO包括过程数据（PZD）和参数识别值（PKW）2部分，其中PKW用于读、写参数值，PZD包括控制字、设定值、状态值和实际值。PZD与PKW的传输各自独立工作，互不影响。

参数识别：IND数组索引号；ID-参数识别；VALUE-参数值（4字节最多）。

过程数据：SW-状态字（由从机到主机）；CW-控制字（由主机到从机）；ACT-实际值（由从机到主机）；REF-给定值 （由主机到从机）；PZD-过程数据（用户指定由主机到从机的输出，由从机到主机的输入）；DW-数据字；DS-数据集。

对于参数识别值（PKW），文献[1]给出了具体的请求标识和响应标识的准确描述，通过结构的组合，PLC可以对变频器的不同地址的参数进行访问与读写，变频器予以应答。

5 控制系统网络其他问题处理

螺旋卸车机系统中变频器的干扰问题，一直是卸车机程控需要考虑的首要问题。尽管该系统PROFIBUS-DP网络中PLC与变频器的通讯采用了DP总线（6XV183001 HE00），克服了PLC与变频器之间的直接干扰。但由于卸车机系统的本身工况决定了它还存在其他的途径干扰，由于拖动电机和车体的控制信号都是通过滑缆，动力回路和控制回路不可能分开布置，又因变频器功率很大、干扰信号强，在设备投入运行后偶尔出现变频器对PLC输入模块输入信号的干扰问题，这样就存在很大的安全隐患。通过现场的实际检测，为不影响设备运行的情况，不做很大的硬件接线的改动，研究人员在PLC输入模块的输入点上并上合适的电容，将变频器高次谐波滤掉，消除了干扰。另外，为了获取螺旋卸车机每台电机轴的精确速度，保证它们的出力均匀，研究人员在每台ACS800变频器上增加脉冲编码器接口模块RTAC-01，为每台变频电机配置了光电编码器RVI58N-011K1R61N-1024（倍加福产品）与之连接。如此，整个螺旋卸车机实现了闭环控制，使系统运行更平稳、更可靠。

6 结语

襄樊螺旋卸车机整个系统采用了PROFIBUS网络控制。PLC通过PROFIBUS-DP对变频传动进行控制，使整个系统操作简单，运行可靠。将变频驱动装置的可靠性与PROFIBUS的开放性、低成本等优点相结合，随着工业自动化控制中的网络化普及，有巨大的潜力。

参考文献

[1] 邬宽明.现场总线技术应用选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] PROFIBUS-DP适配器模块RPBA-01用户手册[Z].