基于西门子400 PLC和ACS400变频器实现造纸机传动控制系统的设计

为了在造纸机高速运行状态（600 m／min以上）下对纸机各传动点进行同步控制和负荷控制，通常需要采用PROFIBUS-DP现场总线的多电机同步传动控制系统，解决多电机控制的同步性以及信号通讯的实时性、快速性和高精度性。

PR0FIBUS主要用以实现分散式数字化控制器从现场底层到车间级的网络化，它具有通信速率高、可靠性强、维护方便及总线协议开放等突出优点。开发PROFIBUS通讯转换接口，使现场底层的分散式数字化控制器能接到PROFIBUS-DP总线网络中就显得尤勾重要。本文对自行研究设计的PROFIBUS-DP转换接口在2350／650纸机传动控制系统中的应用作一介绍。

1 、纸机控制系统

以2350／650造纸机传动控制系统为例，该系统采用PC机作为上位机，西门子400PLC作为中心控制器，并由ABB公司的ACS400变频器通过PROFIBUS．DIP通讯转换接口与PLC构成PROFIBUS．DP控制系统同时驱动负载，如图1所示。

2、 PROFIBUS-DP总线通讯转换接口

从图2中可以看出，PLC通过PROFIBUS-DP总线与变频器进行通讯的过程中，PR0FIBUS-DP通讯转换接口是信号通讯的关键部分。在本设计的通讯接口中使用的是PR0FIBuS通信专用ASIC结合单片机。其中PROFIBUS通信专用ASIC选用的是西门子公司的SPC3，系统的控制核心选用Intel公司的MCS．51系列单片机中的80C31。

PROFIBUS-DP接口主要由处理器接口和串行总线接口组成。在处理器接口电路中，80C31通过Po口和P2口扩展外部存储器，将SPC3内部的双口RAM作为自己的外部RAM，通过对双口RA M的读写来完成对SPC3的初始化和有关数据的交换。SPC3芯片通过请求发送信号（RTS），发送数据信号（TXD），接收数据信号（RXD），通过高速光耦HCPL7720和总线收发器SN75ALS176相连，构成串行总线接口。

PROFIBUS-DP网络接口在物理上与RS485网络接口相近，从图3可以看出，PR0FIBUS-DP总线驱动一侧和主站连接；另一侧通过光耦与SPC3连接。采用光耦主要是为了消除来自零线上的干扰。在本设计中选用了SN75ALS176总线驱动芯片和HCPL772O光耦。HCPL7720光耦是一种比较特殊的光耦，为双电源供电，速度最高达25Mb／s。另外， 在本设计中PR0FIBUs-DP总线电缆采用的是A类型的屏蔽双绞线，有助于改善电磁兼容性，其特征阻抗为130～165Q，截面积》0．34 mm。

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFI．BUS-DP协议，因此8OC31不用参与处理PR0FIBUS．DP协议。80C31的主要任务是对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种报文的处理。图3为其主程序流程图。

3、 基于PROFIBUS-DP总线的控制系统的工作过程

3．1 系统的控制过程

从图1可以看出，系统由PC机发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态的作用；数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器（PG），由PG分别测量造纸传动中各单元的实际速度，送入变频器，再通过自行开发的转换接口将此信号传输给PLC；PLC通过现场总线协议读取变频器寄存器中的运行频率与速度计算值，然后与设定运行参数综合，按既定的同步控制策略进行运算和控制，得到各单元电机的整定运行速度设定值，通过PROFIBUS．DP写入变频器执行。

由于PLC直接通过数字通讯模式，按照一定采样周期进行信息的输入、处理和输出，简化了系统外围模块，缩短了控制周期，同时提高了在线监测、运算和驱动能力，控制精度和工作可靠性也进一步提高。另外，可以通过通信接口将变频器相关参数反馈到PLC，并由PC机实时监控，并可根据实际情况做出相关的判断和调整，使操作更加简单、直观。系统运行参数的设定也可以通过远程通信实现，低操作故障，减少劳动力的投入。

3．2 通讯接口与变频器之问数据通讯

3．2．1 变频器参数设置

在通信接15与变频器进行通信时，通信接15的参数应与变频器的参数设置相对应。主要设置的参数有站地址、通信速率、校验等，变频器的参数设置见表1。

3．2．2 通信接口与变频器之间的数据交换

通信接口与变频器之间的数据交换是根据PROFIBUS-DP主站传送的数据长度确定对变频器进行读、写操作的具体内容。这里选择8字节的输入及输出来说明读写操作的具体内容。读操作：当系统为8字节输出时，通信接口需要读取变频器的状态字、运行频率、计算车速、计算转矩。写操作：当系统为8字节输入时，通信接口需要给变频器发送控制字、外部给定1、外部给定2。详细内容如表2所示。

4、 应用效果

（1）系统的通讯速率可达到1．5Mb／s，大大超过以前应用RS485总线的9．6kb／s，保证了各传动点实时同步。

（2）系统的控制精度达到0．1％，动态精度（最大扰动偏差）为5％，负荷分配控制精度可维持在5％以内。

（3）系统的动态响应小于0．02s，能够及时进行纸机运行信息的交换和共享，确保了纸机高速稳定运行，减少了纸幅断头。

（4）系统采用PROFIBUS．DP控制技术，全部的控制功能是由现场总线通讯完成，省去了成千上万个线路节点，提高了系统的可靠性，节约了控制电缆，降低了系统成本。

5、 结语

在这套控制系统中PROFIBUS-DP将所有的站点连接到一起，系统信息都是通过它进行传递。利用PROFIBUS-DP完成系统各设备间的通讯，形成网络系统，提高系统的智能化程度，实现复杂的控制功能。在实际中，用它对造纸机控制系统进行改造，完成了预期的通信和控制功能，大大提高了生产效率，取得了满意的效果。

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