基于PLC和变频器实现石灰窑电气控制系统的改造设计

引言

电气控制系统中随着PLC的问世，用PLC内部程序（虚拟继电器）代替实际继电器控制，已经得到广泛应用。随着PLC的不断发展，控制功能越来越强大，一台PLC可同时控制几十台变频器，但控制信号的增加，需要大量的控制电缆和显示装置。寻求一种更高速度、更低成本、低功耗、高可靠性的控制系统，摆在我们面前。使用PROFIBUS—DP总线技术是目前最好的方法。

1、 PROFIBUS—DP技术应用简介

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，非常适合于电气控制系统。

PROFIBUS通信协议已经在很多领域得到了广泛应用，但PROFIBUS—DP从站的开发必须符合使用者的要求，所以开发PROFIBUS—DP智能从站越来越受到人们的重视，但由于PROFIBUS协议的复杂和繁琐性，目前国内大多数厂家使用的PROFI．BUS—DP智能从站产品都是进口的。

2006年北京鼎实有限公司开发的嵌入式PRO—FIBUS总线桥，提供了一个简单的接口，它广泛用于变频器、电机启动保护装置、智能高低压电器、电气测量装置、各种变送器、智能现场测量设备及仪表等等。

2 、PROFIBUS—DP技术在石灰窑电气控制系统改造中的应用

2．1 石灰窑电气控制系统中使用PROFIBUS—DP

技术的必要性

石灰窑电气控制系统中，传统的PLC控制方式见图1，动力线和控制线都直接接入主控室柜内。由于石灰窑电气控制系统庞大（例如某钢厂所用石灰窑PLC控制系统中，数字量用了大约1 500点，模拟量用了大约600个点，变频器20台），且电气设备分散，控制线用量很大，一套300 t石灰窑控制信号电缆的造价约占总电缆金额的40％。

通过加入智能仪表，使用PROFIBUS—DP总线技术（见图2），一方面由于现场设备使用统一的通信协议，控制器只需用一根通信电缆就将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，从而除去了控制中的传输导线，可节约资金30万。另一方面传统的电气控制系统，大捆大捆的传输导线需要单独挖电缆沟或架电缆桥架，给施工带来很多不便，且对检修、维修也带来很大困难。从站的建立，保证了控制的可靠性和维修、改造的方便性。尤其对于现场控制带来了极大的方便，人们可以在现场根据运行设备的情况，通过智能仪表给PLC和变频器发布命令，控制电机的启动、停止、正转、反转、调速等。

2．2 从站硬件组成

从站的核心是自行开发的智能仪表，其结构框图见图3。

它由两大部分组成，第1部分是嵌入式PRFI—BUS总线桥；第2部分是用户产品模板：包括了用户单片机、数据采集、数据输出、键盘控制、输出显示和地址设置6大部分。RS485总线驱动器一侧与9针D型插座相连，另一侧通过光耦与SPC3相连。

2．2．1 嵌入式PROFIBUS总线桥

PRFIBUS接口部分，采用北京鼎实有限公司开发的嵌入式PRFIBUS总线桥PB—OEM2一SE接口板，其中的CPU使用AT89S52单片机，由于使用Siemens PLC（s7—300）作主站，所以选用Siemens的从站协议芯片SPC3来连接PROFIBUS—DP主站与从站。对AT89S52而言，SPC3相当于它扩展的一个外部RAM，是一个集成有PROFIBUS—DP协议的DP总线桥芯片。

SPC3的内部结构见图4，SPC3芯片中包括方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器和各种缓冲器指针和缓冲区；内部含有1．5kB的RAM，带有11位地址线的并行接口。另外，SPC3内部还集成了1个看门狗计数器，可工作于3种不同的状态：波特率监测、波特率控制和DP控制。当应用处理器出现故障时，PROFIBUS—DP将被禁止，这样就不至于危及外围设备。作为SPC3的心脏，微序列器控制着整个工作过程。在UART中，并行数据流和串行数据流完成交换。

CPU与SPC3的接口电路见图5，SPC3有内部地址解码电路，所以，AB8～AB10接地。此时DB7～ DB0是数据地址复用总线，可以产生低8位的数据和地址，高4位地址由AB0～AB3产生，AB4～AB7产生SPC3的片选信号，只有AB4～AB7同时为0时才选中SPC3。

目前，能满足12Mbps波特率的驱动芯片有SN65ALS176 SN65ALS1176 SN75ASL176、ADM1485、SN65HVD1176等。采用光电隔离主要是为了消除来自外界的干扰，能满足12Mbps波特率的光耦有HCPL7720、HCPL0720、HCPL7721、HCPL0721、HCPL7710等。另外要求电源也要采取隔离措施，如加变压器隔离或采用DC—DC模块。

2．2．2 用户产品模板部分

其核心部分是一个AT89C51单片机，单片机接口分配电路见图6。

1）数字量输入部分（见图7）

设备（电机）的模拟量采用了RC电路滤波，经光耦隔离，再由施密特触发器整形，变为数字量输入CPU。RC电路滤波以减小因触点机械颤抖而造成的误操作。为了减小电路板的体积，使总体结构更加美观和紧凑，还可以采用软件防颤，同样可以达到满意的效果，但程序运行速度减慢了。

2）数字量输出部分（见图8）

数字量输出部分采用了74LS373锁存器推动电耦，经大功率三极管3DD15输出。采用74LS563锁存器的目的，一是74LS373的驱动能力较大，可以直接推动电耦；二是74LS373具有锁存功能，可以方便地挂在总线上，同时CPU不慎死机跑飞，由看门狗复位时，能保持输出不变，防止抖动造成的误动作。

3）键盘（见图9）

DP从站除了为完成基本的数字量输入／输出外，还将变频器的一部分控制参数通过DP传送给PLC，用于变频器的现场调试，如正转、反转、启动、停转及频率的设定。为了完成多种功能，键盘采用典型电路结构，6个键盘采用矩阵式排列，且用软件进行防颤。

4）显示部分

为了给用户和调试人员提供一个良好的交互界面，采用点阵式液晶全汉字操作界面，不仅可以清楚了解各个输入输出点的详细情况，而且还可以在现场观看设备的运行情况，调试变频器，实现电机的正转、反转、启动、停转及频率的设定，不必再跑去操作室。这种可现场调试变频器的功能，给调试人员带来极大的方便。

3、 软件设计

软件的主体部分是对DP总线桥的读写，通过对DP总线桥的读写来完成对数据的处理。此接口板专为自主开发PROFIBUS产品的厂家以OEM方式提供PROFIBUS接口。用户不需要了解PROFIBUS开发技术，不需要购买PROFIBUS开发系统；不需要自己编写GSD文件，用户产品的CPU通过串行接口向接口板读/写、输入／输出数据，接口板自动转换成PROFIBUS—DP协议与PROFIBUS主站通信。即DP总线桥通过应答方式来对仪表传送所有数据。

4 、结束语

该项目是专为某钢厂石灰窑电气控制系统改造的。改进设计前和改进后300 t石灰窑电气控制系统部分性能指标变化见表1。按表1初步计算改进设计后石灰窑可节约成本38万元，同时提高了控制系统的可靠性和控制的方便性，深受用户欢迎。

责任编辑：gt