陆源，张海云 （合肥工业大学电气与自动化学院，安徽合肥230009） 摘要 设计了基于Profibus-DP 和MPI 网络的PLC 控制系统，解决了某石化厂原腈纶纺丝生产线控制系统网络通信不开放、故障率高、维修不方便且费用高等缺点。在该系统中，由于采用了开放协议的Profibus-DP，将CPU 317-2DP 与变频器TD3000 从站集成到一个系统中去, 监控级采用MPI 作为通信网络。重点介绍了TD3000 变频器在腈纶纺丝生产线中的应用概况和应用特点，分析了该系统的基本原理及结构，PLC 与变频器的数据通信和系统变频拖动的特点。 关键字 变频器；Profibus-DP；MPI；网络；通讯；纺丝 Abstract Keywords
1 概述
某石化厂腈纶纺丝生产线建成于1993 年，共有6 条生产线和1 条备用线，其控制系统采用了7 套安川公司的CP-3300 可编程控制器（其中1 套作为备用），每个可编程控制器通过CP-213 FA 母线控制17 台安川公司的616 H3 变频器，各可编程控制器间通过FABUS（CP-2500 ）进行通信以实现故障时启动相应的备用变频器,该系统原结构框图如图1 所示。
图1 原控制系统结构框图
该系统经过多年的使用，设备老化，故障率增高，由于该控制系统为安川公司自行开发的专用系统，系统的开放性较差，系统的维护、扩展以及设备的维修都依赖安川公司。针对上述情况，设计了一套控制系统替代该系统，新系统除具备原有的控制功能外，还具备更高的可靠性、稳定性、开放的通信协议、良好的可拓展性等优点。
2 系统网络结构
本项目只改造了其中的2 号生产线并新增一条备用生产线，所以在该项目中只有两条生产线。该系线PLC 是以后系统扩张时加的，实际在本项目中没有），第一层网络（即监控级）采用MPI 作为通信网络，由工控机、PLC 作为网络节点；第二、第三层网络（即现场级）采用Profibus-DP 作为通信网络，由PLC 作为主站，ET200M 分布式I/O 和变频器作为从站。
2.1 第一层网络（监控级）
工控机和备用PLC 采取MPI 方式进行通信。在该层网络中工控机与备用线PLC 之间信息交换的特点是数据报文通常都比较长，信息交换量较大，因此
要求网络必须具有较大的带宽。备用线PLC 需要采集每条生产线的变频器的频率、电流等参数发送给工控机。
图2 系统网路结构图
2.2 第二层网络（现场级）
备用线PLC 作为主站，2 号线PLC 和备用线变频器作为从站，采用DP 方式进行通信。现场级通信的实时性、可靠性要求比较高,对网络传输的数据量要求不高。因此选用适合系统控制特点的Profibus-DP 。该网络的开放性，使以后改造其他生产线时十分方便。其他线的PLC 只要像2 号线的PLC 一样加到该层网络中即可（如图2 中虚线所示），并各自带自己的变频器。工作情况和2 号线PLC 一样。
在该层网络中备用线PLC 和2 号线PLC 从站进行通信，采集2 号线PLC 发送来的2 号线变频器的参数并发送给工控机，当2 号线某台变频器发生故障时，经2 号线PLC 发出请求，备用线PLC 确认后启动备用线相应的变频器; 同时备用线PLC 和该层网络中的备用线变频器进行通信。
变频器从站通过总线适配器TDS-PA01 接入Profibus-DP 总线，与PLC 主站通信，变频器的运行参数和PLC 的控制参数可以通过总线相互传递，从而使系统具有较高的智能化和自动化。每条生产线有17 台变频器（INVF1、INVF2 、INVF4 ～INVF10，INVF12 ～INVF18，INVF20），其中INVF1 拖动30 台同步电机，INVF2 拖动6 台同步电机，其余每台变频器拖动一台电机。F4~F12 拖动的为同步电机，F13 ～F20 拖动的为异步电机。
2.3 第三层网络（现场级）
2 号线PLC 作为主站，ET200M 分布式I/O 和变频器作为从站，采用DP 方式进行通信。传输的信息主要有ET200M 分布式I/O 站的模拟量、数字量和变频器的控制参数等。变频器的工作方式与上层网络相同。
3 变频器智能从站
变频器智能从站通过总线适配器TDS-PA01 接入Profibus-DP 总线，与PLC 控制站通信，变频器的运行参数和PLC 的控制参数可以通过总线相互传递。变频器通过总线适配器TDS-PA01 接入Profibus-DP 总线的连接图如图3 所示，变频器通过端子P24 、COM 给TDS-PA01 提供工作电源，通过RS485 接口与TDS-PA01 通信。
图3 变频器、TDS-PA01 接入Profibus-DP 总线连接图
要想把变频器智能从站组态到Profibus-DP 网络中，必须有从站的GSD 文件。GSD 文件称为设备数据库文件，对一种设备类型的特征GSD 文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD 文件由生产厂商分别针对每一种设备类型而设定并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种Profibus 设备的数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。
在组态网络时，先把TDS-PA01 的GSD 文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工具里就有了所需的从站的选项，然后在Profibus-DP 网络上添加变频器智能从站，并设置站的参数，最后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个Profibus-DP 的变频器从站。具体数据传输格式如图4 所示。
用户数据PPO
图4 变频器从站数据传输格式
在周期性通讯中Profibus-DP 协议使用PPO（Parameter/Process Data Objects）类型作为数据传递的格式，不同的PPO 类型有不同的数据组成，有5 种PPO类型数据，由用户在通信参数中配置，分别在主站和从站中指定，并要求一致。PPO 类型的选择取决于该传动在自动化网络中的任务，它的过程数据在网络通信中有最高的优先权在最短的时间片中处理。
根据系统的控制要求，变频器数据传递的格式选为PPO1 。参数区PKW 和过程数据区PZD 的位定义如图5 所示。由于应用Move 指令来访问I/O 或过程镜像输入输出表时仅能一次读出不多于4 个字节的连续数据，为保证通信数据的连续性(这种连续性实现数据作为一个整体连续发送而不被中断，以防止由于中断而带来控制上可能的严重后果)，通常主站与从站进行数据交换过程中以连续的8 个字节进行其间的数据交换. 这样就需要应用SFC14 （DPRD_DAT）和SFC15（DPWR_DAT）来完成。
4 系统变频拖动的特点
腈纶纺丝是一个多输入、多输出、多回路控制系统，要求拖动系统具有较高的稳态精度和快速的动态响应。系统的变频拖动电气结构如图6 所示。该控制系统的拖动部分具有以下几个特点。
4.1 多点高精度同步调速
由于腈纶纺丝工艺的特殊要求，为保证腈纶纤维质量，就要求系统各个工位转速具备较高精度的牵伸比，因此要求在整组加速、减速以及平稳运行时各个工位辊子的线速度保持恒定的比值，也就是要求各个变频器的运行频率保持恒定的比值。要达到多点高精度同步调速取决以下三个条件：PLC 控制程序；PLC 与变频器的通信周期；变频器-电动机调速系统的运行精度。
1）同步调速的PLC 控制算法如下（以前纺整组加速为例）。
Step1：计算变频器F2、F4、……、F15 的运行频率fi (i=2,4, 撰,15) 与F1 的运行频率之比琢i=fi /f1 ,(i=2,4, 撰,15) （1）
