浅谈PROFIBUS与S7-400在玻纤行业拉丝生产线上的应用

曹国荣，沈建兴

(巨石集团有限公司，桐乡 314500)



浅谈PROFIBUS与S7-400在玻纤行业拉丝生产线上的应用

曹国荣，沈建兴

(巨石集团有限公司，桐乡 314500)

摘 要：介绍了了PROFIBUS，简述了拉丝生产线的特点，设计了拉丝生产线的方案。通过分析玻纤行业内拉丝机设备的电气特性，选用合适的现场总线通讯技术，用来优化拉丝机设备的电气功能、实现拉丝机相关数据的互通、满足车间生产的工艺要求。

关键词：PROFIBUS；玻纤行业；S7-400；电气特性

0前言

目前，现场总线通信技术已深入到自动控制的各个领域，应用这项技术可以将PLC、变频器、逆变器、传感器各单元相互连成网络，实现分布式I/O计算机控制。

随着玻纤工艺技术水平的不断发展和提高，玻纤行业对玻纤设备提出了越来越高的要求，传统驱动及控制方式已远远不能满足对现在的玻纤生产工艺要求，因此，开发应用方便灵活、控制性能好的控制系统成为急待解决的问题。

目前已有PROFIBUS-DP现场总线实现SIEMENS S7-400PLC与上位机、变频器、逆变器的通信方式在玻纤生产线上的应用实际案例。

1PROFIBUS特点

PROFIBUS是最成功的开放式现场总线，适合于多种应用场合。所有自动化设备(PLC，PC，HMI(人-机接口系统)以及传感器和执行器)都可以经过统一的总线进行数据交换和传输[1]，相对于各种可能的应用类别，有三种总线形式：即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA。我们在生产线上应用了PROFIBUS-DP，下面将进一步介绍。

PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA的特点如下：

(1) PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS总线功能强大，定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

(2) PROFIBUS-PA

这种型式用于过程自动化是为满足化学和过程工业的需要而开发出来的，从简单的传感器到管理层的统一模块化系统，能完整地实现新的工厂设计方案，可任意组合，用于过程工业和生产工业的功能强大价格低廉的标准部[2]。其特点是：最小的硬件成本，缩短准备时间，免维护，低成本软件工程，提高了运行的可靠性，在过程自动化和电站自动化有着广泛的应用[3]。

(3) PROFIBUS-DP

这种型式是为高数据传输而优化的，数据传输速率最大可达12 Mbit/s，适用于有分布I/O站和现场设备的自动化系统之间的通讯[4]。其特点是：非常短的响应时间，抗干扰能力强，并替代4(0)至20 mA信号测量这种投资高昂的并行信号传输方式[5]。极强的自我故障诊断功能，如：本站诊断，模块诊断，通道诊断等。

结合上述三种现场总线的特点，本设计选用PROFIBUS-DP总线方式。

2拉丝生产线的电气控制特点

该设备的控制有如下特点：

(1) 所有电机均采用交流调速方式。根据拉丝工艺要求的特点，为此我们采用了整流回馈单元构成的公共直流母线的多电机传动。所有逆变单元及变频器通过CBP通信板接在PROFIBUS-DP上。

(2) 根据拉丝机控制精度要求高的特点，机头上增加了旋转编码器反馈以提高速度控制的精度。

(3) 为适应不同品种及不同工艺的要求，每条生产线上配备了一台工控机。在工控机上可显示设备工艺流程，显示主要工艺参数的设定值和过程值，能动态监视各单元机的运行状态，WINCC能对各种信息进行归档。在不同的权限下，能在线对主要工艺参数进行修改，报表打印各种历史数据。同时PLC对各种运行状态进行判断并及时处理。

3控制系统的设计方案

(1) 现场设备层硬件构成

系统硬件以PROFIBUS-DP网络为基础，所有的逆变器和变频器通过CBP通信板接在PROFIBUS-DP上。主控PLC为S7-417H，通过PLC的模拟量输入/输出模块及PLC内部PID来控制。考虑到生产线的特点与产品周期，我们为其配置了西门子具有高度灵活性，可靠性与高度集成化的WINCC控制系统，实现集成数据管理、集成编程、组态、集成通讯等功能[6]。

采用的S7-417H是冗余的自动化系统，由两个独立的中央处理单元组成，同步跟踪被控对象，并通过CPU之间的数据线进行快速，直接的内部数据交换。这两个独立的中央处理单元可以以冗余的方式接入工业以太网，并有冗余的PROFIBUS-DP接口连接I/O[7]。一旦异常情况发生，故障搜索装置启动，受影响的单元停止，自动切入后备单元。

(2) 软件配置应用与开发

在该系统中，我们采用西门子公司的PLC、通讯、工控软件及传动控制产品组成高质量、高性能的整合的控制系统，完成整个项目的过程及拖动控制任务。其中，采用了2套S7-400型PLC、近60多套MASTERDRIVER 6SE70系列传动产品(功率范围从3 kW到500 kW)。

上位监控系统由工业控制计算机配装工控软件，通过工业以太网INTERNET完成整个系统的过程数据采集、运行状态监视、系统设备控制及其他工业数据的采集、报表生成、打印、数据备份等工作[8]。PLC系统与传动控制系统间采用的是西门子公司的PROFIBUS-DP总线通讯方式，完成控制信号及数据的高速传递与交换。其中，处理主传动电机的负荷平衡是该系统中技术难度最大的课题，要求必须做到高速度响应、高控制精度、高安全可靠性能。与以往的同等级项目不同，上述的传动控制装置全部采用的是西门子公司的全交流MASTERDRIVE 6SE70系列变频器产品，配合西门子公司的PLC、PROFIBUS-DP通讯网络构建起高性能的传动系统，充分发挥出西门子产品多功能、高性能的特点，较好地解决了技术难题，并将负荷分配控制精度提高到0.5%以上(用户提出的负荷分配考核指标为<2%)。同时，将系统的响应时间控制在0.5 s以内，响应速度大大提高S7-400具有运算速度快，资源丰富等优点。

计算机监控软件采用西门子WINCC，它具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能[9]。根据以上系统配置，整个生产线软件分组态软件WINCC和PLC编程软件STEP7两部分。

在工控机上运行西门子WINCC组态软件，通过对该软件的组态来完成工控机与S7-400PLC的链接。在此不多加描述。下面以PLC与逆变器/变频器通信为例说明PROFIBUS-DP的通信。

PROFIBUS-DP是根据令牌传递过程工作的，即在一个逻辑环中，主站成为一个确定时间窗口的令牌保持者，在这个时间窗口内，拥有令牌的主站能与其它从站通信。PROFIBUS主要使用主从方式，周期性的与逆变器/变频器进行数据变换，逆变器/变频器总是从站且每个从站本身都有明确的地址[10]。

对于逆变器/变频器，通信板CBP具有访问变频器内部参数设置的能力，它定义了能使主站访问从站的用户数据的结构，用户数据结构被划分为两个区域，它们以各自的报文进行数据传送。A：过程数据区(PZD)控制字和设定值或状态字和实际值。B：参数区(PKW)读/写参数的一个参数区，即读出故障或参数的属性，如最大/最小值等。编程时，可以直接通过强制变量直接访问I/O来控制逆变器/变频器。

这样，在运行过程中，PLC可以通过访问报文PKW来观察和更改逆变器/变频器的任意参数，可以通过访问报文PZD来实现控制字和设定值或状态字和实际值的数据传输。工控机通过访问PLC的数据块(DB)来实现数据传输，从而完成对整个系统的监控。

4结论

众所周知，在玻纤工业的玻纤工程项目中，所采用的电气自动化产品范围之广、种类之多几乎涵盖了电气自动化产品的所有门类，其中包括低压电器产品、逻辑控制产品(PLC)、工控及软件产品、通讯网络产品、仪表类产品、传动控制产品、传感器类产品、电动执行结构等等。西门子公司在上述的各项产品门类中都有高性能产品可供用户选择，同时在产品兼容性、产品相互接口的适应性等方面有着无可比拟的优势。整个自控系统体现了西门子工厂一体化的先进自控理念，并且结构完全符合现场总线的国际标准，达到了预期的安全生产、提高产品质量和效率、节能降耗的目的。系统的控制思路和方法十分新颖、独特，SIMATIC STEP 7拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程组态的时间和费用。当前已经通过用户的生产监定，赢得用户一致好评，因此SIEMENS的S7-400系统和PROFIBUS总线技术在我国玻纤工业上有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

参考文献

[1]刘良文，董鸣，赵红洲，等.PROFIBUS-DP现场总线性能分析[J].微计算机信息，2006，06(09S)：46-48.

[2]徐明，杨平，应启戛，等.现场总线技术在电厂中的应用[J].微计算机信息，2006，06(01)：25-27.

[3]齐炜.PLC控制系统常见故障查找方法与查找实例[J].玻璃纤维，2010，06(03)：30-34.

[4]罗庚兴.基于PROFIBUS-DP现场总线技术的智能化打包机控制系统[J].制造业自动化，2012，34(5)：37-39.

[5]童克波.S7-300/S7-200 PLC之间自由口无线通信的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2014，06(1)：75-77.

[6]刁攀霞.基于PLC技术的液位控制系统设计[J].科技与创新，2015，24(05)：051.

[7]张涛.现场总线Profibus-DP在火炬回收控制系统中的应用[J].中国新技术新产品，2009 24(4)：19-19.

[8]汪志锋，袁景淇.基于S7-400 PLC的控制系统在污水处理中的应用[J].微计算机信息，2006，06(09S)：84-86.

[9]梁洪方，黄玉彦，乔茜华，等.VBA技术在WinCC工程组态中的应用[J].制造业自动化，2015，37(6)：73-75.

[10]雷慧杰，陈彦涛，张艳伟.PLC在钢管生产线追剪伺服控制系统中的应用[J].制造业自动化，2015，37(4)：120-122.

Brief Discussion on the Application of PROFIBUS and S7-400 in Fiber Glass Industry

Cao Guorong，Shen Jianxing

(Jushi Group Co.，Ltd.，Tongxiang 314500)

Abstract:PROFIBUS and the control of glass fiber production line are introduced in this paper.According to their features，a control system for glass fiber production line was designed.Through the analysis of the electrical characteristics of fiber winders used in glass fiber industry，an applicable PROFIBUS communication technology was selected in order to optimize the electrical function of winders，realize the relevant data intercommunication of winders and meet the process requirements of glass fiber production.

Key words:PROFIBUS；fiber glass industry；S7-400；electrical character

中图分类号：TQ171.77+6

文献标识码：A

收稿日期：2015-10-16

作者简介：曹国荣，男，1973年生，高级工程师。主要从事生产自动化方向的研究。

修回日期：2015-10-23