郑智武（1982—）
男，福建人，上海海事大学物流工程学院电力电子与电力传动专业硕士研究生。

摘要：论述了利用Profibus-DP技术在起重船变频传动及其控制系统中的实践与应用，并详细介绍Profibus-DP网络的硬件配置、系统功能和软件设计,该系统已用于起重船控制系统。实践证明该系统设计符合要求,整体运行安全可靠、故障率低。

关键词：Profibus-DP；PLC；ET200M；集散控制

Abstract: This article introduces the application of Profibus-DP in the Crane ship frequency drive and control system. It also details the hardware configuration，system function and software design according to the demands of Crane ship frequency drive and control system. This system has been used in Crane ship control system. The practical result shows that the design fits the demands and the system is safe, and dependable.

Key words: Profibus-DP; PLC; ET200M; DCS

    Profibus是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率较快的一种现场总线,传输率可达12Mbit/s，因此在很多领域内有广泛的应用，也是发展较快的现场总线。Profibus的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化。此外它的三种模块(FMS、DP和 PA) 又可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，开放性也好。Profibus现场总线基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权，站点数可达127个。

1　项目简介

    “起重1号”是2005年投入运营的全交流变频调速的工程起重船，总起吊能力为500t，主要用于海上起吊重物作业配套服务。其起重控制系统由起升机构、变幅机构、移船机构和索具机构四大部分组成。

    起升机构、变幅机构和移船机构电动机采用起重船用变频鼠笼异步电动机，其中：起重主钩2台、起重副钩2台、变幅机构2台、移船机构8台。索具机构有2台索具吊钩电动机，为普通船用三速起重电动机。变频电机可远程控制及本地控制, 远程控制与本地控制互锁。起重与变幅不能同时工作。两台起重主钩，可通过电气控制实现同步工作。

2　控制系统要求

    起重机控制系统采用“工控机+PLC”集散控制方式，通过分布式I/O及通讯适配器与远程输入输出模块及变频器交换数据。每个机构电机由变频器控制，变频器在接收到PLC发出的启动指令后，变频器首先进行零转速控制，使电机产生零速力矩，变频器锁定电机转子，这时打开抱闸，使重物不会发生溜钩或提钩现象。此时在PLC系统收到制动器打开的信号后（安装在制动器上的限位开关动作），向变频器发出速度给定指令，斜坡使能，电机开始平稳运行。根据操作者操作的档位，系统控制电机的旋转速度。

    起升机构、变幅机构变频器采用编码器反馈的闭环控制方式，编码器信号可及时被PLC采集，PLC根据采集的编码器信号进行相应的处理，以控制和监测电机旋转速度，调速比高，从而达到电子式保护的作用。

    工作过程中存在大量物理量，如电流、电压、力矩等模拟量参数，系统中的PLC主要就是采集现场传过来的数据，进行数据处理，通过继电器和接触器控制现场设备。控制功能主要由PLC来完成。

    PLC将比较重要的数据传送给操作室的工控机，工控机所采用的监控软件提供全面直观的设备工作状况显示及监控，速度与电流的动态曲线图形等；记录历史故障，分析故障原因，提示排除故障能够采取的可能步骤；记录分析每个电气设备的工作频率与故障频率，记录设备每次发生故障时的状态与工作参数，供进一步分析用。正常时显示起重机运行参数，并可进行人机对话操作。故障时显示并记录故障发生顺序、故障发生时间、可能故障点及可能故障原因。既有图形显示也有文字显示。

3　控制系统构成

    为了满足上面提到的起重船变频传动及其控制系统要求，该监控系统由Profibus-DP总线构成单主从工作方式，如图１所示。选用SIMATIC S7-400 PLC（CPU 412-2DP）作为主站，构成以下两个Profibus-DP网络：第一个Profibus-DP网络由3个ET200M构成。第二个PROFIBUS-DP网络由12台变频器、5个绝对值编码器和4个ET200M构成。上位机选用研华工控机，通过以太网模块CP443-1与PLC相连。

    3.1　硬件配置

    在本系统中采用ET200M分布式I/O，ET200M是模块化I/O站，可以实现远程分布式I/O功能，通过接口模块IM153-1与Profibus-DP现场总线相连。ET200M 的I/O模块可以连接来自现场的数字或者模拟I/O。组态之后，分布式I/O将如同集中式I/O一样。

    系统中变频器采用ABB公司ACS800系列变频器，其中1号主钩、1号副钩由于电机容量相近，不同时工作，采用一台变频器拖动以上二台电机，根据实际操作动态切换。2号主钩、2号副钩同样采用一台变频器拖动二台电机动态切换。因此，2台主钩、2台副钩共采用两台变频器。变幅机构采用一对一的变频拖动方式，共有二台变频器。移船机构由于8台电动机工作方式各不相同，因此为每一台电机各设置一台变频器。故本系统12台变频器通过通讯适配器RPBA-01直接挂接入Profibus-DP(2)总线上。绝对值编码器采用倍加福公司提供的PVM58N-011AGROBN-1213型编码器，1号主钩、1号副钩、2号主钩、2号副钩、变副分别用1个，共5个绝对值编码器。

    3.2　软件配置

    软件配置实际上就是形成整个Profibus-DP网络的网络配置,包括网络波特率、主从站地址及主从关系表等参数。Profibus-DP网络的配置相当灵活, 网络允许单子网或多子网配置, 既可以单主-从网络, 又可多主-从网络。通过STEP7可对整个网络进行配置, 设置相关的参数。组建Profibus-DP网络的设备通过读取相应GSD文件而加入到同一总线系统中。GSD文件是电子设备数据文件。为了将不同厂家的Profibus产品集成在一起, 生产厂家必须以GSD文件方式提供这些产品的功能参数。GSD文件应该包括三个部分: 总体规范(生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率等)、与DP有关的规范(主站的各项参数)、与DP从站有关的规范(输入输出通道数、类型、诊断数据等)。从站与主站之间的通讯是通过使用设备数据库文件(GSD)实现的。本系统由西门子公司软件STEP7组成的软件配置如图2。

图2  系统软件配置图

    系统具体配置过程如下:

    在西门子STEP7硬件组态的option选项中,选择Install New GSD,然后选择要安装的GSD文件,该文件是可以用记事本打开的,内有详细的通讯配置。安装成功后,就可在西门子STEP7硬件选项的Additional Field Devices中找到刚安装了GSD文件的DP从站,添加到Profibus网中[2]。 

    3.3　通信编程

    Profibus-DP是主从通讯和令牌通讯的结合，它允许单主从或多主从系统，单主从系统主从站之间采用主从原理通讯。本系统为单主多从型，这种方式的特点是S7－400作为系统主站在工作时间内一直占有总线控制权，与网中的从站进行通讯为纯主从式通讯。本系统主站和从站之间靠主站的查询和从站的响应进行通讯。

    与DP从站的数据通信是通过CPU的过程映像输入和输出表或由用户程序中的直接I/O存取命令来处理。由于PROFIBUS网络频繁地使用多于4个字节数据结构的相连续的数据区域，因此，与具有复杂功能和复杂数据结构的DP从站的数据通信不能由用户程序中的简单I/O存取命令来处理。SIMATIC S7系统提供特殊的系统功能用于与这类DP从站的通信。这就是系统功能SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”[3]。主站PLC可以通过调用SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”来完成和从站的数据交换。

    就该系统中PLC(主站)与1号主钩变频器(从站)通讯来说明, 其功能调用图如图3所示。它实质上是一个过程数据互连的问题。SFC的参数LADDR是一个指针，它指向要读出的输入数据区或指向要写入的输出数据区域。在SFC参数中，所指定的DP从站的输入或输出模块的起始地址必须与早先用HWConfig程序组态时规定的地址相同，而且这些地址用十六进制数表示。SFC的参数RECORD为CPU上的数据定义相关的源或止的区域，对于输入和输出的描述如表1所示。

图3  功能调用图

    程序说明：

    （1） W#16#200(即512)是1号主钩变频器组态时的起始地址

    （2）将从站数据读入DB15.DBX0.0开始的8个字节(P#DB15.DBX0.0 BYTE 8)，即S7-400读取变频器的初始状态。

    （3）将DB15.DBX30.0开始的8个字节写入从站(P#DB15.DBX30.0 BYTE 8)，即S7-400发送给变频器主控制字、速度给定设定值。

    （4）将从站数据读入DB15.DBX8.0开始的20个字节(P#DB15.DBX8.0 BYTE 20)，即S7-400读取变频器的主状态字、速度实际值、电流实际值。

    表1  SFC14、SFC15外部数据接口

	参数	声明	数据类型	说明
SFC 14	LADDR	IN	WORD	要读出数据的模块输入映象区的起始地址， 必须使用16进制格式
	RECORD	OUT	ANY	存放读取的用户数据的目的数据区， 只能使用BYTE数据类型
	RET_VEL		INT	SFC的返回值，执行时出现错误则 返回故障代码
SFC 15	LADDR	IN	WORD	要读入数据的模块输入映象区的起始地址， 必须使用16进制格式
	RECORD	OUT	ANY	存放要写的用户数据的目的数据区， 只能使用BYTE数据类型
	RET_VEL	OUT	INT	SFC的返回值，执行时出现错误则 返回故障代码

4　结论

    在起重船变频传动及其控制系统中，通过Profibus现场总线构建高性能的工业现场局域网，实现对起重控制过程的网络化监控，减少了大量布线，提高了系统的准确性与可靠性。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，这就使得系统在现场维护、运行监控、管理、故障诊断及处理等方面都取得巨大的进步。实际应用表明该系统运行效果良好。

参考文献

    [1] 叶晓山，PROFIBUS现场总线在工业自动化控制系统中的应用[J].安徽化工,2002,19(3).

    [2] 廖常初，S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

    [3] Siemens AG， Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual, 2002.

作者信息：

    郑智武(上海海事大学，上海  200135）    

    王顺顺，徐方逸(上海港务工程公司，上海  200438)