王春花 （1965  -）

女，江西南昌人，副教授，硕士，研究方向为机电一体化，现就职于江西理工大学南昌校区机电工程系。

基金项目：国家科技攻关项目（项目编号：2002BA315A—4—06）

摘要：本文介绍了Profibus-DP（Decentralized Periphery）、网络在稀土萃取生产线中的应用，对Profibus-DP网络的特点、系统的组成及调试进行了详细阐述，对完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能，其应用效果十分显著。

关键词：稀土；萃取；Profibus-DP；变频器

Abstract: This paper introduces application of Profibus-DP network in the rare-earth element extraction production line. The ProfibusDP network features, the system 
configuration and debugging method are also explained in detail. The system has many 
functions including field control, monitoring and long distant parameterization. 
Its performance is remarkable.

Key words: The Rare-earth; Extration; Profibus-DP; Inventor

1 概述

    稀土串级萃取分离是稀土湿法冶金的重要生产过程和稀土元素分离提纯的重要手段。在稀土萃取生产过程中，流量控制是至关重要的环节，是萃取生产是否稳定的决定因素，将直接影响稀土产品的质量及收率和生产企业的经济效益[1]。由于稀土萃取过程流量控制对象的特殊性：一是介质的强腐蚀性（大都为盐酸介质）；二是流量范围变化大，一个百吨的稀土萃取分离厂其流量小至每分钟几十毫升，大至每分钟几十立升，相差一千多倍。目前国内稀土企业研究开发的流量控制装置，还存在许多不尽人意的地方，使用效果不理想，致使稀土工业技术不能真实体现我国稀土分离工艺技术的国际领先水平。正因为如此，国家科技部2002年再次将稀土萃取过程闭环控制项目列为“十五”重大科技攻关项目。

    某公司研究开发了一套新型流量控制系统，已成功应用于稀土萃取分离生产线。流量调整直接在计算机上操作便可完成，改善了工人的操作环境和劳动强度，提高了劳动生产率，流量精度可达±2%。该系统采用变频技术控制转速，圆盘戽斗完成流量操作，控制器通过现场总线与变频器之间传递信息。但该系统使用时首先须建立流量与频率数值转换的工作曲线，而且输出的流量没有流量计现场监测，输入、输出数据相互独立，不能反馈，还须不定期进行人工检校，无法实现稀土萃取过程流量闭环控制。针对这一情况，笔者采用了Profibus-DP现场总线技术。成功地实现了稀土萃取过程流量闭环控制。

1.1 Profibus-DP简介

    现场总线[2 3]是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I／O或智能传感器、智能仪表为控制主体，以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替传统的4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。

    本系统采用的Profibus-DP即为现场总线的一种，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，1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。它是一种高速低成本通信方式，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。

1.2 Profibus-DP组成

    Profibus-DP通常采用RS-485传输技术，采用的电缆是屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术基本特征：

    网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻

    传输速率：9.6K bps～12M bps

    介质：屏蔽双绞电缆

    站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。

    插头连接：9针D型插头

    PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

2 系统组成及参数

2.1 PLC的选型配置

    为保证技术先进，操作简便，方便后续的扩建，本控制系统中设计选用Siemens公司的S7—300系列PLC产品，其特点：模块化结构，扩展功能强，结构坚固，可靠性高，功能全面，运行速度快，具有强大的通讯能力和集成的系统功能。该控制器通过CP342-5模块作为Profibus-DP的主站，通过该模块来管理整个网络上其它从站的运行。在该网络上连接了20台MM420变频器，它们作为从站，接受来自控制器所发出的控制指令和控制参数[4]。系统组成见图1：

                                           图1   系统组成图

    网线连接及终端电阻配置完毕后，要使网络正常工作，必须对各设备及网络进行必要的参数设置。对于MM420变频器要设置其P0700、P1000两个参数，本系统要通过网络来控制变频器的输出频率，因此两个参数应设置为6。

    Profibus-DP网络的传输速率的设定要根据总线的长度及类型来确定，具体对应关系见表1：

                     表1   Profibus-DP网络的传输速率与总线的长度关系

    电缆长度（m）         1000         400      200    100

    传输速率（bps）    9.6K～187.5K    500K    1.5M    3M～12M

    本系统网络电缆长度为60多米，因此最大传输速率可达到12M bps。

2.2    软件设置

    Profibus—DP总线共有20个站，其中S7—300作为主站，其余均为从站，应用STEP7对各个站点进行地址分配和系统组态，并且对可以设置的模块参数化，同时还要进行通信组态，确保参数匹配正确，使网络真正建立通信。软件设置见表2。

                 表2   软件设置

    工控机监控软件WinCC是基于人机交互式监控系统，运行于Windows平台上，其强大的过程接口界面和高度的安全数据存档特性，适合于各种流程和控制过程的操作及监控。该软件根据用户建立的数据信息，把PLC信息直接连接到用户应用图形上。操作人员可以通过操作画面及流程图，监控流量状态和运行数据，发出控制命令，也可进行参数修改、故障处理复位、报表打印等，实现自动化管理。

2.3 系统特点

    ①系统开放性。Profibus总线目前应用广泛，是不依赖于设备生产商的总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业和楼宇自动化，以及交通电力自动化等其他领域，性能可靠数据传输安全。②技术先进，可靠性高，维修方便。Profibus总线是当前先进的总线技术，S7系列PLC技术水平先进，该系统设计使得软、硬件之间充分协调，整体性强。又由于各从站相对独立，各个控制点如果发生故障或失效，不会影响其他从站的作业，而且A i总线的设备可带电操作，即插即用，检修十分方便。③系统扩展容易。Profibus总线上可挂接100多个从站，如果需要增加级数，可以在前期布线时预留从站位置，接入时只要激活从站即可。

    加入的设备和仪表与原系统互不影响。

3 系统调试

    网络连接及参数设置完毕后，对该系统进行了调试。所使用的软件工具为STEP 7 V5.1，该软件为西门子公司的针对SIMATIC S7-300的配套编程工具，STEP7完成硬件组态、参数设置、编程、调试和文档处理。

    首先设置CP342-5为Profibus-DP主站，传输速率为12M bps，站地址为2。其次分别设置各变频器地址，从5～24，通讯数据类型选择PPO3，即2个输入字、2个输出字。最后将配置信息与相应程序下装到S7-300PLC中。

    在实际调试过程中，通过下面的指令数据分别控制变频器不同的运行状态：

    047F 1000       正向12.5Hz运行；

    047F 4000       正向50Hz运行；

    0C7F 2000       反向25Hz运行；

    047E 0000       停止运行。

4 结束语

    通过现场调试证明，Profibus-DP在稀土萃取生产线中的应用达到了预期的要求，提高了系统的可靠性、可维护性和抗干扰性，提高了控制精度，降低了系统及工程成本，增强了现场级信息的集成能力，应用效果十分明显。



参考文献

[1] 杨易琳，聂民. 对用计算机控制萃取工艺中流量的探讨 [J]. 铝镁通讯，2005，(4): 39.

[2] 刘守道，秦益霖. 基于现场总线的全数字远程恒速控制系统的实现 [J]. 常州信息职业学院学报，2007，6(3): 9～12.

[3] 夏德海. 现场总线技术. [M]. 北京: 中国电力出版社，2003.

[4] 廖常初. S7-300／400应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社，2005.