PKS系统中实现电气设备的现场总线控制———ToRealizeFieldbusCo

　　
  摘要:本文介绍了在PKS系统中PROFIBUS现场总线技术的应用，并采用PROFIBUS-DP总线实现了对ABB公司ACS800变频器及智能马达中心M102的控制。文章主要从PKS系统规划、PROFIBUS网络组态以及PKS中实现PROFIBUS通讯及设备控制三个方面进行论述。
  
关键词: PKS　PROFIBUS　变频器　M102
  
Abstract: This paper introduces the application of PROFIBUS bus technology in PKS .By adopting PROFIBUS-DP bus, it realized the control  of ABB Company ACS800 frequency converter and the intellectual motor centre M102.The paper mainly explained from the following respects :1.PKS systematic planning, 2. PROFIBUS network configuration 3.PROFIBUS communication and device control in PKS.
  
Keywords: PKS  PROFIBUS  CONVERTER  M102
  
引言
        随着大型PLC、DCS在工厂中的广泛应用，极大地提高了企业的现代化水平。但由于电气设备不断增多，传统的硬接线方式使得控制室的电缆大量增加，同时电气设备的干扰问题也较难解决，这给DCS（PLC）、电气设备的维护带来了很多问题。
  
        而随着现场总线技术的不断发展和完善，使得以上难题迎刃而解。PROFIBUS就是一种应用较为广泛的现场总线技术，它是国际化的开放式现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统。
          PROFIBUS总线标准为供应商和用户的投资提供了最佳的保护并确保供应商的独立自主性，并确保了在各个制造商的设备之间进行通信。
  
        本文主要讨论了霍尼韦尔公司PKS系统通过PROFIBUS现场总线实现与ABB变频器、智能马达中心（M102-P）通讯、控制的方案。
  
一、Experion PKS系统规划：

        Experion PKS是霍尼韦尔推出的最新的DCS控制系统，它采用基于Windows 2000的服务器, 利用高速动态缓存区采集实时数据， 融合了最新控制技术，现场总线，高级控制应用等。在现场总线方面支持FF、PROFIBUS、DEVICE　NET等多种流行的总线方式，因此具有较强的开放性，与第三方系统、仪表及设备的连接通讯较为方便。
  
        在本套PKS系统中主要由三层网络组成：FTE冗错以太网、ControlNet（CNET）网络、PROFIBUS网络（参见PKS系统网络图）。FTE是Honeywell专利技术，使得商用的100Mbps 以太网实现容错允许所有的单点故障，以及一些多点故障；切换速度可快达1秒，并可提供比普通以太网更多的通讯路径。ControlNet是一种令牌总线网络，我们也采用冗余，通讯速度保持在5Mbits/sec（与距离无关）。
  
        编制控制程序的软件为Control Builder，其组态全部采用图形化的工具，系统的控制程序是以CM（控制模块）为基本单位，可以单独从控制器中上装、下装，实现在线修改而不影响设备的正常运转。 在CM中可以加入各种功能块（包括现场总线功能块），各功能块之间可以完成通讯、联锁功能。
  
        Experion PKS 至 PROFIBUS DP 的接口通过专用硬件接口卡提供了 PROFIBUS 网络至控制器之间的通信路径。PROFIBUS 接口模块 (PBIM) 是机架安装的模件，它允许在控制器和 PROFIBUS设备之间的直接连接。PBIM 是 PROFIBUS 网络中的主设备，其它设备为从设备。PBIM 允许控制器直接访问 PROFIBUS DP 网络中的设备。接口模件支持的设备包括电机驱动器（包括变频器）和编码器，以及可编程逻辑控制器。
  
        在这套系统，我们一共采用了三个独立的PROFIBUS网段，其中两段通过M102控制普通电机（系统图中只画出一段），另外一段与变频器进行通讯控制。
  
  
   
  二、PROFIBUS－DP网络组态：

        为实现DCS与ABB变频器及M102的通讯及控制，第一步是在DCS中完成PROFIBUS的网络组态工作。主要从以下四个方面着手设计组态。

  1、 网络设计：主要从通讯速率、从站数量、冗余安全几个方面考虑。由于变频器与M102的通讯速率不同，并且为了防止变频器的干扰，我们将变频器与M102放置在不同的网段；将工艺流程中互为备用的设备放置在不同的网段。
  
2、 硬件连接：将各变频器或M102根据设计连接到相应的PKS系统中的PROFIBUS接口模块上（主站模块）。主站模块通过FLASH－ROM存储网络组态，并且支持断电恢复后自动重新配置从站设备。
  
3、 安装GSD文件：每种PROFIBUS通讯设备都有厂商提供的GSD文件，组态前需要先安装相应的GSD文件。变频器及M102的GSD文件分别是ABB_0812.GSD、INTC08DD.gsd。
  
4、 组态：将DCS中的主站及从站分别加入到网络中。设置主站、从站的网络地址，为各从站选择正确的模块、配置主要参数。
  
（一）、M102的组态设置

        根据工艺流程需要我们将互为备用的电气设备连接到不同的两段PROFIBUS网络中（通过两块PBIM组成两个独立网络），通过SST PROFIBUS组态工具完成。将M102的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到M102_Motor_Control。
  
   
  M102网络组态图
  
         上图为智能马达中心M102的网络组态图，图中的SST_PFB_CLX_MASTER是PKS系统所带的PROFIBUS通讯卡，它作为网络的主站，站号为000。而M102作为从站，站号从001开始。M102支持多种数据结构，通过比较，我们选择了8字节输入/2字节输出的方式，这样既保证能读取较多的数据，又不影响网络速度。
  
        在M102一端通过专用的软件设置相应的站号（必须与PKS中的相同），对电机的相应参数进行设置，同时对相应输入、输出字节进行规定（如指定运行、故障等信号对应的位）。而对于通讯速率则由主站来定，在M102断电重启后，可以自动获取。
  
（二）、变频器中的组态

        我们将变频器设备与单独的一块PBIM相连组成单独的网络，其通讯速率可达到1.5Mbps，保证了变频器控制的可靠、迅速。将变频器的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到ABB_DRVICES_RPBA。
  
        下图为变频器PROFIBUS_DP网络组态图，与M102类似这里的主站站号为0，变频器站号从001开始。网络组态中需要注意的是Modules及Ext. Prms。变频器共支持PPO1－PPO5五种PPO Module，在这里我们选择PPO4方式，这种方式能读取较多的模拟量数据，但不读取变频器相关的参数。在参数设置中，需要注意图中的Operation mode采用图中所用的Vendor Specific协议，而不能用其默认的Profidrive协议。
  
        在变频器一端，需要加入RPBA模块（ABB专用的PROFIBUS通讯模块），其地址由硬跳线完成（必须与PKS中的相同），在变频器中对相应的通讯参数进行设置。与M102不同的是变频器需要进行初始化（以便完成变频控制功能），必须在DCS中完成，保证变频器断电重启后的通讯正常。
  
  
  
  三、PKS系统中的组态过程：

        在PKS系统中通过CONTROL BUILD完成组态过程。对于PROFIBUS现场总线通讯、联锁控制一共分为四个步骤：
  
1、 建立主通讯站，加入功能块PBIM　BLOCK（参见组态流程图的PBIM_SST）。即加入“物理”的通讯模块。
  
2、 加入虚拟的从站设备块(参见图中的PBI_DEVICE、PROFIDRIVEDEV)，与主通讯站构成一条PROFIBUS通讯网络。即加入“虚拟”的通讯模块。
  
3、 加入输入输出功能块(参见图中的PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN)，对应从站的输入输出地址。
  
4、 将PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN加入到相应的控制模块（CM）中，完成相应的联锁、控制等功能。
  
  
  
  具体实施步骤：

（一） 加入“物理”模块

        即在CONTROL BUILD的工程项目中加入PBIM硬件设备（PBIM_SST）。与其它硬件相同，必须设定每块PBIM的名称、所在的CNET网络位置、所在的机架位置等。由于PBIM实际上是PROFIBUS的主站，因此这里必须配置它所在网络的各从站的地址、名称；配置各从站的虚拟模块、输入输出偏移等（详见下图）。
  
  
  （二） 加入“虚拟”模块
        
        即在工程项目中加入各从站的输入、输出I/O模块。根据实际情况对每一块M102采用 PBI_DEVICE功能块，建立AI、DI、DO三种类型的模块，如S_1_AI、S_1_DO。对于S_1_AI需要设置它所对应的PBIM名称、站号、模块号、输入数据格式、输入数据大小（字节）等。对于S_1_DO则需要设定输出数据格式、输出数据大小。对于变频器则采用PROFIDRIVEDEV功能块，建立一个PPO类型为PPO4的模块即可。
  
（三） 在CM中完成各种联锁控制

        每一个CM中可以支持多种功能块，各功能块之间通过箭头线连接。CM之间也可以相互关联实现较为复杂的控制。CONTROL BUILD软件还允许用户定制自己的CM功能块（这样可以将大量相同的设备联锁进行封装）。
  
        下图是一台变频器的CM联锁功能块。图中的PBIN、PBOUT分别是PROFIDRIVEIN、PROFIDRIVEOUT类型的功能块。PBIN为输入功能块，包括变频器的开关量、模拟量输入信号；PBOUT为输出功能块，包括开关量、模拟量输出信号以及实现对变频器的初始化命令（通过对引脚CWRAW赋值为1142）。功能块M4S_9ADC则是封装的一个CM块，在它内部完成对变频器的开、停联锁控制（本文不详细论述），它的各引脚SA、KM、MR、C分别对应变频的远程、运行、准备、命令等状态信号。通过各连线及颜色可以清晰的判断各种信号的状态以及各功能块之间对应关系，这些对于组态和调试都是非常方便。
  
  
  结束语

        在PKS系统中通过PROFIBUS现场总线完成电气设备的联锁控制，不仅使电缆数量大大减少，而且可以为操作人员提供更多稳定可靠的信号。相信在众多DCS和电气厂家的努力下，这种方式会在大、中型企业中广泛推广应用。


参考文献：
1．PKS系统手册　　霍尼韦尔公司
2．ABB变频器手册　　ABB公司
3．M102技术资料　　ABB公司
4．杨宁,赵玉刚　&lt;<集散控制系统及现场总线>> 北京航空航天大学出版社

  作者姓名及单位：
胡斌  河南省焦作市中国铝业中州分公司
Hu bin  Zhongzhou branch of CHINA aluminium company

  作者简介：
胡斌（1974－），男，自动化高级工程师，主要从事自动化方面的设计、优化工作，主要研究方向：自动化优化控制、生产信息网络；
电话：0391－3501131（办）　邮编：454174
地址：河南省焦作市中国铝业中州分公司计控室　　　胡斌
电子信箱：zzlc_hb@163.com
特别注明：本文2007年12月发表在《自动化博览》