基于PROFIBUS現場總線的復卷機電控系統設計

引言

　　復卷機由放卷輥（又稱退紙輥）、引導輥、縱切機構、壓紙輥、卷取底輥（包括前底輥和后底輥）等構成，如圖1所示。

　　復卷機對控制系統要求：壓紙輥對紙卷的壓力逐漸減小；放卷電機要提供一個反向力矩，在紙面上產生恒定的張力，保證在復卷過程中不斷紙和松紙、成品紙內緊外松的品質；對前后底輥電機進行負荷分配；線速度長期穩定且調速范圍寬，動態響應快。

　　針對這種情況，本系統設計了一種以PROFIBUS-DP現場總線為通信方式，PLC為控制核心，西門子矢量控制變頻器為執行機構，OP面板為人機界面的調速控制系統。

1 現場總線及其阿絡結構

　　現場總線口是應用在生產現場、微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。

　　PROFIBUS現場總線是德國90年代初制定的國家工業現場總線協議標準，協議結構根據ISO7498國際標準以開放系統互聯網絡OSI為參考模型。ISO/OSI協議模型分為7層，其中PROFIBUS協議結構采用OSI的第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層。物理層定義了物理特性，他上接數據鏈路層，下連媒介。發送時物理層編碼并調制來自數據鏈路層的信息，用物理信號驅動媒介。接收時物理層用來對媒介的信號進行解調和解碼。數據鏈路層定義總線存儲協議，執行總線通信規則，處理出錯檢測、出錯恢復、仲裁和調度。應用層定義了應用功能，完成信息指令的翻譯，掌握數據的結構和意義。用戶層是數據應用軟件。PROFIBUS總線又分為PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP三種兼容通信方式。其中PROFIBUS-DP（分式式通信系統）采用第一層和第二層，因此通信速度快，數據傳輸量大，具有良好的可擴展性，成為目前廣大用戶普遍采用的通信方式。

　　PROFTBUS-DP是一種電氣網絡，通過RS 485總線標準接口進行通信，最多可以有126個站點。PROFIBUS-DP和。PROFIBUS-PA之間可通過DP/PA耦合器（Coupler）或鏈接器（Link）相連接。

　　PROFIBUS-DP采用主一從系統，主站周期性的輪詢從站，與從站進行數據交換。

2 基于現場總線的復卷機控制系統結構

　　由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，他從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備之間連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通信將相關的設備運行信息和診斷維護信息送入人機界面，用戶可以監控所有設備的運行狀況，查詢故障原因，并可以根據復卷機工藝的不同要求，設定和修改工藝參數（例如張力）。因此，把現場總線技術和HMI技術應用于復卷機已經成為復卷機自動控制的發展趨勢和主流。所以本系統以S7-300 PLC為控制中心，采用具有強大和豐富控制功能的西門子6SE70矢量變頻器作為執行裝置，OP270操作面板為操作單元組成全數字現場總線復卷機交流傳動控制系統。系統設計方案如圖2所示。

　　系統中PLC是一類主站，OP面板是二類主站，變頻器和遠程I/O是從站，變頻器對自身的拖動點進行速度閉環控制、轉矩控制、電流控制、啟動環節、過流過壓保護控制、工藝調節控制、故障檢測和保護、電機溫度監視等。PLC作為主站是整個系統的控制中心，主要實現對變頻器的啟動、停止、爬行、運行、微升、微降、速度鏈和負荷分配、張力控制等功能。OP面板通過PLC實現對變頻器的停止、爬行、運行、微升、微降、點動、張力給定操作和調整以及用戶管理等。