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基于Profibus-DP的配煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2021-04-25 16:16:12 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

0引言
某礦業(yè)洗煤廠隸屬于某礦業(yè)集團(tuán)公司,是20世紀(jì)50年代設(shè)計(jì)建設(shè)的國(guó)有大型中央洗煤廠,年入洗能力為500萬t,配煤能力為500萬t。
配煤控制系統(tǒng)是該洗煤廠的重要組成部分,是由PLC控制的由儲(chǔ)煤、配煤和輸煤3個(gè)部分組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)[1],主要包括24臺(tái)稱重控制器及24臺(tái)給煤機(jī)、變頻器控制柜、工控機(jī)、S7-400控制器。S7-400控制器安裝在控 制中心,工控機(jī)放置在配煤監(jiān)控中心,S7-400控制器與工程機(jī)之間采用Internet網(wǎng)絡(luò)通信。配煤現(xiàn)場(chǎng)與控制中心距離為50~500m,現(xiàn)場(chǎng)的稱重控制器流量信號(hào)與變頻器控制信號(hào)都從現(xiàn)場(chǎng)傳輸至S7-400控制器的模擬量模塊和開關(guān)量模塊,現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的電源都是由控制中心引出。
系統(tǒng)主要存在以下問題:
(1)稱重控制器測(cè)量的瞬時(shí)流量采用模擬量信號(hào)上傳,誤差較大;其次配煤現(xiàn)場(chǎng)線路較長(zhǎng),強(qiáng)弱電線路沒有分開鋪設(shè),上傳數(shù)據(jù)易受到干擾,系統(tǒng)不穩(wěn)定,影響配煤質(zhì)量;再者使用模擬信號(hào)只能上傳瞬時(shí)流量,不能上傳累計(jì)流量,使用原系統(tǒng)計(jì)算出的累計(jì)量存在較大的誤差;另外稱重控制器運(yùn)行一段時(shí)間后,會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象,導(dǎo)致瞬時(shí)流量出現(xiàn)負(fù)值,但模擬量不能上傳負(fù)瞬時(shí)流量值,維護(hù)人員不能及時(shí)獲得稱重控制器的運(yùn)行狀態(tài),影響配煤總量的計(jì)量。
(2)配煤系統(tǒng)變頻器的控制信號(hào)(啟、停信號(hào)、復(fù)位信號(hào))使用變頻器數(shù)字I/O接口加繼電器方式控制,變頻器的設(shè)定量與狀態(tài)量(電流、頻率、轉(zhuǎn)速)使用變頻器外部模擬I/O接口傳輸。配煤現(xiàn)場(chǎng)線路較長(zhǎng),強(qiáng)弱電線路沒有分開鋪設(shè),變頻器控制信號(hào)易受到干擾,影響控制效果(如給煤機(jī)或膠帶出現(xiàn)不能集控停車的情況),繼而影響配煤質(zhì)量;系統(tǒng)中部分變頻器不能調(diào)節(jié)到最大頻率,不能保證生產(chǎn)任務(wù);變頻器故障信息不能反饋至監(jiān)控中心,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障后,維護(hù)人員只能到現(xiàn)場(chǎng)才能獲得變頻器的故障信息,并且使用I/O端口進(jìn)行控制和信息的傳輸,使用了大量電纜,維護(hù)難度較大。
(3)配煤現(xiàn)場(chǎng)與主控室距離較遠(yuǎn),線路較長(zhǎng),數(shù)量較多,強(qiáng)弱電線路使用同一電纜橋,未分開敷設(shè),電磁干擾較為嚴(yán)重,影響配煤過程系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
針對(duì)原配煤控制系統(tǒng)存在的問題,本文提出了基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的配煤控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案。使用Profibus-DP總線進(jìn)行控制和通信不但可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力,還可以提高系統(tǒng)的性價(jià)比,使原來的幾百根控制電纜減少到一根總線電纜,不但降低了系統(tǒng)故障點(diǎn)數(shù)量,而且提高了系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)效性。
1配煤控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)
1.1配煤控制系統(tǒng)改造總體方案
基于Profibus-DP的配煤控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,原有控制室的控制站、控制網(wǎng)絡(luò)保持不變,對(duì)配煤控制系統(tǒng)的變頻器通信和稱重控制器數(shù)據(jù)上傳部分進(jìn)行改造[2]。

配煤控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)改造完成后,配煤控制系統(tǒng)的變頻器與控制室、稱重控制器與控制室之間的數(shù)據(jù)信號(hào)全部經(jīng)由光纖傳輸,不再受干擾。
1.2稱重控制器數(shù)據(jù)上傳部分的改造
稱重控制器數(shù)據(jù)上傳部分的改造的共分為3個(gè)部分:增加稱重控制器數(shù)字通信模塊;增加協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān);通信鏈路改造[3]。
(1)增加稱重控制器數(shù)字通信模塊。原系統(tǒng)采用模擬量傳輸稱重控制器數(shù)據(jù),稱重控制器沒有數(shù)字通信能力,要實(shí)現(xiàn)稱重控制器數(shù)據(jù)使用Profibus網(wǎng)絡(luò)傳輸,需要為其擴(kuò)展一個(gè)數(shù)字通信接口。在參考稱重控制器廠家提供的簡(jiǎn)易數(shù)字通信卡的基礎(chǔ)上,開發(fā)了具有光電隔離、防靜電、防雷擊等功能的專用數(shù)字通信模塊,將此模塊插在稱重控制器對(duì)應(yīng)的數(shù)字插槽中,即為稱重控制器擴(kuò)展了一個(gè)RS485數(shù)字通信接口,使用相應(yīng)的通信協(xié)議,即可實(shí)現(xiàn)與稱重控制器的通信。
(2)增加協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。稱重控制器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為特殊的單主從通信協(xié)議,與配煤控制系統(tǒng)的Profibus通信協(xié)議不同,因此,需要為稱重控制器數(shù)據(jù)上傳部分增加協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),該網(wǎng)關(guān)既可以讀取稱重控制器數(shù)據(jù),又可以與控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。為了保證數(shù)據(jù)傳輸速度和系統(tǒng)可靠性,每4臺(tái)稱重控制器使用1臺(tái)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的核心控制器選用西門子S7-200,S7-200自帶一個(gè)RS485通信接口,使用相應(yīng)的通信協(xié)議即可通過該接口獲取稱重控制器數(shù)據(jù)(如瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等)。為S7-200擴(kuò)展一個(gè)EM277模塊,該模塊為S7-200提供一個(gè)Profibus總線接口,使得協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)從站直接接入配煤控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)配煤控制系統(tǒng)主站PLC和稱重控制器的數(shù)字通信。
(3)通信鏈路改造。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)與主站PLC之間使用Profibus總線連接。但是由于協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)與主站PLC二者之間距離較遠(yuǎn),且強(qiáng)弱電信號(hào)未分開敷設(shè),為消除信號(hào)傳輸過程的干擾,系統(tǒng)方案將此通信鏈路改造為光纖傳輸。
1.3變頻器通信部分改造
配煤控制系統(tǒng)變頻器通信部分改造內(nèi)容主要包括:變頻器通信改造;通信鏈路改造[4]。
(1)變頻器通信改造。原配煤控制系統(tǒng)使用的變頻器是ACS-800系列變頻器。為每臺(tái)變頻器擴(kuò)展一塊支持Profibus-DP協(xié)議的專用適配器模塊RPBA-01,變頻器即能以從站的形式加入到配煤控制網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)變頻器的總線控制與狀態(tài)返回,通過總線方式還可以獲取變頻器的故
障信息,增加了變頻器的遠(yuǎn)程維護(hù)功能。
(2)通信鏈路改造。為配煤控制系統(tǒng)的每臺(tái)變頻器鋪設(shè)1路光纖通信鏈路,這些鏈路改造與稱重控制器數(shù)據(jù)上傳改造部分基本相同,區(qū)別在于變頻器通信鏈路不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。
2硬件組態(tài)配置及相關(guān)參數(shù)設(shè)置
2.1硬件組態(tài)配置
1)使用Step7V5.4組態(tài)軟件,進(jìn)入HardwareConfigure,將RPBA-01和EM277模塊的GSD(設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù))文件導(dǎo)入Step7的編程環(huán)境中。點(diǎn)擊options-installGSDfile將ABB變頻器和EM277的GSD文件導(dǎo)入Step7中,如圖2所示。GSD文件可以從www.profibus.com或從ABB與SIEMENS網(wǎng)站下載,RPBA-01的GSD文件名為ABB_0812.GSD,EM277的GSD文件名為SIEM089D.GSD。

(2)本系統(tǒng)選用CPU414-4H為主站,默認(rèn)地址為2。將ABB變頻器的Profibus-DP適配器模塊RPBA-01和Profibus-DP模塊EM277組態(tài)到主站的DP網(wǎng)絡(luò)上,本系統(tǒng)RPBA-01模塊使用的消息類型為PPO4[5],EM277模塊通信方式選擇64BytesOut/64BytesIn,根據(jù)設(shè)計(jì)完成各從站的地址設(shè)置和緩沖區(qū)映射。配煤控制系統(tǒng)硬件組態(tài)完成如圖3所示。
2.2稱重控制器數(shù)據(jù)上傳部分硬件參數(shù)設(shè)置
由于系統(tǒng)中每臺(tái)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)同時(shí)與4臺(tái)稱重控制器進(jìn)行通信,因此,4臺(tái)稱重控制器需要設(shè)置不同的通信地址,以保證協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)可以穩(wěn)定讀取每臺(tái)稱重控制器的配煤數(shù)據(jù)。
將硬件組態(tài)下載到CPU414-4H主站系統(tǒng)后,連接好EM277與主站的通信電纜,需要根據(jù)硬件組態(tài)對(duì)EM277模塊進(jìn)行地址設(shè)置,以保證稱重控制器數(shù)據(jù)正確穩(wěn)定的上傳。

配煤控制系統(tǒng)硬件組態(tài)界面圖

2.3變頻器硬件參數(shù)設(shè)置
完成變頻器Profibus-DP適配器模塊RPBA-01的安裝后,首先需要根據(jù)硬件組態(tài)對(duì)RPBA-01模塊進(jìn)行地址設(shè)置,其次還需要設(shè)置變頻器的通信參數(shù)。首先需要設(shè)置參數(shù)組98.02為FILEDBUS,激活RPBA-01通信卡模塊;其次需要設(shè)置參數(shù)組98.07為ABBDRIVE,選擇通信卡使用ABB專用通信協(xié)議;第三需要設(shè)置變頻器啟停信號(hào)源、REF信號(hào)源以及51.05~51.12通信卡相關(guān)參數(shù)組;最后需要對(duì)92.02~92.06實(shí)際信號(hào)參數(shù)組進(jìn)行相關(guān)設(shè)置,以保證變頻器運(yùn)行時(shí)參數(shù)的正確返回[6]。
為了保持系統(tǒng)原有的現(xiàn)場(chǎng)操作功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性,本方案利用變頻器的2個(gè)用戶宏存儲(chǔ)了2組不同的參數(shù)設(shè)定值,即集控參數(shù)與就地參數(shù)。集控參數(shù)組使用RPBA-01模塊實(shí)現(xiàn)變頻器的控制與狀態(tài)返回;就地參數(shù)組使用變頻器外部I/O接口實(shí)現(xiàn)變頻器的控制,使用RPBA-01模塊實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信號(hào)的返回。2種控制方式的轉(zhuǎn)換只能通過現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)或變頻器控制盤實(shí)現(xiàn)。
3結(jié)語
實(shí)際應(yīng)用表明,改造后的配煤控制系統(tǒng),控制與顯示的數(shù)字瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)稱重控制器屏顯瞬時(shí)流量完全一致,消除了控制與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的誤差,監(jiān)控中心能準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)的配煤情況,控制過程更加穩(wěn)定,提高了配煤質(zhì)量;稱重控制器累計(jì)量的返回為數(shù)據(jù)報(bào)表系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)參考,提高了數(shù)據(jù)報(bào)表能力;負(fù)瞬時(shí)流量的返回,使得稱重控制器維護(hù)人員及時(shí)獲得故障信息,提高了稱重控制器維護(hù)的時(shí)效性。
變頻器實(shí)現(xiàn)了完全集控控制,不再出現(xiàn)集控不能停車的情況,提高了系統(tǒng)可靠性;變頻器的頻率都能調(diào)節(jié)至最大值,保證了生產(chǎn)任務(wù),提高了生產(chǎn)效率。
采用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與控制后,提高了稱重控制器數(shù)據(jù)上傳與變頻器控制的可靠性,配煤質(zhì)量得到保證;控制系統(tǒng)中的線路數(shù)量減少后,減少了系統(tǒng)中的故障點(diǎn)數(shù)量,提高了可靠性,同時(shí)系統(tǒng)的可維護(hù)性與故障解決的時(shí)效性也得到提高,提高了配煤控制系統(tǒng)的效率。

 

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