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王春花 （1965  -）

女，江西南昌人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，現(xiàn)就職于江西理工大學(xué)南昌校區(qū)機(jī)電工程系。

基金項(xiàng)目：國家科技攻關(guān)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2002BA315A—4—06）

摘要：本文介紹了Profibus-DP（Decentralized Periphery）、網(wǎng)絡(luò)在稀土萃取生產(chǎn)線中的應(yīng)用，對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、系統(tǒng)的組成及調(diào)試進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能，其應(yīng)用效果十分顯著。

關(guān)鍵詞：稀土；萃取；Profibus-DP；變頻器

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

    稀土串級萃取分離是稀土濕法冶金的重要生產(chǎn)過程和稀土元素分離提純的重要手段。在稀土萃取生產(chǎn)過程中，流量控制是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是萃取生產(chǎn)是否穩(wěn)定的決定因素，將直接影響稀土產(chǎn)品的質(zhì)量及收率和生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。由于稀土萃取過程流量控制對象的特殊性：一是介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性（大都為鹽酸介質(zhì)）；二是流量范圍變化大，一個(gè)百噸的稀土萃取分離廠其流量小至每分鐘幾十毫升，大至每分鐘幾十立升，相差一千多倍。目前國內(nèi)稀土企業(yè)研究開發(fā)的流量控制裝置，還存在許多不盡人意的地方，使用效果不理想，致使稀土工業(yè)技術(shù)不能真實(shí)體現(xiàn)我國稀土分離工藝技術(shù)的國際領(lǐng)先水平。正因?yàn)槿绱耍瑖铱萍疾?002年再次將稀土萃取過程閉環(huán)控制項(xiàng)目列為“十五”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。

    某公司研究開發(fā)了一套新型流量控制系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于稀土萃取分離生產(chǎn)線。流量調(diào)整直接在計(jì)算機(jī)上操作便可完成，改善了工人的操作環(huán)境和勞動強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率，流量精度可達(dá)±2%。該系統(tǒng)采用變頻技術(shù)控制轉(zhuǎn)速，圓盤戽斗完成流量操作，控制器通過現(xiàn)場總線與變頻器之間傳遞信息。但該系統(tǒng)使用時(shí)首先須建立流量與頻率數(shù)值轉(zhuǎn)換的工作曲線，而且輸出的流量沒有流量計(jì)現(xiàn)場監(jiān)測，輸入、輸出數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，不能反饋，還須不定期進(jìn)行人工檢校，無法實(shí)現(xiàn)稀土萃取過程流量閉環(huán)控制。針對這一情況，筆者采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)。成功地實(shí)現(xiàn)了稀土萃取過程流量閉環(huán)控制。

1.1 Profibus-DP簡介

    現(xiàn)場總線[2 3]是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，以基于現(xiàn)場總線的智能I／O或智能傳感器、智能儀表為控制主體，以計(jì)算機(jī)為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控等功能為一體的工作平臺。現(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。

    本系統(tǒng)采用的Profibus-DP即為現(xiàn)場總線的一種，是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。它是一種高速低成本通信方式，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。

1.2 Profibus-DP組成

    Profibus-DP通常采用RS-485傳輸技術(shù)，采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術(shù)基本特征：

    網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻

    傳輸速率：9.6K bps～12M bps

    介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜

    站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼）。

    插頭連接：9針D型插頭

    PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

2 系統(tǒng)組成及參數(shù)

2.1 PLC的選型配置

    為保證技術(shù)先進(jìn)，操作簡便，方便后續(xù)的擴(kuò)建，本控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選用Siemens公司的S7—300系列PLC產(chǎn)品，其特點(diǎn)：模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展功能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高，功能全面，運(yùn)行速度快，具有強(qiáng)大的通訊能力和集成的系統(tǒng)功能。該控制器通過CP342-5模塊作為Profibus-DP的主站，通過該模塊來管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上其它從站的運(yùn)行。在該網(wǎng)絡(luò)上連接了20臺MM420變頻器，它們作為從站，接受來自控制器所發(fā)出的控制指令和控制參數(shù)[4]。系統(tǒng)組成見圖1：

                                           圖1   系統(tǒng)組成圖

    網(wǎng)線連接及終端電阻配置完畢后，要使網(wǎng)絡(luò)正常工作，必須對各設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置。對于MM420變頻器要設(shè)置其P0700、P1000兩個(gè)參數(shù)，本系統(tǒng)要通過網(wǎng)絡(luò)來控制變頻器的輸出頻率，因此兩個(gè)參數(shù)應(yīng)設(shè)置為6。

    Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率的設(shè)定要根據(jù)總線的長度及類型來確定，具體對應(yīng)關(guān)系見表1：

                     表1   Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率與總線的長度關(guān)系

    電纜長度（m）         1000         400      200    100

    傳輸速率（bps）    9.6K～187.5K    500K    1.5M    3M～12M

    本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電纜長度為60多米，因此最大傳輸速率可達(dá)到12M bps。

2.2    軟件設(shè)置

    Profibus—DP總線共有20個(gè)站，其中S7—300作為主站，其余均為從站，應(yīng)用STEP7對各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行地址分配和系統(tǒng)組態(tài)，并且對可以設(shè)置的模塊參數(shù)化，同時(shí)還要進(jìn)行通信組態(tài)，確保參數(shù)匹配正確，使網(wǎng)絡(luò)真正建立通信。軟件設(shè)置見表2。

                 表2   軟件設(shè)置

    工控機(jī)監(jiān)控軟件WinCC是基于人機(jī)交互式監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行于Windows平臺上，其強(qiáng)大的過程接口界面和高度的安全數(shù)據(jù)存檔特性，適合于各種流程和控制過程的操作及監(jiān)控。該軟件根據(jù)用戶建立的數(shù)據(jù)信息，把PLC信息直接連接到用戶應(yīng)用圖形上。操作人員可以通過操作畫面及流程圖，監(jiān)控流量狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令，也可進(jìn)行參數(shù)修改、故障處理復(fù)位、報(bào)表打印等，實(shí)現(xiàn)自動化管理。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

    ①系統(tǒng)開放性。Profibus總線目前應(yīng)用廣泛，是不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)和樓宇自動化，以及交通電力自動化等其他領(lǐng)域，性能可靠數(shù)據(jù)傳輸安全。②技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，維修方便。Profibus總線是當(dāng)前先進(jìn)的總線技術(shù)，S7系列PLC技術(shù)水平先進(jìn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得軟、硬件之間充分協(xié)調(diào)，整體性強(qiáng)。又由于各從站相對獨(dú)立，各個(gè)控制點(diǎn)如果發(fā)生故障或失效，不會影響其他從站的作業(yè)，而且A i總線的設(shè)備可帶電操作，即插即用，檢修十分方便。③系統(tǒng)擴(kuò)展容易。Profibus總線上可掛接100多個(gè)從站，如果需要增加級數(shù)，可以在前期布線時(shí)預(yù)留從站位置，接入時(shí)只要激活從站即可。

    加入的設(shè)備和儀表與原系統(tǒng)互不影響。

3 系統(tǒng)調(diào)試

    網(wǎng)絡(luò)連接及參數(shù)設(shè)置完畢后，對該系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。所使用的軟件工具為STEP 7 V5.1，該軟件為西門子公司的針對SIMATIC S7-300的配套編程工具，STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、編程、調(diào)試和文檔處理。

    首先設(shè)置CP342-5為Profibus-DP主站，傳輸速率為12M bps，站地址為2。其次分別設(shè)置各變頻器地址，從5～24，通訊數(shù)據(jù)類型選擇PPO3，即2個(gè)輸入字、2個(gè)輸出字。最后將配置信息與相應(yīng)程序下裝到S7-300PLC中。

    在實(shí)際調(diào)試過程中，通過下面的指令數(shù)據(jù)分別控制變頻器不同的運(yùn)行狀態(tài)：

    047F 1000       正向12.5Hz運(yùn)行；

    047F 4000       正向50Hz運(yùn)行；

    0C7F 2000       反向25Hz運(yùn)行；

    047E 0000       停止運(yùn)行。

4 結(jié)束語

    通過現(xiàn)場調(diào)試證明，Profibus-DP在稀土萃取生產(chǎn)線中的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和抗干擾性，提高了控制精度，降低了系統(tǒng)及工程成本，增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息的集成能力，應(yīng)用效果十分明顯。



參考文獻(xiàn)

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[4] 廖常初. S7-300／400應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.