Abstract—Using the SIEMENS PROFIBUS Protocol realize the communication S7-400PLC with ABBACS800 invert , finish the speed chain and load distribute control function. The control system in paper machine achieve a high precision and stability .Fulfill the requiring of the process in paper machine . The practice proved that, this structure control mode may apply to the large-scale and high speed paper machine electricity transmission control
Keywords—inverter PLC protocol system design paper machine
摘要 系統利用西門子PROFIBUS總線通訊協議格式，實現S7-400PLC與ABBACS800變頻器的通訊，完成造紙機速度鏈、負荷分配等控制功能，在造紙機傳動中取得了較高的控制精度和穩定性，充分滿足造紙機生產的需要。實踐證明，該結構控制方式可應用于大型、高速紙機的電氣傳動控制。
關鍵詞 變頻器，PLC，協議，系統設計，造紙機
1. 引言
在紙機電氣控制系統設計時，考慮到造紙機傳動系統的特殊性，所以既要滿足紙機傳動控制系統的可靠性和良好的控制精度與穩定性，又要降低控制系統造價的原則。因此，我們選擇西門子S7-400PLC和ABBACS800全數字多功能矢量控制變頻器，利用PROFIBUS協議通信格式實現PLC與變頻器的通信功能，組成該機的控制系統。
1.1 ACS 800系列變頻器簡介：
ACS 800系列變頻器是ABB公司采用直接轉矩控制（DTC）技術，結合諸多先進的生產制造工藝推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率范圍，優良的速度控制和轉矩控制特性。完整的保護功能以及靈活的編程能力。因而，它能夠滿足絕大多數的工業現場應用。DTC技術是 ACS 800的核心：直接轉矩控制對交流傳動來說是一個最優的電機控制方法，它可以對所有交流電機的核心變量進行直接控制。它開發出交流傳動前所未有的能力并給所有的應用提供了益處。
1.2 PROFIBUS概述及協議分析
PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現場總線標準，現在已成為了一種國際性的開放式現場總線標準, 即EN50-170歐洲標準。目前世界上許多自動化技術生產廠家都為它們生產的設備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經廣泛應用于加工制造、過程和樓宇自動化，應用范圍非常廣泛。 PROFIBUS以其先進的技術和非凡的可靠性代表了當今現場總線的發展方向。
PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。三個版
本，分別用于不同的場合。
PROFIBUS是一種現場總線，因此可以將數字自動化設備從底級(傳感器／執行器)到中間執行級(單元級)分散開來。通信協議按照應用領域進行了優化，故幾乎不需要復雜的接口即可實現。參照ISO／OSI參考模型，PROFIBUS只包含第l，2, 和7層。PROFIBUS協議層或子層說明如下：
1)、PROFIBUS第1層
第1層—PHY：規定了線路介質、物理連接的類型和電氣特性。PROFIBUS通過采用差分電壓輸出的RS485實現電流連接。在線性拓撲結構下采用雙絞線電纜。樹型結構還可能用到中繼器。
2)、PROFIBUS第2層
第2層—MAC：第2層的介質存取控制(MAC)子層描述了連接到傳輸介質的總線存取方法。PROFIBUS采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設備在同一時刻傳輸，所以在 PROFIBUS主設備(masters)之間用令牌的方法。為使PROFIBUS從設備(slave)之間也能傳遞信息，從設備由主設備循環查詢。
PR0fIBUS第2層FlC：第2層的現場總線鏈路控制(FLC)子層規定了對低層接口(LLl)有效的第2層服務，提供服務訪問點(SAP)的管理和與LLI相關的緩沖器。
PROFIBUS第2層FMAl／2：第2層的現場總線管理(FMAl／2)完成第2層(MAC)特定的總線參數的設定和第1層(PHY)的設定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過FMAl／2激活或撤消。此外，第1層和第2層可能出現的錯誤事件會被傳遞到更高層(FMA7)。
3)、PROFIBUS第3—6層
第3—6層在PROFIBUS中沒有具體應用，但是這些層要求的任何重要功能都已經集成在“低層接口”(LLI)中。例如，包括連接監控和數據傳輸的監控。
4)、PROFIBUS第7層
PROFIBUS第7層LLI：低層接口(LLI)將現場總線信息規范(FMS)的服務映射到第2層(FLC)的服務。除了上面已經提到的監控連接或數據傳輸，LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個邏輯連接通道的所有重要參數。可以在LLI中選擇不同的連接類型，主／主連接或主／從連接。數據交換既可是循環的也可是非循環的。
PROFIBUS第7層FMS：第7層的現場總線信息規范(FMS)子層將用于通信管理的應用服務和用于用戶的用戶數據(變量、域、程序、事件通告)分組。借助于此，才可能訪問一個應用過程的通信對象。FMS主要用于協議數據單元(PDU)的編碼和譯碼o
PROFIBUS第7層fMA7：與第2層類似，第7層也有現場總線管理(FMA7)。FMA7保證FMS和LLI子層的參數化以及總線參數向第2層(FMAl／2)的傳遞。在某些應用過程中，還可以通過FMA7把各個子層的事件和錯誤顯示給用戶。
5)、PROFIBUS ALI
ALI：位于第7層之上的應用層接口(ALI)，構成了到應用過程的接口。ALI的目的是將過程對象轉換為通信對象。轉換的原因是每個過程對象都是由它在所謂的對象字典(OD)中的特性(數據類型、存取保護、物理地址)所描述的。
2. 系統的控制網絡組成
要想組成PROFIBUS網絡，必須有兩個條件。主站的網絡組態工具和從站的GSD文件，兩者缺一不可。主站的網絡組態工具是一個網絡組態軟件，用來將各個站組成網絡，設置網絡參數和站的參數，并將已設置好的網絡組態傳送給主站。GSD文件稱為設備數據庫文件。對一種設備類型的特征GSD文件以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD文件由生產廠商分別針對每一種設備類型準備并以設備數據庫清單的形式提供給用戶，此種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS設備的設備數據庫文件，并且在組態總線系統時自動使用這些信息。在組態階段，系統自動地對輸入與整個系統有關的數據的輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。
在組網時，必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網絡組態工具里。這樣在網絡組態工具里就有了你所須的從站的選項。用網絡組態工具建一個你所需要的網絡，并設置網絡參數，然后在網絡上添加你所須的站，并設置站的參數，最后把設置好的網絡組態傳送給主站，這樣就組建好了一個PROFIBUS網絡。本控制系統結構圖如圖1所示。
系統選用ABB公司ACS800直接轉矩控制（DTC）變頻器，以PLC為控制中心， PLC通過PROFIBUS-DP現場總線與變頻器構成DCS控制系統。PLC與上位機、現場觸摸屏、變頻器實行PROFIBUS高速通訊。
傳動部下位控制中心為西門子S7-400 PLC，在PROFIBUS現場總線上S7-400 PLC是主站，選用CPU414-2 DP，有強大的通訊功能，自身帶有一個PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現場觸摸屏采用PROFIBUS-DP總線實現高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能。PLC接受上位機優化控制指令，可以根據紙張生產品種自動調節各分部速度以適應生產需求。同時PLC將各分部運行參數送往上位機，以便及時了解生產狀況。
圖中VVVF為ABB變頻器、、OP1-OP8為操作臺、PG為脈沖編碼器、M為傳動電機整個系統全部實現全數字化操作控制，通過PROFIBUS現場總線通訊完成，簡化了系統結構，提高系統的抗干擾能力。整個系統采用PROFIBUS現場總線控制技術，系統全部控制功能的實現都由現場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬個線路接點。大大提高系統的可靠性，節約了控制電纜。同時實現了從操作到控制的全數字化。徹底杜絕了現場干擾對控制系統運行的影響。
圖1 控制系統結構圖
PLC主要完成功能：
（1）、現場控制信號的采集，PLC通過PROFIBUS現場總線檢測現場操作臺操作信號。
（2）、速度鏈的控制及計算，PLC根據工藝要求完成速度鏈的控制處理。調節前一級速度時后一級緊隨前一級的速度變化。調節后一級的速度時前一級速度不變。
（3）、速度控制的執行。PLC接受上位機控制指令，通過上位機操作，PLC可以根據紙張生產品種自動調節車速、分部變比以適應生產需求，并通過PROFIBUS現場總線控制各分部變頻器的運行速度。
（4）、自動負荷分配控制功能，對與負荷分配點，PLC要完成負荷分配運算及控制。
（5）、PLC與觸摸屏實行PROFIBUS現場總線高速通訊，將傳動各分部點工作狀態實時在觸摸屏顯示出來；并接受觸摸屏上的操作指令，控制各傳動執行相應的動作。
本系統配有觸摸屏8臺，設立在控制現場，觸摸屏上設有功能鍵、操作圖形顯<
