年第5期
5基于
Profibus-DP
现场总线技术的
滤棒储存输送系统电气改造设计
张道东
（常德烟草机械有限责任公司研究所，湖南常德
415000）
摘要本文首先对滤棒储存输送系统的电控系统进行改造设计的必要性作了较全面的分析，然后提出了采用Profibus-DP 现场总线进行改造的思想，并对总线控制系统的硬件组成、通信机理以及用户程序设计和子站诊断等方面都进行了详细阐述。
关键词：Profibus-DP(现场总线)；通信协议；改造设计
The Improving Design of the Filter-Rod Restore and Tr ansportation
System Based on the Profibus-DP Field Bus Techology
Zhang Da odong
（Research Institute Changde Tobacco Machinery Co.,Ltd,Changde,Hunan 415000）
Abstr act This paper first comprehensively analyse with the essentiality of improving design about the electrical control system of the filter-rod restore and transportation system,then bring forward adopting the advanced techology based on the Profibus-DP field bus,and particularly explain this control systerm about the forms of hardware,the protocol of communication,the program of controlling and the diagnosis of slave station.
Key words ：Profibus-DP(Field bus)；communication protocol ；improve design
1改造设计的必要性分析
滤棒储存输送系统是我们公司自主研发设计的一种用于连接滤棒成型机和滤棒发射机之间的烟草机械辅连设备，生产工艺流程如图1所示（二对一型），主要作用：一方面改变了卷烟厂滤棒生产与卷接机组滤棒供料分离的传统工作模式，实现了生产过程的自动化；另一方面将滤棒成型机生产的滤棒通过在该系统的传输过程中得到干燥和固化，从而达到下道工序加工工艺的要求。
早期样机在烟厂运行的过程当中，总的来说满
足了客户的整体需求，并取得了较好的应用效果，但同时也反应出了以下问题：
（1）与上、下游接口输送通道电机采用的是直流调速控制系统，设计成本和维护费用不但高，而且系统的维护和保养很不方便。
（2）主体部分的缓存单元和固化输送通道的电机，采用的是三相交流力矩电机料位控制模式。虽然控制方式简单，但是存在灵活性差，对于不同烟厂用户来说，很难满足与不同的上、
下游机生产速度的柔
图1生产工艺流程图
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6性连接和满足滤棒固化时间可灵活设置的需求。另外，从烟厂的实际运行效果来看，基于这种控制方式的滤棒物流运行不平稳，波动大，常出现滤棒的挤压或空缺现象，严重地影响了滤棒的输送质量。
（3）滤棒储存输送系统的设计理念是以“空间换时间”，因而机器的外形庞大、各检测点较分散且远离主控制器PLC ，这样信号传输线很长，信号容易受到干扰，影响系统工作的可靠。
（4）原系统的某些检测装置设计得不是很合理如：汇流检测装置等，影响系统的控制精度。
（5）没有设计人机交互界面，系统信息集成度差，对机器的监控很不方便，旧的“信息孤岛”式的控制模式已不能满足现在的用户需求。
基于上述原因，为了提高产品质量和满足用户的现实需求，有必要对滤棒储存输送系统进行电气改造设计。
2
基于Profibus-DP 现场总线控制方式的电气改造设计
20世纪80年代后期，随着现场总线技术的产生和发展[1]，这种被誉为“自动化领域的计算机局域网”正被广泛地应用到工业控制、楼宇自动化、汽车制造等各个领域，并引起了自动控制领域一场前所没有的变革。滤棒储存输送系统的电气改造设计采用Profibus-DP 现场总线的控制方式，主要基于以下几个方面：
（1）采用现场总线控制方式与与原来的控制方式相比较，具有如下优越性：①节省安装费用；②增强了控制系统的开放性，提高了系统的集成主动权；③有助于提高系统控制的准确性和可靠性；④提高了系统信息集成度。
（2）Profibus-DP 现场总线特点
Profibus-DP 现场总线属于Profibus 总线的一个子协议，是一种国际性的开放式的工业现场总线标准，以开放系统互联网络OSI 为参考模型，使用了其中的第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效。另外，Profibus-DP 现场总线使用基于RS485标准的物理层，它是一个两线差分系统，具有极好的抗电磁干扰的性能，同时Profibus-DP 还提供了强大的诊断功能。
（3）应用领域
滤棒储存输送系统作为一种烟草机械产品，选用Profibus-DP 总线，除了它本身所具有的一些特点之外，还有其一定的背景原因。现在世界上最著名
的卷烟机制造商德国Hauni 公司以及国内四大烟草设备制造商基本上都选用西门子S7系列的可编程序控制器作为中央控制器，其集成的DP 接口不需扩展通信转换模块，就可很方便地构建Profibus-DP 网络。另外，Profibus-DP 总线是由西门子公司发起和倡导的一种现场总线，其总线组态软件直接集成在PLC 的编程环境STEP 7（5.1版本以上）中，因此总线控制系统具有很好的兼容性。再加上Profibus-DP 现场总线在烟草机械产品中近几年来的成功应用，得到了广大烟厂用户的认可。2.1总线控制系统硬件设计
主控制器选用西门子S7-300[2]系列中的新型CPU315-2DP 可编程序控制器[3]。其基本特点：功能更加强大、运算速度更快，特别是其本身集成的DP 接口可以不但很方便组成Profibus 网络，实现对整个系统的控制，而且还具有数据通信的兼容性好、系统运行稳定等优点。另外，免维护的MMC 存储器卡可有效的保护用户过程数据，控制系统的软件升级更加方便。另外，根据系统的控制要求选配了带Profibus 总线接口的Danfoss 公司的VLT2805变频器[4]10台（N1～N10）、Turck 公司[5]的分布式8点数字量输入模块（FXDP-IM8-0001）3件（D1～D3）、4路模拟量差分输入模块（SDPB-40A-0005）1件（A1）、双通道加/减计数器模块（SDPB-0202D-0003）1件（C1）。人机界面采用了西门子TP270触摸屏[6]，这种触摸屏具有MPI/DP 等通信接口，可方便地实现与主控制器进行通信[7]。电控系统的整体结构示意图，如图2
所示。
图2电控系统结构示意图
基于Profibus-DP 现场总线技术的滤棒储存输送系统的电控系统通信机理，从系统上电到进入正常数据交换工作状态的整个过程，可以概括为以下4个工作阶段：①主站和从站的初始化；②总线上令牌环的建立；③主站与从站通信的初始化；④用
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6户的交换数据通信。通信过程如图3
所示。
图3PPO 结构及其分类
2.2
软件设计
（1）数据通信格式定义
PLC 与数字量和模拟量分布式模块的通信比较简单，对I/O 点的读写访问，就象访问本地扩展模块的I/O 点一样。
PLC 与双通道加/减计数器和带总线接口的变频器通信则遵循一定的通信协议，由于篇幅有限，在此主要讲述PLC 与变频器的通信协议。变频器PROFIBUS 协议提供了被称作“PPO ”（参数过程数据对象）的通信对象，所有循环性的通信数据都是借助PPO 传递的，PPO 结构及其类型，如图3。
PPO 的类型在变频器总线参数[904]中进行设置。PPO 可能由参数部分和过程数据部分组成，参数部分可用于参数的读取和/或更新（逐个进行）；过程数据部分由固定部分（4个字节）和可设置部分（8或16个字节）组成。控制字和速度参考值在固定部分传送给变频器，而状态字和当前输出频率将由变频器传输给PLC 。在可设置部分，可以选择将哪些参数传输给变频器（通过参数915设置），以及变频器将哪些参数（通过参数916设置）传输给PLC 。类型1、2和5构成参数部分，并且分别包括4、12和20个字节。类型3和4分别由4和12个字节。
在本系统中，通过变频器[904]参数设置为901，选择PPO 4作为变频器与CPU315-2DP 可编程控制器的数据通信协议，PPO 4通信格式的定义如表1所示。
表1
PPO 4通信格式
CTW/STW
MRV/MAV
PCD PCD PCD PCD 1
2
3
4
5
6
1）由PLC 传给变频器的PPO 4—对应STEP7硬件组态中分配的输出地址：
CTW ：控制字占用第1、2字节；MRV ：速度设定值占用第3、4字节；PCD ：过程数据(4个)占用第5～第12字节主要用来修改控制参数。
控制字的定义如表2所示。2）由变频器反馈给主站的PPO 4—对应STEP7硬件组态中分配的输入地址：
STW ：状态字占用第1、2字节；
表2
控制字定义
位位=0位=1位位=0
位=100关闭1开108总线点动101
关闭2开209总线点动202关闭3开3
10数据无效数据有效03惯性停车11减速04快停12加速
05冻结输出频率13选择最小安装06加减速停车
起动14选择最大安装
07
重新起动15
反转
STW ：状态字占用第1、2字节；MA V ：速度反馈值占用第3、4字节；PCD ：过程数据(4个)占用第5～第12字节主要用来反馈过程参数。
状态字的定义如表3所示。
表3
状态字定义
位位=0
位=1位位=0位=100控制准备完毕08速度≠参考值速度=参考值01驱动准备完毕
09本地控制串行通信控制02惯性停机10频率范围溢出
频率限定正常03不断开断开11马达正在运转
04开2关21205开3关313电压警告06能够起动
不能起动14电流限定07
警告
15
热警告
根据Profibus-DP 现场总线通信协议和变频器所选的PPO 4类型通信格式，PLC 对变频器的监控过程实际变为了对相应I/O 地址的轮询访问来实现。
（2）程序设计
改进设计后的滤棒储存输送系统的程序设计包括三部分：PLC 控制程序设计、触摸屏组态界面设计和子站诊断监控程序设计。
1）PLC 控制程序设计
为了方便设计、调试程序和减少重复设计的工
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6作量采用结构化的编程方式，并将系统整个的控制分解为能够反映某一具体过程工艺、功能或可以反复使用的更小任务（FC 或FB ），以完成某一具体的自动化控制任务。本控制系统中设计的可被各控制对象通用的功能块：①电机控制功能块：FB10；②T 型汇流口和主体部分进料口速度补偿值计算功能块：FB20；③电机累计运行时间统计功能块：FB30；④速度调整功能块：FC20。
另外，为了实现控制系统的自诊断能力，设计了如下诊断功能或对相应的系统故障诊断组织块进行编程：①FC100：从站诊断功能块；②FC110：故障处理程序功能块；③OB82：诊断中断；④OB85：优先级错误；⑤OB86：机架故障；⑥OB87：通信错误；⑦OB121：程序处理错误；⑧OB122：I/O 访问错误。
2）触摸屏组态界面设计
为了满足控制系统的要求，实现友好的人机对话，主要设计了如下用户界面：①用户主界面：通过操作该界面可以进入模式选择界面、过程参数设置界面、过程数据显示界面、系统设置界面和报警信息界面等；②模式选择界面：通过该界面可使系统进入不同的工作模式，如手动模式、首次预填料模式、排空模式、换牌模式以及换班操作模式等；③过程参数设置界面：设置各输送通道电机的速度匹配系数、T 型汇流口和主体进料口模拟传感器料位及速度补偿值、系统定时器参数设置、输送通道特性参数设置等；④过程数据显示界面：电机运行速度、电压、电流和功率，电机累计运行时间等；⑤系统设置界面：系统时间设置、密码修改和系统复位等；⑥报警信息界面：系统故障报警、过程数据信息。其中Profibus 从站诊断信息单独作为一个界面设计，主要是因为为了对从站实现从站点、模块到通道的三级诊断，需要通过触摸屏读取PLC 诊断缓冲器内容要占用比较多的界面进行信息显示。
3）Profibus-DP 子站诊断程序设计
由于本控制系统总线网络规模较小（共15个站点），总线集成设备主要是变频器和分布式I/O 模块的特点，设计了用户程序诊断和通过TP270触摸屏读S7诊断缓冲区诊断信息相结合的从站诊断方式。诊断程序设计主要通过调用OB86诊断中断组织，利用故障诊断字、故障代码进行从站站点的故障诊断。
OB86诊断中断程序设计：Network:1L #OB86_EV_CLASS L B#16#39==I =#coming_event AN #coming_event
R M7.0//从站故障标志位Network:2
L #OB86_EV_CLASS L B#16#38==I =#going_event AN #going_event S M7.0//从站故障标志位Network:3A(
L #0B86_FLT_ID L B#16#C4==I )O(
L #OB86_FLT_ID L B#16#C5==I NOT BEC
L LW 8
L W#16#7FFF A W
T #Diag_Addr Network:4
L #Diag_Addr L 2000-I
T “DP_diag_data ”.slave_number DB26.DBW0//故障从站地址
当从站出现通信故障时，系统将停止运行，同时通过触摸屏给出故障从站地址。另外，为了对总线控制系统实现较精确的诊断，同时避免复杂编程和方便操作维护人员查找和排除故障，充分利用西门子TP270触摸屏可读取PLC S7诊断缓冲区诊断信息的特点来实现。在TP270中组态诊断消息视图的步骤如下：①在Protool 打开的画面上“画面对象”工具栏中选择按钮；②在画面上将鼠标指针定
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位于希望放置消息视图位置。按住鼠标左键，拖动域至所需大小；③在“常规”标签上的“显示”处，选择“PLC 诊断缓冲区”选项；④从下面的列表中，选择所要显示的诊断事件所来自的PLC ；⑤在功能标签上，选择“选择域”作为事件，并为该事件分配功能“读S7诊断缓冲区”。当总线控制系统从站发生故障时，自动刷新当前的诊断信息。2.3系统改进功能设计
采用Profibus-DP 现场总线技术控制方式后，对滤棒储存输送系统主要进行了如下几个方面的改造设计：
（1）将与上、下游机器的接口输送通道以及主体部分的力矩电机全部采用基于Profibus 现场总线技术的变频调速控制。
（2）T 型汇流口和主体部分进料口选用模拟传感器进行滤棒料位检测，其料位检测值通过现场的分布式I/O 模块由PLC 读取以进行对整个系统的协调控制。
（3）系统信息集成设计。通过现场总线可读取大量的生产过程信息如：某一输送通道电机是否过流、过压、电机温度是否过高，特别是输送带累计运行时间的计算和数据显示，对于卷烟厂用户来说是一个比较重要的生产过程数据，因为输送带在运行使用一定时间后，容易被拉伸变长或造成磨损，为了保证正常的生产运行，需及时对输送带进行调整或更换输送带。
（4）选用和设计西门子TP270触摸屏人机界面，可将系统的各种故障和报警信息以文字或图片的形式很直观地提供给用户。另外，还可将原来系统设计的一些按钮和指示灯的功能移植到触摸屏中，不但简化了操作面板设计、而且有利于提高系统整体工作的可靠性。
（5）另外，为了安装调试方便和根据烟厂用户的需求增加设计了一些辅助功能，如：手动测试模式、交接班缓冲单元4区排空模式、禁止主机排料模式、固化输送通道接近开关工作监视功能增加设计等进一步丰富了系统的操作和监视功能。
3结论
基于Profibus-DP 现场总线技术改造后的滤棒
储存输送系统，不但简化了电气设计，降低了设计和维护成本，而且还进一步提高和改善了产品质量，图4和图5是基于Profibus 现场总线技术进行改造后的滤棒储存输送系统电控柜和整个物流现场运行图。目前该产品主要销往长沙卷烟厂、深圳卷烟厂、南京卷烟厂等国内主要烟厂，深受广大烟厂用户的
好评。
图4基于Profibus 现场总线技术改造后
的滤棒储存输送系统电控柜布局图
图5基于Profibus 现场总线技术改造后的滤棒储存输送系统实际运行效果图
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.6.
[2]德国Simmens 公司.S7可编程序控制器应用软件（STEP7V5.3）[R].2004.
[3]德国Simmens 公司.S7-300模板规范.[4]Danfoss 公司.VLT2800变频器操作手册.[5]Turck.分布式工业现场总线模块选型手册.[6]Simmens.TP270使用手册.
[7]
Simmens.工业通信及现场设备选型手册.
作者简介
张道东（1972-），男，常德烟草机械有限责任公司研究所工程师，主要从事烟草机械产品的电气研发工作。
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