PKS系统中实现电气设备的现场总线控制

摘要：本文介绍了在PKS系统中PROFIBUS现场总线技术的应用，并采用PROFIBUS-DP总线实现了对ABB公司ACS800变频器及智能马达中心M102的控制。文章主要从PKS系统规划、PROFIBUS网络组态以及PKS中实现PROFIBUS通讯及设备控制三个方面进行论述。

关键词：PKS；PROFIBUS；变频器；M102

Abstract: This paper introduces the application of PROFIBUS technology in PKS. By adopting PROFIBUS-DP, it realized the control to ABB ACS800 inverter and the intelligent motor centre M102.The paper mainly explains the following 3 aspects: PKS system planning, PROFIBUS network configuration and PROFIBUS communication and device control in PKS.
Keywords: PKS; PROFIBUS; INVERTER; M102 \

        随着大型PLC、DCS在工厂中的广泛应用，极大地提高了企业的现代化水平。但由于电气设备不断增多，传统的硬接线方式使得控制室的电缆大量增加，同时电气设备的干扰问题也较难解决，这给DCS（PLC）、电气设备的维护带来了很多问题。而随着现场总线技术的不断发展和完善，使得以上难题迎刃而解。PROFIBUS就是一种应用较为广泛的现场总线技术，它是国际化的开放式现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统。
        本文主要讨论了霍尼韦尔公司PKS系统通过PROFIBUS现场总线实现与ABB变频器、智能马达中心（M102-P）通讯、控制的方案。

1　Experion PKS系统规划
         Experion PKS是霍尼韦尔推出的最新的DCS控制系统，它采用基于Windows 2000的服务器,利用高速动态缓存区采集实时数据，融合了最新控制技术、现场总线、高级控制应用等。在现场总线方面支持FF、PROFIBUS、Device NET等多种流行的总线方式，因此具有较强的开放性，与第三方系统、仪表及设备的连接通讯较为方便。
        在本套PKS系统中主要由三层网络组成：FTE冗错以太网、ControlNet（CNET）网络、PROFIBUS网络，如图1所示。FTE是Honeywell专利技术，使得商用的100Mbps 以太网实现容错允许所有的单点故障，以及一些多点故障；切换速度可快达1秒，并可提供比普通以太网更多的通讯路径。ControlNet是一种令牌总线网络，也采用冗余，通讯速度保持在5Mbits/s（与距离无关）。
        编制控制程序的软件为Control Builder，其组态全部采用图形化的工具，系统的控制程序是以CM（控制模块）为基本单位，可以单独从控制器中上装、下装，实现在线修改而不影响设备的正常运转。在CM中可以加入各种功能块（包括现场总线功能块），各功能块之间可以完成通讯、联锁功能。 
         Experion PKS 至 PROFIBUS DP 的接口通过专用硬件接口卡提供了PROFIBUS网络至控制器之间的通信路径。PROFIBUS接口模块 （PBIM） 是机架安装的模件，它允许在控制器和 PROFIBUS设备之间的直接连接。PBIM 是 PROFIBUS 网络中的主设备，其它设备为从设备。PBIM 允许控制器直接访问 PROFIBUS DP 网络中的设备。接口模件支持的设备包括电机驱动器（包括变频器）和编码器，以及可编程逻辑控制器。
         在这套系统，一共采用了三个独立的PROFIBUS网段，其中两段通过M102控制普通电机，另外一段与变频器进行通讯控制。

图1 PKS系统网络图

2　PROFIBUS DP网络组态 
        为实现DCS与ABB变频器及M102的通讯及控制，第一步是在DCS中完成PROFIBUS的网络组态工作。主要从以下四个方面着手设计组态。
（1） 网络设计：主要从通讯速率、从站数量、冗余安全几个方面考虑。由于变频器与M102的通讯速率不同，并且为了防止变频器的干扰，我们将变频器与M102放置在不同的网段；将工艺流程中互为备用的设备放置在不同的网段。
（2） 硬件连接：将各变频器或M102根据设计连接到相应的PKS系统中的PROFIBUS接口模块上（主站模块）。主站模块通过FLASH－ROM存储网络组态，并且支持断电恢复后自动重新配置从站设备。
（3） 安装GSD文件：每种PROFIBUS通讯设备都有厂商提供的GSD文件，组态前需要先安装相应的GSD文件。变频器及M102的GSD文件分别是ABB_0812.GSD、INTC08DD.gsd。
（4） 组态：将DCS中的主站及从站分别加入到网络中。设置主站、从站的网络地址，为各从站选择正确的模块，配置主要参数。
2.1　M102的组态设置
         根据工艺流程需要将互为备用的电气设备连接到不同的两段PROFIBUS网络中（通过两块PBIM组成两个独立网络），通过SST PROFIBUS组态工具完成。将M102的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到M102_Motor_Control。

图2 M102网络组态图
         图2为智能马达中心M102的网络组态图，图中的SST_PFB_CLX_MASTER是PKS系统所带的PROFIBUS通讯卡，它作为网络的主站，站号为000。而M102作为从站，站号从001开始。M102支持多种数据结构，通过比较，我们选择了8字节输入/2字节输出的方式，这样既保证能读取较多的数据，又不影响网络速度。
在M102一端通过专用的软件设置相应的站号（必须与PKS中的相同），对电机的相应参数进行设置，同时对相应输入、输出字节进行规定（如指定运行、故障等信号对应的位）。而对于通讯速率则由主站来定，在M102断电重启后，可以自动获取。
2.2　变频器的组态
        我们将变频器设备与单独的一块PBIM相连组成单独的网络，其通讯速率可达到1.5Mbps，保证了变频器控制的可靠、迅速。将变频器的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到ABB_DRVICES_RPBA。
图3为变频器PROFIBUS_DP网络组态图，与M102类似这里的主站站号为0，变频器站号从001开始。网络组态中需要注意的是Modules及Ext. Prms。变频器共支持PPO1－PPO5五种PPO Module，在这里我们选择PPO4方式，这种方式能读取较多的模拟量数据，但不读取变频器相关的参数。在参数设置中，需要注意图中的Operation mode采用图中所用的Vendor Specific协议，而不能用其默认的Profidrive协议。
        在变频器一端，需要加入RPBA模块（ABB专用的PROFIBUS通讯模块），其地址由硬跳线完成（必须与PKS中的相同），在变频器中对相应的通讯参数进行设置。与M102不同的是变频器需要进行初始化（以便完成变频控制功能），必须在DCS中完成，保证变频器断电重启后的通讯正常。

图3 变频器网络组态图

3　PKS系统中的组态过程
        在PKS系统中通过CONTROL BUILD完成组态过程。对于PROFIBUS现场总线通讯、联锁控制一共分为四个步骤：
（1） 建立主通讯站，加入功能块PBIM　BLOCK（参见图4的PBIM_SST）。即加入“物理”的通讯模块。
（2） 加入虚拟的从站设备块（参见图4中的PBI_DEVICE、PROFIDRIVEDEV），与主通讯站构成一条PROFIBUS通讯网络。即加入“虚拟”的通讯模块。
（3） 加入输入输出功能块（参见图4中的PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN），对应从站的输入输出地址。
（4） 将PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN加入到相应的控制模块（CM）中，完成相应的联锁、控制等功能。

图4 PKS组态流程图
具体实施步骤
3.1加入“物理”模块
       即在CONTROL BUILD的工程项目中加入PBIM硬件设备（PBIM_SST）。与其它硬件相同，必须设定每块PBIM的名称、所在的CNET网络位置、所在的机架位置等。由于PBIM实际上是PROFIBUS的主站，因此这里必须配置它所在网络的各从站的地址、名称；配置各从站的虚拟模块、输入输出偏移等，如图5所示。


图5 PBIM参数设置
3.2　加入“虚拟”模块
       即在工程项目中加入各从站的输入、输出I/O模块。根据实际情况对每一块M102采用 PBI_DEVICE功能块，建立AI、DI、DO三种类型的模块，如S_1_AI、S_1_DO。对于S_1_AI需要设置它所对应的PBIM名称、站号、模块号、输入数据格式、输入数据大小（字节）等。对于S_1_DO则需要设定输出数据格式、输出数据大小。对于变频器则采用PROFIDRIVEDEV功能块，建立一个PPO类型为PPO4的模块即可。
3.3　在CM中完成各种联锁控制
        每一个C