西門子變頻器在1250縱剪上的應用

1.概述
　　1250縱剪機是為滿足高精度銅板帶的加工，進行銅帶分條、切邊，生產高精度帶材的機械，對成品寬度偏差、成品毛刺高度、卷取后帶材塔形度（整卷） 、錯層、側彎、表面擦傷等有一定要求。一般來說，其主要工藝流程是：開卷、剪切、張力產生、卷取等，中間輔以上料、校平、剪切板頭、緩沖、引導、收卷廢邊、分卷、出料等過程。
　　設備在工作時開卷機處于自動送料狀態，帶材經側向引導機構進入圓盤剪剪切成帶狀條料，切下來的廢邊同時由廢邊機收卷，帶狀條料通過緩沖活套坑后進入張力站，然后由卷取機把帶材整齊地卷成筒狀，最后由卸料小車把料卷卸到儲料臺上。
2.profibus總線技術
　　Profibus（Process Field bus），是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信。 Profibus協議的結構根據ISO7498國際標準以開放系統互聯網絡OSI為參考模型，Profibus-DP（分散型外圍設備）只用了第一層、第二層和用戶接口。第一層－PHY，規定了線路介質、物理連接的類型和電氣特性。Profibus-DP通過差分電壓輸出的RS485實現電流連接。在線性拓撲結構下采用雙絞線連接。第二層－MAC，描述了連接到傳輸介質的總線存取方法。Profibus-DP采用一種混合訪問方法。第二層－FLC，規定了對低層接口。第二層－FMA1/2完成第二層－MAC特定總線參數設定和第一層設定。
　　Profibus-DP是采用主從通訊和令牌通訊的，主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應進行通訊。主站和主站之間靠得到總線控制權（令牌）進行通訊。RS-485是Profibus-DP最常用的一種，通稱為H2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，只要符合Profibus-DP協議的設備都可以掛在總線上。RS-485每段最多32個站點, 帶中繼器最多可到127點。傳輸可選9.6kbps～12Mbps, 最大距離12Mbit/s時為100m，用中繼器可以加大傳輸距離，網絡最大傳輸距離可達90km。Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。另外一種傳輸介質是光纖FO傳輸，它用于干擾很大地環境。
　　Profibus-DP:主要用于現場級的高速數據傳輸、解決自動控制系統（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現場設備（I/O、驅動器、閥門等）之間的通信任務。使用 Profibus-DP可取代現場的24V或0-20mA的并行信號傳輸技術。
　　另外，Profibus-FMS（現場總線技術規范）:用于過程控制站和操作員站之間的高數據量通訊，主要是解決車間監控級通訊任務。Profibus-PA（過程自動化）:主要用于工業防爆現場。
3.系統構成
本系統的網絡結構圖如下：

3.1硬件構成：
操作員站（HMI）：研華IPPC9150T
可編程控制器：S7-300，CPU315；ET200等
西門子矢量型變頻調速器6SE70
3.2軟件構成：
wincc6.0、step7 V5.3、Drive ES Basic V5.1
4.系統主站

4.1.操作員站（HMI）（二類主站）
　　操作員站位于現場操作臺內，在采用研華工控機插入CP5611網卡，CP5611自身不帶微處理器，是短PCI卡，可運行多種軟件包，軟件平臺為Windows 2000，上位監控工控組態軟件為wincc6.0 （Windows Control Center）是Windows環境下面向對象的32位工業控制組態軟件，它適合任何自動化控制系統，支持多種PLC系統。操作員站上能直觀地一方面進行生產操作，比如：來料寬度、厚度，張力，速度等，一方面進行監控生產過程中的各參數，比如：速度，張力，卷徑等，可以通過棒圖、趨勢曲線等來監控各參數的變化趨勢，有利于對生產過程的全面了解和準確及時地進行故障判斷。
4.2S7-300CPU315-2DP可編程序控制器（一類主站）
　　S7-300 CPU315作為控制級核心，具有DP和MPI口，采用Profibus－DP現場總線通訊連接各傳動系統和分站。其主要功能有：
　　在電控室的工控機、PLC是建立在現場總線 Profibus網絡基礎上的，在PLC上插有通訊網卡為CP343-1，連接到上層信息管理網絡，在二級計算機上插入CP1613網卡與PLC通訊，同時插入以太網卡與工廠三級網絡相連，接收和發送有關生產信息；而另一塊為S7-315自帶的DP口，連接到底層設備控制網絡Profibus-DP。底層設備控制網絡主要作用是控制整個工藝流程和相應運動，通過現場工業總線 Profibus網絡，使工藝控制系統的ET200和各變頻器發出的控制指令，控制各自相應設備動作。同時， 每臺ET200和各變頻器一方面通過網絡把自己的狀態信息發送到相關的PLC上，另一方面通過網絡接受到其它ET200和各變頻器的狀態信息，以決定下一步動作，保證剪切線連續正常生產。
4.3二級計算機中：
　　主要提供數據歸檔、工藝參數歸檔，自動生成班次，月報、年報或按品種規格生成的統計報表，和故障反饋及處理。同時可與工廠工業以太網聯網。軟件平臺為Windows 2000，上位監控工控態軟件為wincc6.0，并且二級計算機中某些權限比操作員站上的高。
5.系統從站
5.1ET200M（從站）
　　各傳感器信號和大量地I/O設備就近接入Profibus現場子站，通過IM153模塊的DP口同PLC通訊，這樣可以最大限度的減少現場接線工作，簡化現場布線的復雜性，同時，可以減少信號衰減和各種干擾對信號的影響。
5.2交流傳動系統（從站）
　　交流變頻調速技術優越的調速性能和顯著的節能效果，使其成為現代化電氣傳動的主要發展方向之一。本系統采用矢量控制型SEMENS 6SE70系列控制器，其特點：
1）標準化及模塊化。整個變頻器的結構非常緊湊，主板及擴展板都有是通過總線插槽連接，各組件接近，便于維修。由于集成度的提高，使裝置具有很高的可靠性。
2）適應電源電壓波動范圍廣，能自動適應電網頻率變化45-65HZ。
3）具有很強的自診斷處理功能，提供有關故障原因的補充信息，維護方便。
4）可采用USS、Profibus-DP、Simolink等多種方式通訊及聯網。
5）32位CPU全數字控制，組態功能豐富。
6）可針對具體交流電機進行優化，以達到優良的控制性能。
7）頻率精度高，達到0.001Hz，頻率范圍寬，可以輸出0-600Hz的頻率。
　　在交流傳動中一般使用獨立的變頻器裝置驅動都需增加回饋單元或制動電阻。采用回饋單元方式，其投入成本高，電路復雜，維護困難。采用制動電阻因為能量全部消耗在制動電阻上，是一種不經濟的方式。因此，采用共用直流母線可以自適應調整不同條件下被拖電動機的制動力矩。在剪切線生產中，由于帶材的張力作用，開卷機進入了再生發電制動狀態，發出的電能經續流二極管整流變成直流回饋到直流母線，將制動能量供給其他逆變器，電能節約也相當可觀，比采用制動電阻方式節電約30%。另外，采用直流母線技術比各獨立變頻器總投資節約20%。

　　6SE系列變頻器/逆變器在CUVC主板上通過ADB板上插入CBP2總線適配器連接到Profibus總線上，CBP2具有電隔離的RS485口，變頻器通過CBP2的九針SUB-D的插接器連到Profibus總線上。主站能通過它對變頻器進行運行控制操作、調節運行頻率、更改變頻器的功能碼、讀取變頻器的運行狀態。變頻器也通過CBP2反饋對主站控制信號的應答信號，主站可以根據變頻器的應答信號判斷控制信號執行情況。
　　通過Drive ES Basic V5.1軟件對變頻器進行參數設置, 在周期性的通訊中，Profibus-DP使用PPO（對象過程類）類型作為數據傳遞的格式。它有5種PPO類型，根據信息量大小選擇PPO類型，其報文中有用數據為PKW和PZD，PKW為參數識別值區，最多4個字，主要是讀寫參數 ，PZD為過程數據區，最多10個字，如：電流、速度的設定和反饋值等，主要是設定值和狀態值。本條線采用的是PPO2類型，使參數P060=2，并存儲在EEPROM中，參數便恢復到缺省值（工廠設定值）,此后便可根據現場和工藝要求設定各裝置參數。主要參數為P100控制模式, P101電機額定電壓，P102電動機的額定電流，P107電動機的額定頻率Hz,P108電動機的額定速度，以及各種工藝參數的選擇設置等，參數P734與數據塊DB建立數據連接，P918變頻器地址等設定，然后下載到相應變頻器，這樣PLC就可以與變頻器建立通訊鏈接，本例是在STEP7中的OB1組織塊中調用SFC14“DPRD_DAT”、SFC15“DPWR_DAT”系統功能塊同變頻器進行讀、寫數據交換，梯形圖如下。

7.結 論
　　Profibus現場總線技術，極大地節約了控制電纜，使現場布線的復雜性有效的簡化，系統結構更為清晰，節約了成本，同時也大大縮短了施工、調試時間。西門子6SE系列變頻器的矢量控制，提高控制系統性能水平，如控制精度和動態響應時間。公共直流母線的采用則可利用開卷機的再生發電，降低整個機組的能耗。這些技術的應用保證了這條線經濟上合理，技術上先進，滿足銅帶分條的質量要求，更為可靠，簡便，節能。