現場總線技術PROFIBUS在HXD的應用

關鍵詞：現場總線 PROFIBUS HXD 系統配置 工藝氣體

1.前言

　　HXD是一種高性能的煙草葉絲在線膨脹干燥設備，具有機械構造簡單、自動化程度高、可靠性好、維護費用較低、可有效提高煙絲填充能力并改善和穩定卷煙內在品質等優點，因此研究并推廣HXD的控制方式對促進我國煙草行業的發展是有益的。

　　PROFIBUS是PROCESS FIELD BUS的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準，廣泛應用于加工制造、流程工業及樓宇等方面的自動化控制，技術已十分成熟。PROFIBUS依據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三個相互兼容版本。

2.HXD的構成及工藝流程

　　以濟南卷煙廠的HXD為例介紹HXD的構成。

　　HXD可分為燃燒爐、干燥塔及旋風分離器兩大部分，共有電機11臺;燃燒爐部分與PROFIBUS-PA相連的設備如下：溫度傳感器（TT）6個，流量調節閥（FCV）6個，流量傳感器（FT）3個，壓力傳感器（PT）1個;干燥塔及旋風分離器部分與PROFIBUS-PA相連的設備如下：溫度傳感器（TT）3個，流量調節閥（FCV）5個，水分儀（MT）一臺，流量傳感器（FT）4個，差壓傳感器（PdT）1個;兩部分皆有火花（焰）探測器，另有壓力調節閥、壓力開關、電磁閥、單向閥等設備若干。

　　HXD具有將回潮后葉絲膨脹、干燥并自動調節煙絲水分等功能，其工藝流程如附圖1所示。

圖1 HXD工藝流程

3.控制系統構成及功能

　　3.1 控制系統構成

　　如附圖2所示，系統采用PROFIBUS—DP單主站系統，主站選用高性能的S7-400型PLC，系統通過DP協議連接I/O控制單元ET200S、PC670、TP27、水分儀、變頻器及S7300型PLC;通過DP/PA耦合器與現場溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、流量調節閥相連。現場設有5個現場控制柜，控制柜接口模塊分別選用IM157與IM151及帶PROFIBUS接口的變頻器，通過DP/PA耦合器可方便的將掛在ROFIBUS-PA上的設備集成到PROFIBUS-DP網絡上，通過PROFIBUS協議將PLC與現場控制柜、現場檢測與調節儀表等設備有機的連在一起，構成一體化控制系統。

圖2 HXD網絡拓撲圖

　　3.2 系統功能

　　（1）水分/工藝氣體溫度的控制;

　　（2）工藝氣體流量的控制;

　　（3）進料口壓力的控制;

　　（4）系統清洗與滅火控制;

　　（5）燃燒爐的控制;

　　（6）工藝及控制參數的設定功能;

　　（7）工藝流程監控及設備運行狀態顯示;

　　（8）故障診斷與報警功能;

　　（9）相關參數的顯示功能。

　　3.3 系統工作原理

　　操作人員首先通過綜合參數設定表（見附錄）設定相關工藝與控制參數。按下啟動按鈕后系統檢測安全連鎖開關，如有異常則報警，正常則啟動清洗與滅火系統加壓泵，通過旋風分離器出口排氣管路上風門開度調節工藝氣體流量，通過排塵管路上風門開度控制進料口壓力。水分/工藝氣體溫度的控制則由調節溫控噴嘴系統流量（小范圍）和燃燒爐熱交換器輸出溫度實現。燃燒爐的控制相對獨立，其與主站僅是啟停等簡單聯系，燃燒爐主要是控制溫度。在系統運行時，通過擴展的PROFIBUS診斷功能對故障快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由PLC收集，通過PC670及TP27顯示系統運行狀態和相關參數，如在HXD出口檢測到火花則通過滅火控制系統將混有火花的物料與正常物料分離并撲滅火花，在生產結束時要求進入設備清洗狀態。

　　3.4 系統配置

　　（1）主電控柜CP2中，設置一套S7-400 PLC，其硬件配置主要包括：

　　1CPU選用414-2DP（6ES7 414-2XG03-0AB0）;

　　2數字量輸入模塊選用6ES7 421-7BH00-0AB0;

　　3數字量輸出模塊選用6ES7 422-1BH10-0AA0;

　　4接口模塊分別選用IM157（6ES7 157-0AA80-0XA0）和IM151（6ES7 151-1 AA02-0AB0）;

　　5DP/PA耦合器選用6ES7 157-0AC00-0XA0;

　　6PROFIBUS網絡通訊模塊選用6GK7 433-1EX11-0XE0;

　　（2）燃燒爐控制柜（CP2C）中另設一套S7-300 PLC。其硬件配置主要包括：

　　1CPU選用315-2DP（6ES7 315-1AD03-0AB0）;

　　2數字量輸入模塊選用6ES7 321-1BH02-0AA0;

　　3數字量輸出模塊選用6ES7 322-1HF01-0AA0;

　　4模擬量輸入模塊選用6ES7 331-7KB02-0AB0;

　　5接口模塊選用IM157（6ES7 157-0AA81-0XA0）;

　　6DP/PA耦合器選用6ES7-157-0AC80-0XA0;

　　以上兩項其編程語言為STEP7。

　　（3）現場設有分別控制循環風機、排煙風機、工藝氣體主風機、進出料氣鎖及燃燒爐控制柜5套電控柜，其中循環風機與工藝氣體主風機為軟啟動，排煙風機為變頻啟動，此變頻器選用可與PROFIBUS連接的西門子MICROMASTER 440型變頻器，接口模塊選用IM151（6ES7 151-1 AAO2-OASO），分布式I/O模塊選用ET200S輸入輸出模塊。

　　（4）連接在PROFIBUS-PA上的現場設備分別為：

　　溫度傳感器選用帶PROFIBUS-PA接口的西門子公司的組件模塊（（T3K）;

　　流量調節閥選用帶PROFIBUS-PA接口的西門子公司的組件模塊（SIPART PS2PA）;

　　流量傳感器選用帶PROFIBUS-PA接口的西門子公司的組件模塊（7MF4332）;

　　壓力傳感器選用帶PROFIBUS-PA接口的西門子公司的組件模塊（7MF4032）;

　　水分儀選用NDC公司的TM710。

　　（5）CPU414-2DP與CPU315-2DP模塊2DP及DP/PA耦合器分別連接分布式I/O、ET200S及現場設備等，采集現場數據和驅動現場調節機構，通信協議分別采用CP443-1和CP342-5模塊，共同構成PROFIBUS網絡系統。

4.網絡結構與特性

　　4.1 PROFIBUS協議結構

　　PROFIBUS的結構是依據ISO7498國際標準以開放系統互聯網絡OSI的7層網絡結構為參考模型。

　　PROFIBUS-DP使用第一層、第二層和用戶接口，第三層至第七層未加以描述。此種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，直接數據鏈路映像（DDLM）提供易于進入第二層的用戶接口，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS設備的設備行為，提供了傳輸用的RS-485傳輸技術或光纖。

　　PROFIBUS-PA數據傳輸采用擴展的“PROFIBUS-DP”協議，還使用了描述現場設備行為的標準，PROFIBUS-PA可確保本質安全性并使現場設備通過總線供電。利用DP/PA耦合器PROFIBUS-PA設備可方便的集成到PROFIBUS-DP網絡。

　　4.2 PROFIBUS特性

　　PROFIBUS-DP用于設備級的高速數據傳輸，通過高速串行線CPU與分散的現場設備進行通信，大多數數據傳輸是周期性的，并保證總線循環時間比控制器循環時間短。部分智能化現場設備還需要非周期性通信以進行配置、診斷與報警處理。

　　PROFIBUS-PA針對過程自動化設計。PA將自動控制系統與帶有現場設備如壓力、溫度、流量、調節閥等變送器或執行器的過程控制系統連接起來，用于對安全性要求高的場所或由總線供電的設備。PROFIBUS-PA相對傳統控制系統在現場設備的電纜敷設、調試、運行、維護等方面可節省50%左右的成本。

　　附錄：綜合參數設定表：

　　物料流量——KG/H

　　延時時間——S

　　回潮后煙絲水分——%

　　分離器出口氣體溫度（空運轉模式）——°C

　　分離器出口氣體溫度（干燥模式）——°C

　　進料點前端氣體溫度——°C

　　工藝氣體流量——KG/H

　　模擬載荷流量——KG/H

　　控制載荷流量——KG/H

　　蒸汽注射——KG/H

　　出口煙絲水分——%