基于Profibus-DP總線技術(shù)的閘門控制系統(tǒng)
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Profibus有深遠的制造業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)和使用經(jīng)驗，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造、過程和建筑自動化，如今已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準，即EN50170歐洲標(biāo)準和IEC61158國際標(biāo)準的一部分,并且在2006年轉(zhuǎn)化為中國GB現(xiàn)場總線標(biāo)準。
Profibus由Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification），Profibus-PA（Process Automation）和Profibus-DP（Distributive Peripheral）三部分組成。其中，Profibus-DP具有高速傳輸、價格低廉等特點，實現(xiàn)起來比較簡單，主要用于分散設(shè)備間的數(shù)據(jù)高速傳輸。該總線物理層采用RS485傳輸方式，傳輸速率可由9.6kbps至12Mbps。一般用于自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備級間的開關(guān)量的通信。因而可滿足全數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)對于快速的時間相應(yīng)要求。目前80%以上的Profibus應(yīng)用是基于Profibus-DP。
基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)與以前的集散型控制系統(tǒng)DCS相比,具有很多優(yōu)越性，如：
（1）采用雙絞線、光纜或無線電方式傳送數(shù)字信號，從而大量削減現(xiàn)場儀表與控制室之間一對一連接的導(dǎo)線，節(jié)省安裝費用，提高可靠性和抗干擾能力，增強控制精度，信息傳輸速率可達1-12Mb/s，傳輸距離可達數(shù)公里。
（2）由于采用了統(tǒng)一的國際標(biāo)準，不同廠家的產(chǎn)品在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容，使系統(tǒng)具有開放性，這對用戶的操作、維修、擴展都是十分有利的。
（3）由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動控制的基本功能，導(dǎo)致現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場儀表，大量過程檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，在新的技術(shù)基礎(chǔ)上實施就地控制，使過程控制基本分散到現(xiàn)場，而控制室內(nèi)的儀表裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動化功能。
（4）開放式系統(tǒng)，系統(tǒng)分層分級集成，設(shè)計靈活，網(wǎng)絡(luò)可采用多種拓撲結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)編碼器測量精度高、使用簡單，在檢測及控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等方面得到了廣泛的應(yīng)用。絕對位置旋轉(zhuǎn)編碼器可直接測量參數(shù)的絕對值，抗干擾能力強；在系統(tǒng)掉電及再上電后，絕對位置旋轉(zhuǎn)編碼器仍可保持輸出位置量不變。
根據(jù)以上特點，在設(shè)計水庫閘門監(jiān)控系統(tǒng)時，我們采用帶有總線標(biāo)準接口的絕對位置旋轉(zhuǎn)編碼器測量閘門的實際直線位移，以西門子S7-300系列PLC為控制核心的監(jiān)控系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 閘門監(jiān)控電氣設(shè)計
閘門由兩臺電機驅(qū)動卷揚機拖動。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有現(xiàn)場/遠方可切換控制模式；通過改變電機轉(zhuǎn)子回路中的串接電阻可使閘門以三種速度升降。當(dāng)閘門提升離開底坎200mm時，電機停，等到閘門前后的水位平衡后，電機再重新啟動提升閘門至希望位置。在閘門升降過程中，監(jiān)控系統(tǒng)要隨時檢測閘門的位置，并應(yīng)有較高的檢測和控制精度，同時，閘門監(jiān)控系統(tǒng)要監(jiān)視負載電流，在電機或閘門啟閉機械過載時應(yīng)有相應(yīng)的報警輸出，并在現(xiàn)場和遠方兩種方式下都能實現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)控。根據(jù)閘門的控制要求，系統(tǒng)主回路和部分控制回路電氣設(shè)計如圖1所示。
圖1 閘門系統(tǒng)主回路、部分控制回路
2.2 閘門監(jiān)控PLC設(shè)計
項目選用Siemens公司S7-300PLC系列CPU315-2DP，配置一個通信處理器CP342-5作為Profibus-DP系統(tǒng)的主站；旋轉(zhuǎn)編碼器選用德國ifm公司的絕對位置型旋轉(zhuǎn)編碼器RM3005，不僅具有普通多轉(zhuǎn)編碼其性能，而且保持相同的最大分辨率（8192脈沖/轉(zhuǎn)，4096轉(zhuǎn)），增添了Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的特性，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的從站可省去閘門監(jiān)控系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計中的多個輸入/輸出接口,如：閘門上升和下降檢測，閘門的上下限檢測,閘門到位檢測等。選用觸摸屏TP170A作為現(xiàn)場操作站，方便顯示工藝參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)。其控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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