隨著造紙企業生產規模的擴大和工業自動控制水平的提高，越來越多的自動化設備如傳感器、調節器、發送器、驅動器及可編程控制器等被應用到造紙工業控制現場。相應地，串行現場總線也用來在這些設備間進行通信。因此，通信和數據流高速傳輸的實現就成為完成電氣傳動和控制的一個必不可少的部分。目前，現場總線存在著各種各樣的網絡標準，這些網絡大多是嚴格保密且互不兼容，其中PROFIBUS 標準是一種開放的、不依賴生產廠家的通信系統標準，所以PROFIBUS 在各種工業控制現場得到了越來越廣泛地應用。尤其是在造紙行業，PROFIBUS 得到了大力推廣。本文針對PROFIBUS 在長網多缸紙機傳動控制系統中的應用進行了詳細的介紹。
PROFIBUS 現場總線技術是由德國Siemens等13 家公司和5 家研究所聯合制定的標準化規范，并于1999 年成為國際標準IEC61158 的組成部分。PROFIBUS 包括3 個同一類、可互相兼容的變種，即PROFIBUS-FMS 、DP 、PA 以適應不同領域的要求。PROFIBUS-FMS（現場總線技術信息規范）的設計旨在解決車間監控級通信任務，提供大量的通信服務；PROFIBUS-DP （分散型外圍設備）用于現場層高速數據傳送；PROFIBUS-PA （過程自動化）適用于過程自動化。PROFIBUS 能夠提供制造業、樓宇自動化和過程自動化各領域統一解決方案的系統，現已在汽車工業、機械制造業、食品工業、運輸業、環保工程等多領域獲得了應用。
1 造紙機傳動控制系統
1.l 造紙機傳動控制系統的構成
造紙機傳動控制是一個控制點多、結構非常復雜的系統，其系統的工作過程概略如圖1 所示。以1760 / 350 長網多缸造紙機為例，整個紙機傳動部分分為主傳動和輔助傳動兩部分：主傳動部分共分16 個傳動點，總傳動功率為368 kw ，主要控制飾面輥、真空伏輥、驅網輥、導網輥、真空反壓輥、光壓輥、烘缸和卷紙機等；輔助傳動部分合計功率42 kw ，主要控制勻漿輥、唇板、損紙攪拌器、張緊器、沖水管、輸油泵、刮刀和副臂等。傳動系統的數據通路主要有2 個：其一是操作屏和PLC 走PROFIBUS-DP 或FMS 通路；其二是PLC 通過CBP 板卡和變頻器走RS485 PROFIBUS-DP 協議通路。為達到控制目的，整臺紙機共配有4 臺操作臺：操作臺OP-﹟l 控制流漿箱及上漿系統有關氣動、電動設備；OP-﹟2控制有關網部、吸移、反壓、二壓及工藝系統有關氣動、電動設備；OP-﹟3 控制有關光壓、部分烘干部及工藝系統有關氣動、電動設備；OP-﹟4控制部分烘干部、卷紙機、稀油站油泵及工藝系統有關氣動、電動設備。每套操作臺配備1 套ET2OOM , 作為遠程I/0 使用；并且裝有PROFIBUS-DP 接口的閥島和單機起停及緊急停車按鈕。其系統控制結構如圖2 所示。
圖2 控制系統結構
本系統采用功能強大、軟件功能豐富的S7-300 型PLC CPU315 系統作為控制核心，軟件采用STEP7 Version 5.0 ；變頻器采用Siemens 的6SE7O 系列完整矢量控制高精度變頻調速裝置，其完善的控制性能特別適合紙機系統，如速度鏈給定、分布的速度控制，張力控制及兩者的切換，多種自由功能模塊和工藝模板的組合特別適用紙機的工藝要求；本系統采用了T40O 模塊，它提供了多種工藝控制功能，如卷曲、張力、同步、定位、多電機等；并采用CBP2 板卡插在變頻器中，用于PROFIBUS-DP 的通信；上位監控計算機采用西門子的PⅢ450 加54cm 彩顯；組態軟件采用WIN CC5.O 。通過OPIS 操作屏和PLC , PC 可對多臺裝置進行參數重復設定以提高調整進度。
1.2 傳動控制系統的控制要求
造紙機生產過程是由網部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續且復雜的過程組成，具體表現在以下幾個方面：① 多變量、多參數系統，影響傳動系統的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓、負載等；② 交流電動機的非線性；③ 負載的不確定性；④ 多電機間性能的不匹配；⑤ 多電機之間存在耦合。因此，造紙機的傳動控制要求滿足：① 實現速度鏈控制。依據紙機傳動系統的工藝特點，采用了調節變比的控制方法實現速度鏈功能。操作屏上設有功能鍵，通過通訊可直接修改PLC 內的數據區，改變響應傳動點的速度設定值。② 實現負荷分配控制。網部真空伏輥、驅動輥、第一導網輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時要求負載均衡，否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這2 個傳動組合中的各自傳動點之間實施負荷分配自動控制功能。PLC 通過PROFIBUS 現場總線得到電機電流信號，以先進的調節算法調節變頻器的輸出，使各電機轉矩電流和額定電流比值相等，這樣完成負荷分配的自動控制。③ 實現張力控制。根據紙機工藝要求，在多組烘缸與卷紙機之間加張力傳感器，張力傳感器將張力信號通過A/D 轉換模塊送人PLC，在操作臺上的操作屏上進行張力設定，PLC根據張力設定值和張力傳感器的反饋值對卷紙機進行調節，保持張力恒定準確。PLC 內采用積分分離的PID 控制算法，并帶有速度限幅，仿止斷紙時出現張力飛車現象。
2 PROFIBUS 網絡結構及傳輸技術
2.1 PROFIBUS 協議結構
PROFIBUS 通信協議結構的基礎是ISO/OSI 的7 層網絡參考模型，其結構如圖3 所示。
■ DIN19245第四部分 ■ EN50 170 ■PROFIBUS準則
圖3 PROFIBUS協議的結構
PROFIBUS-FMS 第l 、第2 和第7 層均加以定義，其中第3～第6 層未加以描述，其功能在底層接口（Lower Layer Interface）完成，LLI 是第7 層中的一部分，FMS(Field Message Specification 現場總線報文規范）包含了應用層協議并提供了多種強有力的通信服務及用戶接口。
PROFIBUS-DP 使用第l 層、第2 層和用戶接口，以直接數據鏈路映像（Direct Data Link Mapper）提供易于進入第2 層的用戶接口。該用戶接口規定了可以調用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP 設備的設備行為，還提供了傳輸用的RS485 傳輸技術或光纖。
PROFIBUS-PA 采用擴展的“PROFIBUS-DP”協議進行數據傳輸。這種傳輸技術可確保其本質安全性并使現場設備通過總線供電。
2.2 PROFIBUS 傳輸技術
PROFIBUS 提供以下3 種類型的傳輸技術：FMS 和DP 的RS485 傳輸；PA 的IECll58～2 傳輸；光纖( FO）。RS485 采用屏蔽雙絞線，操作容易，設備簡單、價格便宜，而且能夠滿足高速傳輸的要求，故應用較廣，成為PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術。RS-485 總線結構允許增加或減少站點，傳輸速度可選用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 傳輸技術可保持其本質安全性并使現場設備通過總線供電，所以這種傳輸技術能滿足化工和石化工業的要求并在這些領域得到廣泛使用。另外，IECll58-2 信號可通過耦合器與RS-485 信號相適配，這樣PROFIBUS-PA 設備能很方便地集成到PROFIBUS-DP 網絡。光纖傳輸技術主要用于電磁干擾很大的環境中，它可以增加高速傳輸的最大距離，但光纖傳輸造價較高。
3 上位操作監控管理系統
上位監控計算機采用西門子公司的PⅢ450 加54cm 彩顯，打印機，軟件平臺為隨機所帶的原版Windows NT Workstation 軟件，工控組態軟件為德國西門子公司的工業控制組態軟件WinCC ，即“WINDOWS CONTROL CENTER”（窗口控制中心）——為在標準PC 和WINDOWS NT 環境下實現集成化全32 位的HMI （人機界面）的功能。WinCC5.0 具有的特點：① 全集成自動化，使STEP7 編程環境更貼近于WinCC 的組態環境；② 組態更加高效，易于操作，最大地減少組態時間，是成功的HMI/SCADA 軟件的一個主要標準，SIMATIC WinCC 一直遵循這個標準；③ WinCC 是按照客戶機／服務器系統設計的，最多支持16 個客戶機；④ WinCCWeb 瀏覽器功能允許通過國際互聯網Internet或企業內部網Internet 對工廠設備進行監視甚至操作；⑤ WinCC5.5 對Messenger&Guardian （信使和看護者）可選功能進行了升級，主要的新功能是通過網絡的攝像監視，且在看護者計算機上支持多攝像機監視；⑥ 開放式結構，易學易用，支持全序列的SIMATIC PLC ；⑦ 集成的SQL 數據有利于數據的存取和交流，并且支持0LE2.0 及OCX 控件。上位監控計算機的生產數據存人SQL 數據庫。
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