基于PROFIBUS-DP的PLC控制系统在斗轮堆取料机中的应用

1. 前言
斗轮堆取料机，是大型散装物料装卸机械，广泛用于港口、矿山、钢厂、电厂等大宗散料如矿石、煤、砂石等在存储料场的堆放、提取作业，其工作连续性强，操作频繁。斗轮堆取料机传统的开关量顺序控制, 是采用继电器和接触器构成的逻辑控制装置, 这种传统的控制装置能在一定的范围内满足自动控制的需要,但因需要大量的触点装置和电缆使其控制线路过于繁复、可靠性差和维修难度大。PLC 以其稳定的性能、低廉的成本、强大的功能及方便的编程等特点广泛应用于工业控制领域。
本文采用西门子触摸屏TP270 ，西门子 S7-300 可编程控制器, Profibus-DP ( 分布式I/O) 控制机上的各执行机构。控制网络简单, 系统优化, 完全满足机上的各执行机构的控制要求。
2. TP270触摸屏组态
Simatic TP270具有价格低廉、坚固耐用、结构紧凑、显示清晰、组态简单高效等优点，TP270的引入能够大大减少司机室内的仪表盘、指示灯、数码管等从而减少设备间的布线，使运行更加可靠，同时使设计人员能够根据实际情况灵活改变显示内容与方式，大大提高了整机的控制性能和水平。
本文采用Protool V6.0进行触摸屏画面组态，根据斗轮机设备需要及特性，画面设计总体分为一个主画面、六个子画面,其逻辑关系如图1所示：

子画面共分为四大类：一是画面操作部分（在触摸屏上操作设备的运行、停止、堆料、取料等）;二是各设备状态显示（显示各设备到位位置及运行状态）及数据显示部分（显示机上各电机运行电流、行车、回转、变幅位置数值）;三是故障显示及故障报警列表、历史报警列表（显示各设备故障指示及故障查询）等；四是系统设定，在不退出程序的提提下，以方便对触摸屏本身各参数的设置。
部分PT画面如图2、图3所示:

组态程序编写完毕，用编程器为TP270下载程序时，要注意设定TP270的传送通道及传送波特率，考虑到下载速度，本例中波特率设置为115200。
3. 系统组成及通讯
3.1 系统硬件配置
根据斗轮堆取料机的控制要求，结合目前运用成熟的总线技术，系统采用Profibus总线技术。系统由Profibus-DP网络和MPI网络共同组成。 Prof ibus是一种开放式异步通信标准，可以实现各种自动化设备之间的数据交换，由3个兼容部分组成，即Prof ibus-DP、Prof ibus-PA和Prof ibus-FMS。Prof ibus-DP是一种开放式现场总线系统，实现快速响应和高速数据通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。Profibus-DP主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，除周期性用户数据传输外，提供职能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。采用RS485 传输技术，物理传输介质为双绞线、双线电缆或光缆，波特率从9.6k～12Mbit/s。主战间为令牌方式传送，主战与从站为主－从传送，支持单主或多主系统。
MPI是一个多点接口通讯网络，最多可连接125个MPI节点，通讯速率为187.5kbit /s。可以在不同的控制器之间传输数据，还可以作为一个Prof ibus-DP接口使用，操作员控制和监视设备HMI及编程设备PG可通过两种接口（MPI、Profibus-DP）连接。
根据斗轮堆取料机电气控制系统的特点，分别在上部电气室和下部电气室配备Profibus-DP主站和从站，触摸屏设置在司机室，以方便司机操作及故障查询。 上部电气室选用西门子S7-300 CPU315-2DP可编程控制器作为主站，CPU315-2DP本机具有1个MPI接口和1个DP接口，从站设在下部电气室，从站I/O 模块选用ET200M，选用IM153-1 通讯接口模块。大车行走、悬臂变幅及回转机构通过变频器来控制，变频器作为从站通过CBP2通讯板(Profibus通讯模块)连接在系统总线上。系统硬件配置如图4所示:

3.2 系统硬件组态
PLC编程软件采用西门子SIMATIC STEP7 V5.4。启动软件后，进行硬件组态，选中SIMATIC300（1），双击右边窗口中的“硬件”图标，组态其硬件。将所选CPU和各输入、输出模块插入 SIMATIC S7网络，并定义各模块I/O地址。依次将IM153-1、变频器挂到Profibus网络，设置PLC 为主站其地址为( 2) , ET200M为从站，其地址设置为( 3) (注意设定地址须和ET200M硬件上拨码数字相同) , 行走变频器, 回转变频器, 变幅变频器地址分别设置为( 4) ( 5) ( 6) 。变频器的从站地址必须与PROFIBUS 主站上配置的地址相一致, 且总线上每个单元的地址必须是唯一的PLC 主站中的用户程序存取, 经过总线系统的通讯是完全由PLC 主站中的主接口和IM153-1接口进行处理。PLC 主站将数字量信号通过PROFIBUS-DP 总线经PROFIBUS 模块传送至变频器, PROFIBUS 模块安装在变频器的正面,通过RS485 串行接口与变频器通讯。其配置图如图5所示: