復(fù)卷機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 [1]由放卷輥（又稱退紙輥）、引導(dǎo)輥、縱切機(jī)構(gòu)、壓紙輥、卷取底輥（包括前底輥和后底輥）等構(gòu)成，如圖1所示。 復(fù)卷機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)要求：壓紙輥對(duì)紙卷的壓力逐漸減小；放卷電機(jī)要提供一個(gè)反向力矩，在紙面上產(chǎn)生恒定的張力，保證在復(fù)卷過程中不斷紙和松紙、成品紙內(nèi)緊外松的品質(zhì)；對(duì)前后底輥電機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配；線速度長(zhǎng)期穩(wěn)定且調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 針對(duì)這種情況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線為通信方式，PLC為控制核心，西門子矢量控制變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，OP面板為人機(jī)界面的調(diào)速控制系統(tǒng)。 1 現(xiàn)場(chǎng)總線及其阿絡(luò)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線口[2]是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是德國90年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議結(jié)構(gòu)根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型。ISO/OSI協(xié)議模型分為7層，其中PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。物理層定義了物理特性，他上接數(shù)據(jù)鏈路層，下連媒介。發(fā)送時(shí)物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，用物理信號(hào)驅(qū)動(dòng)媒介。接收時(shí)物理層用來對(duì)媒介的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲(chǔ)協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯(cuò)檢測(cè)、出錯(cuò)恢復(fù)、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了應(yīng)用功能，完成信息指令的翻譯，掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義。用戶層是數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件。PROFIBUS總線又分為PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP三種兼容通信方式。其中PROFIBUS-DP（分式式通信系統(tǒng)）采用第一層和第二層，因此通信速度快，數(shù)據(jù)傳輸量大，具有良好的可擴(kuò)展性，成為目前廣大用戶普遍采用的通信方式。 PROFTBUS-DP是一種電氣網(wǎng)絡(luò)，通過RS 485總線標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信，最多可以有126個(gè)站點(diǎn)。PROFIBUS-DP和。PROFIBUS-PA之間可通過DP/PA耦合器（Coupler）或鏈接器（Link）相連接。 PROFIBUS-DP采用主一從系統(tǒng)，主站周期性的輪詢從站，與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線[3]設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，他從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備之間連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行信息和診斷維護(hù)信息送入人機(jī)界面，用戶可以監(jiān)控所有設(shè)備的運(yùn)行狀況，查詢故障原因，并可以根據(jù)復(fù)卷機(jī)工藝的不同要求，設(shè)定和修改工藝參數(shù)（例如張力）。因此，把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和HMI技術(shù)應(yīng)用于復(fù)卷機(jī)已經(jīng)成為復(fù)卷機(jī)自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)和主流。所以本系統(tǒng)以S7-300 PLC為控制中心，采用具有強(qiáng)大和豐富控制功能的西門子6SE70矢量變頻器作為執(zhí)行裝置，OP270操作面板為操作單元組成全數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線復(fù)卷機(jī)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。 系統(tǒng)中PLC是一類主站，OP面板是二類主站，變頻器和遠(yuǎn)程I/O是從站，變頻器對(duì)自身的拖動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行速度閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、啟動(dòng)環(huán)節(jié)、過流過壓保護(hù)控制、工藝調(diào)節(jié)控制、故障檢測(cè)和保護(hù)、電機(jī)溫度監(jiān)視等。PLC作為主站是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停止、爬行、運(yùn)行、微升、微降、速度鏈和負(fù)荷分配、張力控制等功能。OP面板通過PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的停止、爬行、運(yùn)行、微升、微降、點(diǎn)動(dòng)、張力給定操作和調(diào)整以及用戶管理等。 3 網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài) PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)口[3]有3種：純主一從、主一主、多主一從混合系統(tǒng)。主站有：PLC、PC機(jī)、PG編程器、OP操作面板等；從站主要有：變頻器、遠(yuǎn)程I/O、PLC等設(shè)備。由圖2可知，該復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)是多主一從混合系統(tǒng)，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)包括3部分：主站組態(tài)、從站組態(tài)、OP面板組態(tài)。 主站選用S7-300 PLC，CPU選用315-2DP，該CPU有2個(gè)DP接口，1個(gè)可設(shè)置成MPI口，用于與上位機(jī)和PG編程器的通信，另外一個(gè)DP口用于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信用。OP270面板自身帶有DP口可以掛在總線上，變頻器通過PROFIBUS通信卡CBP2和網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)與PLC和OP面板的通信。 3.1 主站組態(tài) 主站是以網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的方式組態(tài)的。在STEP7中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，插入一個(gè)S7-300站，在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)選擇PLC的CPU型號(hào)為315-2DP，在組態(tài)PLC硬件時(shí)，當(dāng)在機(jī)架中放置CPU時(shí)，產(chǎn)生一條總線，并設(shè)定主站地址為2，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)組態(tài)時(shí)設(shè)置傳輸速率為"1.5 Mb/s"，行規(guī)為"DP"，并將其設(shè)置為主站（DP Masller）。 3.2 從站組態(tài) 在PROFIBUS-DP選項(xiàng)中選擇IM153并拖到DP網(wǎng)絡(luò)上，地址設(shè)定為3，4，接著分配I/O地址。然后在PRO-FIBUS-DP選項(xiàng)中選擇"Vector Control DCUVC"，拖動(dòng)連接到DP網(wǎng)絡(luò)上，并定義從站的地址為5。除組網(wǎng)設(shè)定地址和通信速率外，還需要組態(tài)變頻器的通信區(qū)。雙擊變頻器從站圖標(biāo)，進(jìn)入通信接口區(qū)。選擇PZD為"Enterlength"，通信方式根據(jù)復(fù)卷機(jī)傳送數(shù)據(jù)的要求，把MasterDrive的PPO類型設(shè)為PPO2，PKW的通信區(qū)起始地址為256，PZD的通信區(qū)起始地址為264。然后接著組態(tài)另一個(gè)從站，直至3個(gè)變頻器從站組態(tài)完畢。 3.3 OP面板在網(wǎng)絡(luò)中的組態(tài) OP面板也可以作為從站接入DP網(wǎng)。但是OP面板本身要求的實(shí)時(shí)性較高，數(shù)據(jù)的修改需要及時(shí)發(fā)送。如果采用從站方式，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送方式是主站查詢方式，實(shí)時(shí)性不能滿足要求，因此采用主站的方式接入網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)混合系統(tǒng)。OP面板在STEP7中只需要將OP面板圖標(biāo)拖放到ROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，并設(shè)定地址缺省為1。這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就組態(tài)完成，如圖3所示。 4 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的通信方式 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信包括兩個(gè)方面：PLC與變頻器和遠(yuǎn)程I/O，PLC與OP面板之間的通信。主站之間的通信采用令牌方式，主站與從站之問采用主站順序查詢從站方式，從站不能訪問主站，從站之間也不能相互訪問。OP面板與變頻器和遠(yuǎn)程I/O的通信通過PLC完成。 在系統(tǒng)中，主站通信主要是PLC與OP操作面板之間的數(shù)據(jù)傳輸。PLC屬于第一類主站，OP操作面板屬于第二類主站。由于采用令牌環(huán)方式，系統(tǒng)初始化時(shí)，PLC自動(dòng)負(fù)責(zé)生成令牌，并對(duì)令牌的分配進(jìn)行管理。擁有令牌的站點(diǎn)有權(quán)對(duì)總線控制，發(fā)送或讀取某個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。PLC首先將總線上的主站按站號(hào)大小排列形成一個(gè)遞加的序列，再將序列的第一個(gè)站點(diǎn)作為最后一個(gè)站點(diǎn)的下一站點(diǎn)，這樣就形成了一個(gè)邏輯環(huán)。 PLC與變頻器的通信是通過變頻器中插入的通信模塊CBP2板來實(shí)現(xiàn)的，ET200M是通過接口IM153連接在PROFIBUS-DP上與主站PLC進(jìn)行通信，PLC主站周期性輪詢從站。PLC對(duì)ET2020M的操作與PLC本身集成的I/O口的操作一樣。PLC對(duì)變頻器從站讀寫通過調(diào)用S7-300 PLC內(nèi)部的系統(tǒng)功能SFC14和SFC15實(shí)現(xiàn)。在組態(tài)時(shí)設(shè)定的PPO2有6個(gè)PZD字同時(shí)使用，用來發(fā)送控制字和電機(jī)給定頻率，接收變頻器狀態(tài)字和頻率返回值，監(jiān)視變頻器的電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率等參數(shù)；4個(gè)PKW字用來通過PROFIBUS-DP總線修改電機(jī)或變頻器參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)如圖4所示。 5 結(jié) 語 這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)是一種先進(jìn)的控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC技術(shù)組成的全數(shù)字化交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)，有效避免了干擾，提高了系統(tǒng)的控制精度，縮短了設(shè)備的安裝、調(diào)試周期。采用OP面板數(shù)字化操作，使操作簡(jiǎn)單，能動(dòng)態(tài)監(jiān)控被控設(shè)備的運(yùn)行過程和狀態(tài)，修改和設(shè)定工藝參數(shù)，了解報(bào)警信息，使維護(hù)更加方便，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性。