隨著海洋石油開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，各個(gè)海上鉆井平臺(tái)之間，鉆井平臺(tái)與陸地服務(wù)站之間的聯(lián)系越來越緊密，而這些聯(lián)系就通過鋪設(shè)在海底的電纜進(jìn)行，因此海底電纜的鋪設(shè)工作越來越頻繁。在鋪設(shè)海底電纜時(shí)，需要將電纜從電纜盤內(nèi)取出，然后輸送到電纜張緊器，再由張緊器進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)。

電纜在鋪設(shè)完成后，需要將多出電纜盤外面的電纜再放回到電纜盤內(nèi)。這些電纜的取出與傳遞作業(yè)，回收作業(yè)都由半圓塔輪收放纜裝置完成，因此半圓塔輪的工作效率與工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)鋪設(shè)電纜作業(yè)有很大影響，本系統(tǒng)通過PLC與變頻器之間的Profibus-DP通訊，對(duì)整個(gè)半圓塔輪工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，提高了工作效率。

Profibus-DP是一種高速率、低成本的通信連接,它是為自動(dòng)化控制系統(tǒng)和設(shè)備上分散的I/ O 之間進(jìn)行通信而專門設(shè)計(jì)的。它采用RS-485或光纖傳輸技術(shù),最大傳輸速率可以達(dá)到12Mbps，采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線，有以下優(yōu)點(diǎn):

• (1) 開放性、互換性、可集成性。不同廠家的不同產(chǎn)品，只要支持Profibus-DP通訊協(xié)議，都可以很容易地集成到控制系統(tǒng)中,因此控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很高的開放新和互換性，而且通過廠家提供的GSD文件，使得硬件組態(tài)非常方便，不需要太多設(shè)置就能夠?qū)a(chǎn)品輕松的集成到控制系統(tǒng)中。
• (2) 系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)方便?；赑rofibus-DP通訊的控制系統(tǒng)采用總線連接方式，減少了控制系統(tǒng)與I/O設(shè)備之間的連線,只需要一根通訊電纜就可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的連接，減小了故障發(fā)生的概率。硬件上Profibus-DP通訊采用屏蔽雙絞線或光纖,抗干擾能力強(qiáng),同時(shí),系統(tǒng)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分析功能,容易找到故障點(diǎn)，減少了故障查找的工作量。
• (3)由于Profibus-DP通訊最大傳輸速率可以達(dá)到12Mbps，而且主站與從站之間為數(shù)字化通訊，所以可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制。
• (4) 由于互換性強(qiáng)、連接簡(jiǎn)便、可靠性高，可以減少電氣備件與連接電纜的數(shù)量，因此可以降低系統(tǒng)制造與運(yùn)行成本。

半圓塔輪收放纜裝置主動(dòng)輪由西門子MM440系列變頻器通過變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)輪通過鏈條帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，由液壓缸帶動(dòng)夾緊輪上下運(yùn)動(dòng)，使電纜牢固的壓在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上，當(dāng)主動(dòng)輪正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，便實(shí)現(xiàn)電纜的收放動(dòng)作。

半圓塔輪收放纜裝置的控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別是遠(yuǎn)程控制柜和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)程控制柜采用一套西門子S7-300PLC作為主站，控制柜上有開關(guān)與電位器，向PLC發(fā)出各種控制信號(hào)，例如變頻器的啟停命令，方向信號(hào)，頻率信號(hào)，油缸的伸縮命令等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由ET-200、S7-300PLC、變頻器、接觸器、比例板等組成作為從站。

主站與從站之間通過Profibus-DP總線進(jìn)行通訊，從站接收到主站發(fā)出的命令后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)從站又向主站反饋?zhàn)陨淼倪\(yùn)行狀態(tài)，例如變頻器的實(shí)際工作頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)方向等，主站將這些反饋信號(hào)顯示或輸出到觸摸屏和指示燈上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制（系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示）。

圖1 半圓塔輪收放纜裝置控制原理

硬件配置

要使西門子MM440變頻器能夠集成到控制系統(tǒng)中，必須購(gòu)買一塊PROFIBUS通訊模塊，其訂貨號(hào)為6SE6400-1PB00-0AA0，然后將該模塊安裝到變頻器上，通過RS-485接口與ET-200模塊連接。

硬件組態(tài)時(shí)，打開西門子SIMATIC Manager軟件，新建一個(gè)S7-300的項(xiàng)目，CPU選用CPU315-DP，再新建一個(gè)DP總線網(wǎng)絡(luò)，PLC作為主站，然后把ET-200和變頻器都連接到DP總線上。

組態(tài)變頻器時(shí)，在硬件組態(tài)頁(yè)面，從右邊目錄中選擇“Profibus DP/SIMOVERT/MICROMASTER 4”由于MM440僅支持PPO1和PPO3通信類型，所以選擇PPO1，即通訊區(qū)包含4PKW，2PZD，然后為通訊板設(shè)置I/O地址，PKW區(qū)域，I：350-357，O：350-357；PZD區(qū)，I：360-363，O：360-363（硬件組態(tài)畫面如圖2）。

圖2 硬件組態(tài)畫面

硬件組態(tài)完成后，還要對(duì)變頻器如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

• P0700 設(shè)為6 命令源來自PLC
• P1000 設(shè)為6 頻率設(shè)定值來自PLC
• P2051（1） 設(shè)為21 PZD2存儲(chǔ)變頻器實(shí)際輸出頻率值

完成以上設(shè)置后，變頻器與PLC在硬件上就完成了連接。

軟件編程

PLC對(duì)變頻器的控制與監(jiān)測(cè)是通過讀寫兩個(gè)PZD（過程數(shù)據(jù)）和4個(gè)PKW（參數(shù)標(biāo)識(shí)符值）完成的。下面分別說明。

1 對(duì)PZD（過程數(shù)據(jù)）的讀寫

變頻器控制字PZD是一組16位的二進(jìn)制編碼, 其中PZD1控制字控制變頻器的工作模式，包括正反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)，停止，待機(jī)狀態(tài)等，PZD1的每一位二進(jìn)制都有特定的含義, 它規(guī)定了變頻器的工作模式并能夠反映變頻器的工作狀態(tài),PZD1控制字的每一位含義見表一：

表1 MM440變頻器控制字含義

通過向PZD1寫入特定數(shù)據(jù)，就可以控制變頻器的動(dòng)作，例如，向PZD1寫入W#16#47F，就可以使變頻器按照設(shè)定頻率值正向運(yùn)行。同時(shí)，將PZD1的實(shí)際值讀入PLC中，就可以讀出變頻器的實(shí)際工作狀態(tài)。

PZD2是變頻器的頻率設(shè)定控制字，PZD2的值與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:

• 0000 0000 0000 0000 B= 0 Hz
• 0100 0000 0000 0000 B= 50Hz

所以，通過向PZD2寫入數(shù)據(jù)，就可以設(shè)定變頻器的工作頻率，例如，向PZD2寫入W#16#2000時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的設(shè)定頻率為25Hz。通過讀取PZD2的實(shí)際值，我們就可以得到變頻器實(shí)際輸出的頻率值，從而可以得到轉(zhuǎn)速信息。

在需要對(duì)PZD進(jìn)行讀寫時(shí)，我們需要調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15，這兩個(gè)特殊功能塊可以在SIMATIC Manager軟件的\Standard Library\System Function Blocks 中直接復(fù)制調(diào)用。其中SFC14為主站讀取Profibus從站數(shù)據(jù)，SFC15為向Profibus從站寫入數(shù)據(jù)。

為了方便讀寫數(shù)據(jù)，我們建立數(shù)據(jù)塊DB3，與從站的PZD相對(duì)應(yīng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，PZD1的值是通過遠(yuǎn)程控制柜上的開關(guān)進(jìn)行設(shè)置的，遠(yuǎn)程控制柜上有正反轉(zhuǎn)開關(guān)，停止開關(guān)，操作這些開關(guān)，然后在程序中通過“MOVE”指令，就可以將實(shí)際操作命令發(fā)送到數(shù)據(jù)塊DB3，然后通過SFC15寫入MM440變頻器中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。

PZD2的值是變頻器的頻率設(shè)定值，在控制系統(tǒng)中，通過S7-300的模擬量輸入模塊采集一個(gè)頻率設(shè)定電位器R1輸出的0-10V的模擬量信號(hào)，通過SIMATIC Manager軟件的\Standard Library\S5-S7 Converting Blocks中的FC105模擬量轉(zhuǎn)換工程量功能塊轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)塊DB1中，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

• 0V 0000 0000 0000 0000 B 0 Hz
• 10V 0100 0000 0000 0000 B 50Hz

調(diào)節(jié)電位器時(shí)，通過FC105轉(zhuǎn)換再通過“MOVE”指令，就將頻率設(shè)定值發(fā)送到數(shù)據(jù)塊DB3，然后通過SFC15寫入MM440變頻器中，實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

設(shè)定值的傳送如圖3。

圖3 變頻器設(shè)定值傳送

當(dāng)需要變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作遠(yuǎn)程控制柜上的旋鈕開關(guān)，向PLC發(fā)出命令，然后通過Profibus-DP總線通訊，PLC向變頻器發(fā)送指令，變頻器開始動(dòng)作，如圖4。

圖4 變頻器與PLC通訊程序

同時(shí)，變頻器向PLC反饋實(shí)際的工作狀態(tài)，存儲(chǔ)到DB3中，PLC讀取DB3中的變頻器狀態(tài)參數(shù)，然后顯示到觸摸屏和相應(yīng)的指示燈上。

2 對(duì)PKW（參數(shù)標(biāo)識(shí)符值）的讀寫

對(duì)PKW區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫也是通過調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15完成的。PKW一般是4個(gè)字，定義如下：

• PKE 參數(shù)標(biāo)識(shí)符
• IND 索引
• PWE 參數(shù)值
• PWE 參數(shù)值

通過對(duì)PKW區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫，就能夠得到變頻器實(shí)際的參數(shù)設(shè)定值，并能對(duì)參數(shù)值進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程的參數(shù)化，方便對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)定。

結(jié)束語(yǔ)

S7-300PLC通過Profibus-DP總線通訊實(shí)現(xiàn)了對(duì)MM440變頻器的控制，半圓塔輪收放纜裝置在實(shí)際的使用中，減少了遠(yuǎn)程控制柜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連接電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性，使變頻器的參數(shù)修改更加容易操作，可以方便根據(jù)不同工況進(jìn)行快速的修改和調(diào)整。

同時(shí)變頻器的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便用戶使用。該裝置投入使用后，運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便，在收放纜作業(yè)中提高了生產(chǎn)效率，收到了用戶好評(píng)。相信類似的系統(tǒng)會(huì)有很廣泛的應(yīng)用。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于Profibus-DP總線的半圓塔輪收放纜裝置控制系統(tǒng)的研究”，作者為王東峰、于洋 等。）