山东临清新投产的4400/550高级瓦楞原纸造纸机中，有24个传动点，四组负荷分配，3个张力控制点，总功率为2216.5kw。系统信息采集点多，通讯数据量大，通讯响应时间要短，若采取西门子s7200系列plc和modbus通讯以不能满足系统要求。故选用了西门子大型s7-400cpu为414-dp，采用通讯速率高（12mbps）、信息处理能力更强的profibus-dp网络，在现场设置5个操作屏，可实时监控纸机运行。并可与车间管理级计算机，dcs控制系统，qcs控制系统，工业以太网进行高速数据交换。是国内先进的纸机自动化控制系统。
2、profibus现场总线技术
profibus是process fieldbus的缩写，是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。
profibus的网络协议是以iso颁布的osi标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化，因此可以说它的标准适应性强。此外它的三种模块（dp、fms和pa）又可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，开放性也好。
2.1 纸机控制系统结构
本控制系统采用交流变频传动控制，系统为三级控制方式，如图1所示。传动系统第一级为变频器控制级，变频器采用abb公司acs600系列直接转矩控制（dtc）变频器，配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。变频器上还配有profibus-dp通讯板npba-12，与上位plc组成profibus-dp现场总线控制网络。
图1 纸机控制系统拓扑结构图
传动系统第二级为plc控制系统，plc采用西门子公司大型s7-400 cpu为414-2dp，操作台控制选用西门子op27彩色操作屏, s7-400与变频器、op27操作屏组成profibus-dp现场总线控制网络, 完成整个纸机操作控制。
传动系统第三级为上位优化控制系统，采用dell公司工业控制计算机,配置为piv1.7g/21"，用于整个纸机传动系统状态监控。上位机采用西门子组态软件wincc，可以通过工业以太网与qcs上位机、dcs上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制，实现纸机传动控制系统优化控制和自动控制。
2.2 profibus dp网络硬件配置
每台变频器通过npba-12转接卡挂接到profibus-dp网，全部采用光纤连接。故每台变频器需要一个npba-12。s7-400plc通过rs485接口和dp网络相连，profibus-dp网可采用屏蔽双绞线组成。因系统有24个主传动点，距离较长，为便于操作监控，在不同分部设置一个彩色操作屏op27，共有5台。它们通过profibus总线和s7-400 plc相连。在dp网上，另挂两台s7-200plc，都配有em227 profibus-dp接口，其作为主s7-400的从站。一台用于卷纸机自动换卷，另一台完成电气一体化辅助控制。上位机与s7-400 plc之间采用profibus-dp通讯方式控制，构成上位优化控制系统。此外，开放式的profibus-dp网络可与dcs控制系统、qcs控制系统、工业以太网连接。与其进行信息数据交换，共同组成一个现代化的自动控制系统。
2.3 profibus-dp网络软件配置
上位机软件配置为西门子公司的wincc组态软件，wincc与s7- 400组成profibus-dp网络，可自由通讯，不需再另外设置。s7- 400plc采用step7 v5.1编程软件。step7 v5.1支持多种windows操作系统，可运行于windows nt、win98、win2000等操作系统下，编程方便快捷。s7-200plc采用microwin编程软件，根据编程人员的不同习惯可采用梯形图、语句表、功能图语言编程。op27是大型彩色操作屏，配有专用的protool编程工具。
3、profibus-dp通讯功能及传输技术
profibus协议的结构定向根据iso7498国际标准以开放系统互联网络osi为参考模型，profibus-dp只用了第一层、第二层和用户接口,第三层到第七层未加描述[2],如图2所示。
图2 profibus-dp网络七层结构
第一层－phy，规定了线路介质、屋里连接的类型和电气特性。profibus-dp通过差分电压输出的rs485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线连接。第二层－mac，描述了连接到传输介质的总线存取方法。profibus-dp采用一种混合访问方法。第二层－flc，规定了对低层接口。第二层－fma1/2完成第二层－mac特定总线参数设定和第一层设定。
profibus-dp是主从通讯和令牌通讯的结合，该系统分为主战和从站。主站和从站之间靠主站的查询和从站的响应进行通讯。主站和主站之间靠得到总线控制权（令牌）进行通讯。具体到临清4400/550瓦楞纸机profibus-dp网络，命令传输图如图3所示:
图3 命令传输图
现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，rs-485是profibus-dp最常用的一种，通称为h2，采用屏蔽双绞铜线电缆，共用一根导线。rs-485每段最多32个站点, 带转发器最多可到127点。传输可选9.6kbps～12mbps, 一旦运行，全部设备均采用同一传输速度，电缆最大长度取决于传输速度，如附表所示:
4、三级系统功能
4.1 上位机优化控制系统具有的功能
根据生产不同品种的纸张可以记录各种状态下纸机传动系统运行状况，即车速和各分部速度变比。在变更生产纸张品种或车速时，计算机可以根据已经记录的传动系统运行参数自动控制plc执行。这样在变更生产需求时传动系统自动适应当前传动要求，不用对纸机进行调试。提高自动化操作与控制程度。
可以接受厂级、车间级管理级、dcs、qcs上位机的指令，控制传动系统的工作状态。完成纸机的优化控制和自动控制。系统具有报警功能，当传动系统出现故障自动报警，并能自动诊断故障原因，提示操作人员如何处理。可以显示分部速度、电流、转矩的历史曲线。
可以生成即时报表、定时报表，并能通过打印输出。计算机上还配有模拟纸机电路图，采用动画技术显示纸机运行状况，使您在工作的同时有身临其境的感受。可以与dcs、qcs及其它系统联网控制。
4.2 s7-400plc及op27功能
s7-400plc为传动控制中心，主要功能为通过profibus-dp总线对现场控制信号的采集，速度链控制及计算，负荷分配控制功能和恒张力控制。plc根据工艺要求，可完成速度链的控制处理。并通过现场总线控制各分部变频器的运行速度。
本系统共有五组负荷分配要求，plc可根据现场采集的电流、转矩数据，动态调节负荷分配系数，完成负荷分配功能。计算平均负荷转矩方法如下列公式所示[1]。
plc根据平均期望转矩m和实际转矩mli比较进行调节。
在半干压上下棍和卷取部采用张力控制。通过张力反馈信号，自动进行恒张力控制。张力传感器采用abb压迫式（枕式）张力传感器。s7-400plc和op27操作屏，通过profibus-dp总线相连，op27通过dp总线得到plc采集的数据信息，并将指令、数据信息经dp总线传输给plc，由s7-400plc动态调节各分部传动性能和各分部恒张力控制，进行实时监控。
辅助s7-200plc，作为s7-400plc的从站，与主站配合完成自动换卷功能。这种分散式dcs控制系统，简化系统结构，保证系统的可靠性。另一台plc安装在压榨部操作台，通过em277与主plc组成dp网，完成电气一体化辅助控制。控制各种连锁、保护控制功能。
4.3 变频器控制功能
本系统采用abb公司的acs600和acs800系列直接转矩控制（dtc）变频器，配有光电编码器速度反馈，构成速度闭环控制系统。每台变频器配有一个npba-12，可和profibus-dp网络连接，与plc和操作屏通讯，接受来自现场操作屏的指令信息，动态调整电机运行状态。
5 结束语
自调试完成到现在纸机已正常生产两个月，系统运行正常，profibus-dp网络稳定无故障。主站s7-400plc与从站正常通讯，并和上位优化控制系统通讯良好，同时和dcs控制系统、qcs控制系统正常通讯。可通过现场操作屏对纸机进行控制，在任意一操作屏上都能修改全局参数，避免操作人员往返于各个操作台之间。系统响应速度快，精度高。很好发挥了profibus-dp网络的优越性能，得到用户的肯定。
参考文献
[1] 孟彦京. 造纸机变频传动原理与设计. 西安:陕西人民出版社,2002.
[2] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京:清华大学出版社,1999.
