如何設計海底電纜的收放設備遠程控制系統?

PLC與變頻器之間通過Profibus-DP總線通訊實現對半圓塔輪收放纜裝置實現遠程控制，提高系統的可靠性與操作性。該系統由西門子S7-300系列PLC，TP170A觸控螢幕，MM440變頻器，壓力傳感器及編碼器組成，對收放纜過程進行遠程控制。

隨著海洋石油開發事業的發展，各個海上鑽井平臺之間，鑽井平臺與陸地服務站之間的聯繫越來越緊密，而這些聯繫就通過鋪設在海底的電纜進行，因此海底電纜的鋪設工作越來越頻繁。在鋪設海底電纜時，需要將電纜從電纜盤內取出，然後輸送到電纜張緊器，再由張緊器進行鋪設作業。

電纜在鋪設完成後，需要將多出電纜盤外面的電纜再放回到電纜盤內。這些電纜的取出與傳遞作業，回收作業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對整個鋪設電纜作業有很大影響，本系統通過PLC與變頻器之間的Profibus-DP通訊，對整個半圓塔輪工作狀態進行控制和監測，提高了工作效率。

Profibus-DP是一種高速率、低成本的通信連接,它是為自動化控制系統和設備上分散的I/ O 之間進行通信而專門設計的。它採用RS-485或光纖傳輸技術,最大傳輸速率可以達到12Mbps，採用PROFIBUS-DP 現場總線，有以下優點:

(1) 開放性、互換性、可集成性。不同廠家的不同產品，只要支持Profibus-DP通訊協議，都可以很容易地集成到控制系統中,因此控制系統可以實現很高的開放新和互換性，而且通過廠家提供的GSD文件，使得硬體組態非常方便，不需要太多設置就能夠將產品輕鬆的集成到控制系統中。(2) 系統可靠性高、維護方便。基於Profibus-DP通訊的控制系統採用總線連接方式，減少了控制系統與I/O設備之間的連線,只需要一根通訊電纜就可以實現控制系統與現場的連接，減小了故障發生的概率。硬體上Profibus-DP通訊採用屏蔽雙絞線或光纖,抗幹擾能力強,同時,系統具有對現場設備的分析功能,容易找到故障點，減少了故障查找的工作量。(3)由於Profibus-DP通訊最大傳輸速率可以達到12Mbps，而且主站與從站之間為數位化通訊，所以可以實現高速、高精度控制。(4) 由於互換性強、連接簡便、可靠性高，可以減少電氣備件與連接電纜的數量，因此可以降低系統製造與運行成本。半圓塔輪收放纜裝置主動輪由西門子MM440系列變頻器通過變頻電機驅動，主動輪通過鏈條帶動從動輪運動，由液壓缸帶動夾緊輪上下運動，使電纜牢固的壓在主動輪和從動輪上，當主動輪正反向運動時，便實現電纜的收放動作。

半圓塔輪收放纜裝置的控制系統由兩部分組成，分別是遠程控制櫃和執行機構。遠程控制櫃採用一套西門子S7-300PLC作為主站，控制柜上有開關與電位器，向PLC發出各種控制信號，例如變頻器的啟停命令，方向信號，頻率信號，油缸的伸縮命令等。執行機構由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總線進行通訊，從站接收到主站發出的命令後，執行相應的動作，同時從站又向主站反饋自身的運行狀態，例如變頻器的實際工作頻率與轉動方向等，主站將這些反饋信號顯示或輸出到觸控螢幕和指示燈上，從而實現整個系統的控制（系統構成如圖1所示）。

圖1 半圓塔輪收放纜裝置控制原理

硬體配置

要使西門子MM440變頻器能夠集成到控制系統中，必須購買一塊PROFIBUS通訊模塊，其訂貨號為6SE6400-1PB00-0AA0，然後將該模塊安裝到變頻器上，通過RS-485接口與ET-200模塊連接。

硬體組態時，打開西門子SIMATIC Manager軟體，新建一個S7-300的項目，CPU選用CPU315-DP，再新建一個DP總線網絡，PLC作為主站，然後把ET-200和變頻器都連接到DP總線上。

組態變頻器時，在硬體組態頁面，從右邊目錄中選擇「Profibus DP/SIMOVERT/MICROMASTER 4」由於MM440僅支持PPO1和PPO3通信類型，所以選擇PPO1，即通訊區包含4PKW，2PZD，然後為通訊板設置I/O地址，PKW區域，I：350-357，O：350-357；PZD區，I：360-363，O：360-363（硬體組態畫面如圖2）。

圖2 硬體組態畫面

硬體組態完成後，還要對變頻器如下參數進行設置：

P0700 設為6 命令源來自PLCP1000 設為6 頻率設定值來自PLCP2051（1） 設為21 PZD2存儲變頻器實際輸出頻率值完成以上設置後，變頻器與PLC在硬體上就完成了連接。

軟體編程

PLC對變頻器的控制與監測是通過讀寫兩個PZD（過程數據）和4個PKW（參數標識符值）完成的。下面分別說明。

1 對PZD（過程數據）的讀寫

變頻器控制字PZD是一組16位的二進位編碼, 其中PZD1控制字控制變頻器的工作模式，包括正反轉，啟動，停止，待機狀態等，PZD1的每一位二進位都有特定的含義, 它規定了變頻器的工作模式並能夠反映變頻器的工作狀態,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寫入特定數據，就可以控制變頻器的動作，例如，向PZD1寫入W#16#47F，就可以使變頻器按照設定頻率值正向運行。同時，將PZD1的實際值讀入PLC中，就可以讀出變頻器的實際工作狀態。

PZD2是變頻器的頻率設定控制字，PZD2的值與頻率的對應關係為:

0000 0000 0000 0000 B= 0 Hz0100 0000 0000 0000 B= 50Hz所以，通過向PZD2寫入數據，就可以設定變頻器的工作頻率，例如，向PZD2寫入W#16#2000時，對應變頻器的設定頻率為25Hz。通過讀取PZD2的實際值，我們就可以得到變頻器實際輸出的頻率值，從而可以得到轉速信息。

在需要對PZD進行讀寫時，我們需要調用特殊功能塊SFC14和SFC15，這兩個特殊功能塊可以在SIMATIC Manager軟體的\Standard Library\System Function Blocks 中直接複製調用。其中SFC14為主站讀取Profibus從站數據，SFC15為向Profibus從站寫入數據。

為了方便讀寫數據，我們建立數據塊DB3，與從站的PZD相對應。

在實際應用中，PZD1的值是通過遠程控制柜上的開關進行設置的，遠程控制柜上有正反轉開關，停止開關，操作這些開關，然後在程序中通過「MOVE」指令，就可以將實際操作命令發送到數據塊DB3，然後通過SFC15寫入MM440變頻器中，實現相應的動作。

PZD2的值是變頻器的頻率設定值，在控制系統中，通過S7-300的模擬量輸入模塊採集一個頻率設定電位器R1輸出的0-10V的模擬量信號，通過SIMATIC Manager軟體的\Standard Library\S5-S7 Converting Blocks中的FC105模擬量轉換工程量功能塊轉換成PLC能夠識別的數據存儲到數據塊DB1中，對應關係如下：

0V 0000 0000 0000 0000 B 0 Hz10V 0100 0000 0000 0000 B 50Hz調節電位器時，通過FC105轉換再通過「MOVE」指令，就將頻率設定值發送到數據塊DB3，然後通過SFC15寫入MM440變頻器中，實現頻率的調節進而改變電機的轉速。

設定值的傳送如圖3。

圖3 變頻器設定值傳送

當需要變頻器運轉時，操作遠程控制柜上的旋鈕開關，向PLC發出命令，然後通過Profibus-DP總線通訊，PLC向變頻器發送指令，變頻器開始動作，如圖4。

圖4 變頻器與PLC通訊程序

同時，變頻器向PLC反饋實際的工作狀態，存儲到DB3中，PLC讀取DB3中的變頻器狀態參數，然後顯示到觸控螢幕和相應的指示燈上。

2 對PKW（參數標識符值）的讀寫

對PKW區數據進行讀寫也是通過調用特殊功能塊SFC14和SFC15完成的。PKW一般是4個字，定義如下：

PKE 參數標識符IND 索引PWE 參數值PWE 參數值通過對PKW區數據的讀寫，就能夠得到變頻器實際的參數設定值，並能對參數值進行修改，實現變頻器遠程的參數化，方便對變頻器進行設定。

結束語

S7-300PLC通過Profibus-DP總線通訊實現了對MM440變頻器的控制，半圓塔輪收放纜裝置在實際的使用中，減少了遠程控制櫃與執行機構之間的連接電纜，提高了系統的可靠性，使變頻器的參數修改更加容易操作，可以方便根據不同工況進行快速的修改和調整。

同時變頻器的主要運行數據都可以進行監測，方便用戶使用。該裝置投入使用後，運行平穩，操作簡便，在收放纜作業中提高了生產效率，收到了用戶好評。相信類似的系統會有很廣泛的應用。

（編自《電氣技術》，原文標題為「基於Profibus-DP總線的半圓塔輪收放纜裝置控制系統的研究」，作者為王東峰、于洋 等。）