如何建海底电缆 如何设计海底电缆的收放设备远程控制系统

PLC与变频器之间通过Profibus-DP总线通讯实现对半圆塔轮收放缆装置实现远程控制，提高系统的可靠性与操作性。该系统由西门子S7-300系列PLC，TP170A触摸屏，MM440变频器，压力传感器及编码器组成，对收放缆过程进行远程控制。

随着海洋石油开发事业的发展，各个海上钻井平台之间，钻井平台与陆地服务站之间的联系越来越紧密，而这些联系就通过铺设在海底的电缆进行，因此海底电缆的铺设工作越来越频繁。在铺设海底电缆时，需要将电缆从电缆盘内取出，然后输送到电缆张紧器，再由张紧器进行铺设作业。

电缆在铺设完成后，需要将多出电缆盘外面的电缆再放回到电缆盘内。这些电缆的取出与传递作业，回收作业都由半圆塔轮收放缆装置完成，因此半圆塔轮的工作效率与工作状态对整个铺设电缆作业有很大影响，本系统通过PLC与变频器之间的Profibus-DP通讯，对整个半圆塔轮工作状态进行控制和监测，提高了工作效率。

Profibus-DP是一种高速率、低成本的通信连接,它是为自动化控制系统和设备上分散的I/ O 之间进行通信而专门设计的。它采用RS-485或光纤传输技术,最大传输速率可以达到12Mbps，采用PROFIBUS-DP 现场总线，有以下优点:

• (1) 开放性、互换性、可集成性。不同厂家的不同产品，只要支持Profibus-DP通讯协议，都可以很容易地集成到控制系统中,因此控制系统可以实现很高的开放新和互换性，而且通过厂家提供的GSD文件，使得硬件组态非常方便，不需要太多设置就能够将产品轻松的集成到控制系统中。
• (2) 系统可靠性高、维护方便。基于Profibus-DP通讯的控制系统采用总线连接方式，减少了控制系统与I/O设备之间的连线,只需要一根通讯电缆就可以实现控制系统与现场的连接，减小了故障发生的概率。硬件上Profibus-DP通讯采用屏蔽双绞线或光纤,抗干扰能力强,同时,系统具有对现场设备的分析功能,容易找到故障点，减少了故障查找的工作量。
• (3)由于Profibus-DP通讯最大传输速率可以达到12Mbps，而且主站与从站之间为数字化通讯，所以可以实现高速、高精度控制。
• (4) 由于互换性强、连接简便、可靠性高，可以减少电气备件与连接电缆的数量，因此可以降低系统制造与运行成本。

半圆塔轮收放缆装置主动轮由西门子MM440系列变频器通过变频电机驱动，主动轮通过链条带动从动轮运动，由液压缸带动夹紧轮上下运动，使电缆牢固的压在主动轮和从动轮上，当主动轮正反向运动时，便实现电缆的收放动作。

半圆塔轮收放缆装置的控制系统由两部分组成，分别是远程控制柜和执行机构。远程控制柜采用一套西门子S7-300PLC作为主站，控制柜上有开关与电位器，向PLC发出各种控制信号，例如变频器的启停命令，方向信号，频率信号，油缸的伸缩命令等。执行机构由ET-200、S7-300PLC、变频器、接触器、比例板等组成作为从站。

主站与从站之间通过Profibus-DP总线进行通讯，从站接收到主站发出的命令后，执行相应的动作，同时从站又向主站反馈自身的运行状态，例如变频器的实际工作频率与转动方向等，主站将这些反馈信号显示或输出到触摸屏和指示灯上，从而实现整个系统的控制（系统构成如图1所示）。

图1 半圆塔轮收放缆装置控制原理

要使西门子MM440变频器能够集成到控制系统中，必须购买一块Profibus通讯模块，其订货号为6SE6400-1PB00-0AA0，然后将该模块安装到变频器上，通过RS-485接口与ET-200模块连接。

硬件组态时，打开西门子SIMATIC Manager软件，新建一个S7-300的项目，CPU选用CPU315-DP，再新建一个DP总线网络，PLC作为主站，然后把ET-200和变频器都连接到DP总线上。

组态变频器时，在硬件组态页面，从右边目录中选择“Profibus DP/SIMOVERT/MICROMASTER 4”由于MM440仅支持PPO1和PPO3通信类型，所以选择PPO1，即通讯区包含4PKW，2PZD，然后为通讯板设置I/O地址，PKW区域，I：350-357，O：350-357；PZD区，I：360-363，O：360-363（硬件组态画面如图2）。

图2 硬件组态画面

硬件组态完成后，还要对变频器如下参数进行设置：

• P0700 设为6 命令源来自PLC
• P1000 设为6 频率设定值来自PLC
• P2051（1） 设为21 PZD2存储变频器实际输出频率值

完成以上设置后，变频器与PLC在硬件上就完成了连接。

PLC对变频器的控制与监测是通过读写两个PZD（过程数据）和4个PKW（参数标识符值）完成的。下面分别说明。

1 对PZD（过程数据）的读写

变频器控制字PZD是一组16位的二进制编码, 其中PZD1控制字控制变频器的工作模式，包括正反转，启动，停止，待机状态等，PZD1的每一位二进制都有特定的含义, 它规定了变频器的工作模式并能够反映变频器的工作状态,PZD1控制字的每一位含义见表一：

表1 MM440变频器控制字含义

通过向PZD1写入特定数据，就可以控制变频器的动作，例如，向PZD1写入W#16#47F，就可以使变频器按照设定频率值正向运行。同时，将PZD1的实际值读入PLC中，就可以读出变频器的实际工作状态。

PZD2是变频器的频率设定控制字，PZD2的值与频率的对应关系为:

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

所以，通过向PZD2写入数据，就可以设定变频器的工作频率，例如，向PZD2写入W#16#2000时，对应变频器的设定频率为25Hz。通过读取PZD2的实际值，我们就可以得到变频器实际输出的频率值，从而可以得到转速信息。

在需要对PZD进行读写时，我们需要调用特殊功能块SFC14和SFC15，这两个特殊功能块可以在SIMATIC Manager软件的\Standard Library\System Function Blocks 中直接复制调用。其中SFC14为主站读取Profibus从站数据，SFC15为向Profibus从站写入数据。

为了方便读写数据，我们建立数据块DB3，与从站的PZD相对应。

在实际应用中，PZD1的值是通过远程控制柜上的开关进行设置的，远程控制柜上有正反转开关，停止开关，操作这些开关，然后在程序中通过“MOVE”指令，就可以将实际操作命令发送到数据块DB3，然后通过SFC15写入MM440变频器中，实现相应的动作。

PZD2的值是变频器的频率设定值，在控制系统中，通过S7-300的模拟量输入模块采集一个频率设定电位器R1输出的0-10V的模拟量信号，通过SIMATIC Manager软件的\Standard Library\S5-S7 Converting Blocks中的FC105模拟量转换工程量功能块转换成PLC能够识别的数据存储到数据块DB1中，对应关系如下：

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

调节电位器时，通过FC105转换再通过“MOVE”指令，就将频率设定值发送到数据块DB3，然后通过SFC15写入MM440变频器中，实现频率的调节进而改变电机的转速。

设定值的传送如图3。

图3 变频器设定值传送

当需要变频器运转时，操作远程控制柜上的旋钮开关，向PLC发出命令，然后通过Profibus-DP总线通讯，PLC向变频器发送指令，变频器开始动作，如图4。

图4 变频器与PLC通讯程序

同时，变频器向PLC反馈实际的工作状态，存储到DB3中，PLC读取DB3中的变频器状态参数，然后显示到触摸屏和相应的指示灯上。

2 对PKW（参数标识符值）的读写

对PKW区数据进行读写也是通过调用特殊功能块SFC14和SFC15完成的。PKW一般是4个字，定义如下：

• PKE 参数标识符
• IND 索引
• PWE 参数值
• PWE 参数值

通过对PKW区数据的读写，就能够得到变频器实际的参数设定值，并能对参数值进行修改，实现变频器远程的参数化，方便对变频器进行设定。

S7-300PLC通过Profibus-DP总线通讯实现了对MM440变频器的控制，半圆塔轮收放缆装置在实际的使用中，减少了远程控制柜与执行机构之间的连接电缆，提高了系统的可靠性，使变频器的参数修改更加容易操作，可以方便根据不同工况进行快速的修改和调整。

同时变频器的主要运行数据都可以进行监测，方便用户使用。该装置投入使用后，运行平稳，操作简便，在收放缆作业中提高了生产效率，收到了用户好评。相信类似的系统会有很广泛的应用。

（编自《电气技术》，原文标题为“基于Profibus-DP总线的半圆塔轮收放缆装置控制系统的研究”，作者为王东峰、于洋 等。）