基于西門子s7—4OO PLC和工控機(jī)的控制系統(tǒng)在高線廠中的應(yīng)用

1 、概述

PROFIBUS（Process Field Bus一過程現(xiàn)場總線）是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS由Profibus—FMS，Profibus—PA和Profibus—DP三部分組成，其中Profibus—DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場級，是一種高速（可達(dá)12Mbps）和便宜的通信連接，它被設(shè)計為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I／O之間進(jìn)行通信使用。

2003年高線廠改造，在加熱爐和精整生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)中就采用了西門子公司的過程現(xiàn)場總線（PROFIBUS）網(wǎng)絡(luò)，在硬件配置、軟件編程上充分應(yīng)用工控機(jī)、PLC、遠(yuǎn)程I／O、交流變頻裝置及現(xiàn)場智能儀表的通信連接，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“三電一體”。

2、 通訊機(jī)理

再簡單的網(wǎng)絡(luò)也需要傳輸介質(zhì)和傳輸協(xié)議，這一點(diǎn)，PROFIBUS—DP網(wǎng)也不例外，PROFIBUS—DP參考模型是根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的第一層（物理層）、第二層（鏈路層）和用戶層建立的，根據(jù)實(shí)際需要省去了OSI（Open System Interconnection）參考模型七層協(xié)議的3—6層。

2．1 物理層

PROFIBUS—DP的物理層與OSI參考模型的物理層相同，其主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為第二層數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，傳送數(shù)據(jù)流，它采用RS485協(xié)議，半雙工方式，可以用光纜或屏蔽雙絞線，這主要取決于傳輸速率，當(dāng)然也要考慮實(shí)際成本，可根據(jù)個人需要加以選擇。我廠現(xiàn)場總線網(wǎng)使用的是屏蔽雙絞線，實(shí)際使用基本能滿足需要。

2．2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層是比較復(fù)雜的一部分，它主要是通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS—DP網(wǎng)包括兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線方式和主一從方式。令牌總線方式與IEEE802．4規(guī)約相一致，其實(shí)質(zhì)也就是令牌總線網(wǎng)。PROFIBUS—DP網(wǎng)可以由一個主站和多個從站組成，s7—300和s7—400都能在PROFIBUS—DP網(wǎng)中作主站和從站使用，這時候就使用主一從方式。當(dāng)兩個以上SIMATIC s5和s7作為主站組成多主系統(tǒng)時，因?yàn)橹髡驹趥鬏敂?shù)據(jù)時擁有相同的總線控制權(quán)，所以傳輸數(shù)據(jù)時就存在誰占據(jù)總線的問題。這時候令牌發(fā)揮了作用，令牌是一種特殊的電文，在主站之間傳遞控制權(quán)。令牌總線方式使某個得到令牌的主站可在事先規(guī)定的時間內(nèi)得到總線控制權(quán)，在這個時間段內(nèi)該主站與其他主站或與下一級主一從過程中的從站進(jìn)行通訊，在該主站控制時間終了時，它將主站令牌傳遞給下一個主站。

2．3 用戶層

PROFIBUS—DP網(wǎng)沒有使用OSI參考模型的應(yīng)用層，而是自己定義了第8層——用戶層，這一層與用戶接觸比較多，它主要定義了DP的功能、行規(guī)及擴(kuò)展功能。

3 、控制系統(tǒng)組成及相應(yīng)配置

結(jié)合我廠的現(xiàn)場具體設(shè)備情況了解一下DP網(wǎng)的實(shí)際使用。

3．1 組成

現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)分為兩級：過程控制級和設(shè)備控制級。過程控制級負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行過程監(jiān)控，設(shè)備控制級對液壓站、變頻器、操作的對象進(jìn)行控制。高線廠的精整和加熱爐自控系統(tǒng)都是由馬鋼設(shè)計院設(shè)計的，現(xiàn)在以精整集卷筒為例來分析DP網(wǎng)的組成。

由一臺s7—4OO PLC和一臺工控機(jī)通過高速以太網(wǎng)構(gòu)成本系統(tǒng)的過程控制級，PLC下設(shè)若干ET200M遠(yuǎn)程I／O從站，它們之間通過PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，構(gòu)成本系統(tǒng)的設(shè)備控制級。圖1是集卷網(wǎng)絡(luò)配置簡圖的一部分，用以解釋其工作原理。

3．2 配置

硬件配置如下：一臺西門子PⅢ工控機(jī)作為上位機(jī)和人機(jī)接口（HMI），內(nèi)部裝有以太網(wǎng)卡，通過以太網(wǎng)與主PLC的CP443模板相連；過程控制部分采用一臺西門子s7—400 PLC作為主控。

3．3 主站

用于主站的PLC是西門子s7—4OO，它是一種先進(jìn)的可編程邏輯控制器，數(shù)字處理能力強(qiáng)，易于安裝和配置，并提供比較先進(jìn)的編程環(huán)境，它區(qū)別與s5的DOS編程界面，而是采用Windows界面便于操作。s7—400 PLC內(nèi)部集成有PROFIBUS—DP端口通過DP網(wǎng)與從站相連，組態(tài)靈活，操作簡潔。該P(yáng)LC內(nèi)編輯有集卷筒動作的全部程序，現(xiàn)場的操作和檢測信號通過DP網(wǎng)傳到PLC，運(yùn)行相應(yīng)程序后PLC將有關(guān)指令再通過DP網(wǎng)送給現(xiàn)場的相應(yīng)設(shè)備，如液壓閥、指示燈、氣閥等。

3．4 ET200M從站

圖1中的從站使用的是ET200M，是一種應(yīng)用S7— 300模塊系列的模塊化分布式的I／O裝置，它通過接口模塊IM153與PROnBuS—DP現(xiàn)場總線相連，可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)和接受來自主站的數(shù)據(jù)及I／O配制。我們采用屏蔽雙絞線將主站CPU的DP接口與各自控制區(qū)域內(nèi)所有ET200M從站DP接口依次串接。圖中的AOS編號為操作臺，主操作臺AOS10的操作箱內(nèi)裝有一套ET200M，還裝有一套西門子薄膜鍵盤，都通過接口掛在PROFIBUS—DP網(wǎng)上，操作人員通過薄膜鍵盤操作集卷的相應(yīng)設(shè)備；圖中的AOC編號為現(xiàn)場操作箱，也各自裝有一套ET200M，操作人員通過操作箱的開關(guān)、按鈕來操作設(shè)備，開關(guān)、按鈕的信號被ET200M采集后通過DP網(wǎng)送到PLC，程序執(zhí)行后將指令通過DP網(wǎng)送到相應(yīng)地址的ET200M，再送到控制對象。每個ET21X）M從站可擴(kuò)展8塊s7—300 I／O模塊，在硬件配置時，STEP‘／為各個I／O模塊分配了輸入、輸出地址，只要有地址就可以通過DP網(wǎng)找到相應(yīng)的地址所賦予的設(shè)備。因?yàn)镋T200M可以安裝在現(xiàn)場，對環(huán)境要求不高，所以可以安裝在操作臺、操作箱等處，這樣可以節(jié)省大量電纜，實(shí)際維護(hù)時也減少大量工作量，使系統(tǒng)更可靠，采用薄膜鍵盤也達(dá)到了相同的效果，沒有了大量連接線，故障率自然大大降低，但在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，薄膜鍵盤對溫度比較敏感，溫度過高極易造成鍵盤死機(jī)，日常維護(hù)也要適當(dāng)注意DP網(wǎng)插頭和RAM 卡是否松動。另外在ET200M或者薄膜鍵盤DP口與網(wǎng)絡(luò)相連或斷開時，網(wǎng)線插頭上有一個開關(guān)必須打在ON位置，否則網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。

3．5 交流變頻從站

當(dāng)系統(tǒng)中有交流電機(jī)需變頻調(diào)速時，作為從站使用的變頻器都可以掛在DP網(wǎng)上，對電機(jī)進(jìn)行開、閉環(huán)控制。在接入DP網(wǎng)中作為網(wǎng)中的現(xiàn)場設(shè)備，變頻器必須與CB通訊板相連，接入網(wǎng)中作為從站使用，接受從主站SIMATICs5或s7的控制。CB通訊板將從DP網(wǎng)中接收到的過程數(shù)據(jù)存入雙向RAM，雙向RAM被編址，變頻器端的雙向RAM通過被編址參數(shù)排序，向變頻器寫入控制字或讀出實(shí)際值（如圖2所示）。我廠在設(shè)計精整和加熱爐控制系統(tǒng)時，考慮將變頻器掛上DP網(wǎng)，如精整的托板變頻器和送卷小車變頻器，加熱爐的入爐輥道、爐內(nèi)輥道、出爐輥道變頻器，但由于通訊調(diào)試方面出現(xiàn)問題，暫時沒有掛在DP網(wǎng)上，而是從s7—40O直接通過模擬量板進(jìn)行控制。在以后改造時再考慮進(jìn)行處理。

4 、結(jié)束語

從以上分析可以看出，PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線網(wǎng)只使用了OSI七層結(jié)構(gòu)的三層，是一種低級別的工業(yè)局域網(wǎng)，但由于采用了令牌總線和主一從方式的混合介質(zhì)存取方式，它的實(shí)時性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他局域網(wǎng)，特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場，如檢測信號的采集、操作信號的輸送等。高線廠的加熱爐和精整區(qū)自控系統(tǒng)在使用了DP網(wǎng)以后，不但設(shè)備故障率大幅下降，而且現(xiàn)場操作輕松。與分散型控制技術(shù)相比，現(xiàn)場總線技術(shù)有著無可比擬的優(yōu)勢。