基于Profibus-DP設(shè)計的通訊在寬厚板熱處理系統(tǒng)應(yīng)用

1 引言

萊鋼4300mm寬厚板熱處理生產(chǎn)線是萊蕪鋼鐵集團有限公司于2009年開始建設(shè)的年產(chǎn)180萬噸的生產(chǎn)線,它廣泛采用了當(dāng)代厚板領(lǐng)域的新技術(shù)及先進的裝備,熱處理線作為后區(qū)重要的生產(chǎn)線,實時可靠的通信系統(tǒng)是必不可少的,因此采用Profibus—DP現(xiàn)場總線使全部控制設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)化。Profibus-DP現(xiàn)場總線把現(xiàn)場設(shè)備和PLC緊密集成為一個完整的控制系統(tǒng); 現(xiàn)場操作臺由于采用了Profibus-DP通信接口, 節(jié)省了大量電器元件和電纜。作為眾多現(xiàn)場總線家族的成員之一,Profibus是在歐洲工業(yè)界得到最廣泛應(yīng)用的一個現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),也是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。[1]本文主要以預(yù)處理區(qū)域Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)來介紹Profibus-DP在寬厚板熱處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 Profibus組成

2.1 Profibus概述

Profibus是一種具有廣泛應(yīng)用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng),在集中自動化系統(tǒng)向分散自動化系統(tǒng)轉(zhuǎn)移方面是一種重大突破。Profibus由3部分組成,即Profibus-DP(分布式外圍設(shè)備),Profibus-PA(過程自動化),Profibus-FMS(現(xiàn)場總線報文)[2]。

Profibus-DP具有高速傳輸、價格低廉等特點,實現(xiàn)起來比較簡單,主要用于分散設(shè)備間的數(shù)據(jù)高速傳輸,傳輸速率可由9.6kbps至 12Mbps。一般用于自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備級間的開關(guān)量的通信,可滿足全數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)對于快速的時間響應(yīng)要求。該總線具有適合于快速、時間要求嚴(yán)格的應(yīng)用和復(fù)雜的通信任務(wù)的特點,成為唯一能夠全面覆蓋工廠自動化和過程自動化應(yīng)用的現(xiàn)場總線,特別適用于工廠自動化和過程自動化領(lǐng)域。在萊鋼寬厚板熱處理線中所采用的就是這種Profibus-DP現(xiàn)場總線。

2.2 Profibus網(wǎng)絡(luò)硬件

Profibus網(wǎng)絡(luò)主要涉及到的硬件包括:Profibus接口,通訊介質(zhì),Profibus插頭,中繼器,診斷中繼器,OLM, DP/DP COUPLER以及有源終端電阻等。當(dāng)各站點通過插頭連接以及網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)上時,根據(jù)RS485串口通訊的規(guī)范,每個物理網(wǎng)段支持32個物理設(shè)備,且在物理網(wǎng)段終端的站點應(yīng)該設(shè)置終端電阻防止浪涌保證通訊質(zhì)量。

2.3 Profibus接口

Profibus接口是RS485串口,一般采用SUB-D female的接口。一般CPU或者CP板卡都采用該接口。該接口外部的金屬部分一般連接到CPU或者CP的內(nèi)部的“PE”。而當(dāng)CPU安裝在底板上時, 其“PE”與底板是連通的,此時如果將安裝底板在電氣柜內(nèi)做接地處理,則該SUB-D接口的外部金屬部分也是接地的。

2.4 通訊介質(zhì)

Profibus網(wǎng)絡(luò)支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質(zhì)。當(dāng)然,現(xiàn)在也有支持無線通訊的設(shè)備,但我們目前面對的主要還是有線介質(zhì)。

3 Profibus-DP在預(yù)處理區(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)則

在進行Profibus網(wǎng)絡(luò)連接之前,首先應(yīng)當(dāng)考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計是否有問題。如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有問題,將來網(wǎng)絡(luò)通訊很可能出現(xiàn)問題。

另外,從波特率與距離的對應(yīng)關(guān)系中可以看到,波特率越高,則對應(yīng)的通訊距離越近,因而如果現(xiàn)場遇到Profibus的通訊有通訊不上或者通訊不穩(wěn)定的情況,也可以考慮先將波特率降低,再進行觀察處理。

設(shè)計一條Profibus網(wǎng)絡(luò),首先需要了解Profibus網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟?guī)則:

① Profibus網(wǎng)絡(luò)是RS485串口通訊,半雙工,支持光纖通訊;

② 每個網(wǎng)絡(luò)理論上最多可連接127個物理站點,其中包括主站、從站以及中繼設(shè)備;

③ 網(wǎng)絡(luò)的通訊波特率9.6kbps-12Mbps;

④ 每個物理網(wǎng)段最多32個物理站點設(shè)備,物理網(wǎng)段兩終端都需要設(shè)置終端電阻或使用有源終端電阻;

⑤ 每個網(wǎng)段的通訊距離或者設(shè)備數(shù)如果超限,需要增加RS485中繼器進行網(wǎng)絡(luò)拓展,中繼器最多可串聯(lián)9個;

⑥ 每個中繼設(shè)備(RS485中繼器、OLM)也做為網(wǎng)絡(luò)中的一個物理站點,但沒有站號;

⑦ 網(wǎng)絡(luò)支持多主站,但在同一網(wǎng)絡(luò)中,不建議多于3個主站;

⑧ 一般0是PG的地址,1～2為主站地址,126為某些從站默認(rèn)的地址,127是廣播地址,因而這些地址一般不再分配給從站,故DP從站最多可連接124個,站號設(shè)置一般為3~125。

⑨ 如果網(wǎng)絡(luò)中涉及到分支電纜,則應(yīng)注意分支電纜的長度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守Profibus 的協(xié)議規(guī)定。

3.2 預(yù)處理區(qū)DP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

預(yù)處理區(qū)系統(tǒng)包括一套S7-400 PLC、兩套S7-300 PLC、一套S7-200 PLC、7套ET200站、變頻器、編碼器和兩臺上位機,同時系統(tǒng)還與1#熱處理爐、3#熱處理爐通過DP通訊,與2#熱處理爐通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)則設(shè)計網(wǎng)格構(gòu)成見圖1。

其中1#熱處理爐、2#熱處理爐、3#熱處理爐PLC是S7-400 PLC,磁盤上料PLC和拋丸機PLC是S7-300 PLC,H7是S7-200PLC,BWL是編碼器,每個設(shè)備后面括號里的數(shù)字是給這個設(shè)備分配的硬件地址。

在預(yù)處理區(qū)DP網(wǎng)絡(luò)中,S7-400 PLC主站與S7-300 PLC之間的通訊和與1#熱處理爐、3#熱處理爐之間的通訊采用的是通過DP/DP COUPLER連接的方法。對于DP/DP COUPLER連接的兩個網(wǎng)段,通訊速率可以不同,因此DP/DP COUPLER非常適用于不同通訊速率的兩個PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊,但對于通訊數(shù)據(jù)區(qū),網(wǎng)絡(luò)1的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)絡(luò)2的輸出區(qū)完全對應(yīng),同樣網(wǎng)絡(luò)2的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)絡(luò)1的輸出區(qū)完全對應(yīng),否則會造成通訊故障。

3.3 硬件組態(tài)

通過Profibus-DP網(wǎng)連接,整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個全數(shù)字、全網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),成為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。預(yù)處理區(qū)系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖2所示。

預(yù)處理區(qū)系統(tǒng)PLC主站由一塊電源模塊PS 407 10A、一塊CPU模塊 416-2 DP、6塊DP通訊模塊CP 443-5、1塊以太網(wǎng)通訊模塊CP 443-1、一塊數(shù)字量輸入模板和一塊數(shù)字量輸出模板組成。結(jié)合圖1和圖2可以看出,磁盤上料和拋丸機通過地址是8和6的兩塊DP/DP COUPLER與預(yù)處理區(qū)系統(tǒng)通訊,在此系統(tǒng)中直接掛在416-2 CPU自帶的DP端口;系統(tǒng)中所有設(shè)備的變頻器掛在第一塊CP 443-5模塊;與三號熱處理爐通訊的DP/DP COUPLER和ET200站RIO05掛在第二塊CP 443-5模塊;ET200站RIO04和6個編碼器掛在第三塊CP 443-5模塊;H7系統(tǒng)的EM277、ET200站RIO01、ET200站RIO02和7個編碼器掛在第四塊CP 443-5模塊;ET200站RIO03、ET200站RIO06、ET200站RIO02和2個編碼器掛在第五塊CP 443-5模塊;與一號熱處理爐通訊的DP/DP COUPLER掛在第六塊CP 443-5模塊。[!--empirenews.page--]

在S7-400中,不需要為現(xiàn)場總線編寫通訊程序,只要通過STEP 7軟件包對DP主站和所有DP從站進行硬件組態(tài),統(tǒng)一分配地址即可[3]。

由于在上述硬件組態(tài)過程中已經(jīng)解決了網(wǎng)絡(luò)的通訊問題,所以在編程時無須考慮通訊問題,只要像對一臺PLC那樣對所有I/O地址編程即可。由此可見使用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線具有“硬件分散,軟件集中”的特點。

3.4 Profibus的故障診斷

Profibus是一種抗干擾性比較強的現(xiàn)場總線,但不時還會發(fā)生一些故障。在處理故障的過程中我們發(fā)現(xiàn),造成Profibus通訊出現(xiàn)故障的原因,80%都是最簡單的原因,比如:現(xiàn)場沒有接地處理、布線時與動力電纜沒有分開等等。

現(xiàn)場診斷一般會使用到BT200和示波器等設(shè)備。BT200是西門子的提供的Profibus網(wǎng)絡(luò)診斷設(shè)備,可以進行網(wǎng)絡(luò)距離檢測,網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量的檢查(比如斷線、短路等等);而示波器常常用于檢測Profibus通訊的波形[4]。

STEP7等編程工具也可以做為網(wǎng)絡(luò)診斷的一種工具。在STEP7軟件中,提供了“在線診斷”的功能,可以實時的對Profibus網(wǎng)絡(luò)進行最直接的診斷。比如:哪些從站出現(xiàn)故障,可在STEP7的診斷緩沖區(qū)中直接得到故障信息。STEP7還提供了一些Profibus的診斷功能塊,比如 FB125/FC125等,方便用戶通過編程的方式在程序運行中診斷ProfibusS網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的故障,同時可將故障信息直接顯示在上位機畫面上。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在試運行后,運行安全、穩(wěn)定、可靠,能夠滿足萊鋼寬厚板熱處理生產(chǎn)所需的各項工藝技術(shù)指標(biāo),系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線方式,PLC通過DP線連接各個ET200站和現(xiàn)場設(shè)備,減少了現(xiàn)場電纜的數(shù)量和接線工作量,降低了系統(tǒng)故障率。由于所有的測控信息通過總線通信來實現(xiàn),全數(shù)字通信取代了模擬信號的傳輸,提高了系統(tǒng)的控制精度,取得了比較明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻:

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999,7.

[2] 李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2005,75.

[3] 廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004,51.

[4] 柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007,13.