1 引言

萊鋼4300mm寬厚板熱處理生產線是萊蕪鋼鐵集團有限公司于2009年開始建設的年產180萬噸的生產線,它廣泛采用了當代厚板領域的新技術及先進的裝備,熱處理線作為后區(qū)重要的生產線,實時可靠的通信系統(tǒng)是必不可少的,因此采用Profibus—DP現場總線使全部控制設備通信網絡化。Profibus-DP現場總線把現場設備和PLC緊密集成為一個完整的控制系統(tǒng); 現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)界得到最廣泛應用的一個現場總線標準,也是目前國際上通用的現場總線標準之一。[1]本文主要以預處理區(qū)域Profibus-DP網絡的實現來介紹Profibus-DP在寬厚板熱處理系統(tǒng)中的應用。

2 Profibus組成

2.1 Profibus概述

Profibus是一種具有廣泛應用范圍的、開放的數字通信系統(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(分布式外圍設備),Profibus-PA(過程自動化),Profibus-FMS(現場總線報文)[2]。

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

2.2 Profibus網絡硬件

Profibus網絡主要涉及到的硬件包括:Profibus接口,通訊介質,Profibus插頭,中繼器,診斷中繼器,OLM, DP/DP COUPLER以及有源終端電阻等。當各站點通過插頭連接以及網線連接到網絡上時,根據RS485串口通訊的規(guī)范,每個物理網段支持32個物理設備,且在物理網段終端的站點應該設置終端電阻防止浪涌保證通訊質量。

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的內部的“PE”。而當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

Profibus網絡支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質。當然,現在也有支持無線通訊的設備,但我們目前面對的主要還是有線介質。

3 Profibus-DP在預處理區(qū)系統(tǒng)中的應用

3.1 網絡拓撲的規(guī)則

在進行Profibus網絡連接之前,首先應當考慮拓撲結構的設計是否有問題。如果拓撲結構有問題,將來網絡通訊很可能出現問題。

另外,從波特率與距離的對應關系中可以看到,波特率越高,則對應的通訊距離越近,因而如果現場遇到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。

設計一條Profibus網絡,首先需要了解Profibus網絡的拓撲規(guī)則:

① Profibus網絡是RS485串口通訊,半雙工,支持光纖通訊;

② 每個網絡理論上最多可連接127個物理站點,其中包括主站、從站以及中繼設備;

③ 網絡的通訊波特率9.6kbps-12Mbps;

④ 每個物理網段最多32個物理站點設備,物理網段兩終端都需要設置終端電阻或使用有源終端電阻;

⑤ 每個網段的通訊距離或者設備數如果超限,需要增加RS485中繼器進行網絡拓展,中繼器最多可串聯9個;

⑥ 每個中繼設備(RS485中繼器、OLM)也做為網絡中的一個物理站點,但沒有站號;

⑦ 網絡支持多主站,但在同一網絡中,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,站號設置一般為3~125。

⑨ 如果網絡中涉及到分支電纜,則應注意分支電纜的長度應當嚴格遵守Profibus 的協議規(guī)定。

3.2 預處理區(qū)DP網絡構成

預處理區(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)以太網通訊。根據網絡拓撲的規(guī)則設計網格構成見圖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,每個設備后面括號里的數字是給這個設備分配的硬件地址。

在預處理區(qū)DP網絡中,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)之間的數據通訊,但對于通訊數據區(qū),網絡1的輸入區(qū)必須和網絡2的輸出區(qū)完全對應,同樣網絡2的輸入區(qū)必須和網絡1的輸出區(qū)完全對應,否則會造成通訊故障。

3.3 硬件組態(tài)

通過Profibus-DP網連接,整個系統(tǒng)構成了一個全數字、全網絡化系統(tǒng),成為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統(tǒng)。預處理區(qū)系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖2所示。

預處理區(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塊以太網通訊模塊CP 443-1、一塊數字量輸入模板和一塊數字量輸出模板組成。結合圖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。