基于Profibus-DP的通訊在寬厚板熱處理 系統(tǒng)中的應用

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年開始建設的年產(chǎn)180萬噸的生產(chǎn)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(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備通信網(wǎng)絡化。Profibus-DP現(xiàn)場總線把現(xiàn)場設備和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)界得到最廣泛應用的一個現(xiàn)場總線標準,也是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一。[1]本文主要以預處理區(qū)域Profibus-DP網(wǎng)絡的實現(xiàn)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(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(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)場設備級間的開關量的通信,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(xiàn)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(xiàn)場總線。
2.2 Profibus網(wǎng)絡硬件
Profibus網(wǎng)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(wǎng)線連接到網(wǎng)絡上時,根據(jù)RS485串口通訊的規(guī)范,每個物理網(wǎng)段支持32個物理設備,且在物理網(wǎng)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(nèi)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(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
Profibus網(wǎng)絡支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質。當然,現(xiàn)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(wǎng)絡拓撲的規(guī)則
在進行Profibus網(wǎng)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(wǎng)絡通訊很可能出現(xiàn)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(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。
設計一條Profibus網(wǎng)絡,首先需要了解Profibus網(wǎng)絡的拓撲規(guī)則:
① Profibus網(wǎng)絡是RS485串口通訊,半雙工,支持光纖通訊;
② 每個網(wǎng)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(wǎng)絡的通訊波特率9.6kbps-12Mbps;
④ 每個物理網(wǎng)段最多32個物理站點設備,物理網(wǎng)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(wǎng)段的通訊距離或者設備數(shù)如果超限,需要增加RS485中繼器進行網(wǎng)絡拓展,中繼器最多可串聯(lián)9個;
⑥ 每個中繼設備(RS485中繼器、OLM)也做為網(wǎng)絡中的一個物理站點,但沒有站號;
⑦ 網(wǎng)絡支持多主站,但在同一網(wǎng)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(wǎng)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(xié)議規(guī)定。
3.2 預處理區(qū)DP網(wǎng)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(wǎng)通訊。根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的規(guī)則設計網(wǎng)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(shù)字是給這個設備分配的硬件地址。
在預處理區(qū)DP網(wǎng)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(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1的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)絡2的輸出區(qū)完全對應,同樣網(wǎng)絡2的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)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(wǎng)連接,整個系統(tǒng)構成了一個全數(shù)字、全網(wǎng)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(wǎng)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(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。