基于西门子s7—4OO PLC和工控机的控制系统在高线厂中的应用

1 、概述

PROFIBUS（Process Field Bus一过程现场总线）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。PROFIBUS由Profibus—FMS，Profibus—PA和Profibus—DP三部分组成，其中Profibus—DP主要应用于现场级，是一种高速（可达12Mbps）和便宜的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的I／O之间进行通信使用。

2003年高线厂改造，在加热炉和精整生产线自动控制系统中就采用了西门子公司的过程现场总线（PROFIBUS）网络，在硬件配置、软件编程上充分应用工控机、PLC、远程I／O、交流变频装置及现场智能仪表的通信连接，实现了真正意义上的“三电一体”。

2、 通讯机理

再简单的网络也需要传输介质和传输协议，这一点，PROFIBUS—DP网也不例外，PROFIBUS—DP参考模型是根据IEEE802标准委员会制定的局域网标准的第一层（物理层）、第二层（链路层）和用户层建立的，根据实际需要省去了OSI（Open System Interconnection）参考模型七层协议的3—6层。

2．1 物理层

PROFIBUS—DP的物理层与OSI参考模型的物理层相同，其主要功能是利用物理传输介质为第二层数据链路层提供物理连接，传送数据流，它采用RS485协议，半双工方式，可以用光缆或屏蔽双绞线，这主要取决于传输速率，当然也要考虑实际成本，可根据个人需要加以选择。我厂现场总线网使用的是屏蔽双绞线，实际使用基本能满足需要。

2．2 数据链路层

数据链路层是比较复杂的一部分，它主要是通过数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。PROFIBUS—DP网包括两种介质存取方式：令牌总线方式和主一从方式。令牌总线方式与IEEE802．4规约相一致，其实质也就是令牌总线网。PROFIBUS—DP网可以由一个主站和多个从站组成，s7—300和s7—400都能在PROFIBUS—DP网中作主站和从站使用，这时候就使用主一从方式。当两个以上SIMATIC s5和s7作为主站组成多主系统时，因为主站在传输数据时拥有相同的总线控制权，所以传输数据时就存在谁占据总线的问题。这时候令牌发挥了作用，令牌是一种特殊的电文，在主站之间传递控制权。令牌总线方式使某个得到令牌的主站可在事先规定的时间内得到总线控制权，在这个时间段内该主站与其他主站或与下一级主一从过程中的从站进行通讯，在该主站控制时间终了时，它将主站令牌传递给下一个主站。

2．3 用户层

PROFIBUS—DP网没有使用OSI参考模型的应用层，而是自己定义了第8层——用户层，这一层与用户接触比较多，它主要定义了DP的功能、行规及扩展功能。

3 、控制系统组成及相应配置

结合我厂的现场具体设备情况了解一下DP网的实际使用。

3．1 组成

现场自动控制系统分为两级：过程控制级和设备控制级。过程控制级负责生产管理和设备运行过程监控，设备控制级对液压站、变频器、操作的对象进行控制。高线厂的精整和加热炉自控系统都是由马钢设计院设计的，现在以精整集卷筒为例来分析DP网的组成。

由一台s7—4OO PLC和一台工控机通过高速以太网构成本系统的过程控制级，PLC下设若干ET200M远程I／O从站，它们之间通过PROFIBUS—DP现场总线网络进行通信，构成本系统的设备控制级。图1是集卷网络配置简图的一部分，用以解释其工作原理。

3．2 配置

硬件配置如下：一台西门子PⅢ工控机作为上位机和人机接口（HMI），内部装有以太网卡，通过以太网与主PLC的CP443模板相连；过程控制部分采用一台西门子s7—400 PLC作为主控。

3．3 主站

用于主站的PLC是西门子s7—4OO，它是一种先进的可编程逻辑控制器，数字处理能力强，易于安装和配置，并提供比较先进的编程环境，它区别与s5的DOS编程界面，而是采用Windows界面便于操作。s7—400 PLC内部集成有PROFIBUS—DP端口通过DP网与从站相连，组态灵活，操作简洁。该PLC内编辑有集卷筒动作的全部程序，现场的操作和检测信号通过DP网传到PLC，运行相应程序后PLC将有关指令再通过DP网送给现场的相应设备，如液压阀、指示灯、气阀等。

3．4 ET200M从站

图1中的从站使用的是ET200M，是一种应用S7— 300模块系列的模块化分布式的I／O装置，它通过接口模块IM153与PROnBuS—DP现场总线相连，可以向主站发送数据和接受来自主站的数据及I／O配制。我们采用屏蔽双绞线将主站CPU的DP接口与各自控制区域内所有ET200M从站DP接口依次串接。图中的AOS编号为操作台，主操作台AOS10的操作箱内装有一套ET200M，还装有一套西门子薄膜键盘，都通过接口挂在PROFIBUS—DP网上，操作人员通过薄膜键盘操作集卷的相应设备；图中的AOC编号为现场操作箱，也各自装有一套ET200M，操作人员通过操作箱的开关、按钮来操作设备，开关、按钮的信号被ET200M采集后通过DP网送到PLC，程序执行后将指令通过DP网送到相应地址的ET200M，再送到控制对象。每个ET21X）M从站可扩展8块s7—300 I／O模块，在硬件配置时，STEP‘／为各个I／O模块分配了输入、输出地址，只要有地址就可以通过DP网找到相应的地址所赋予的设备。因为ET200M可以安装在现场，对环境要求不高，所以可以安装在操作台、操作箱等处，这样可以节省大量电缆，实际维护时也减少大量工作量，使系统更可靠，采用薄膜键盘也达到了相同的效果，没有了大量连接线，故障率自然大大降低，但在生产实践中发现，薄膜键盘对温度比较敏感，温度过高极易造成键盘死机，日常维护也要适当注意DP网插头和RAM 卡是否松动。另外在ET200M或者薄膜键盘DP口与网络相连或断开时，网线插头上有一个开关必须打在ON位置，否则网络将瘫痪。

3．5 交流变频从站

当系统中有交流电机需变频调速时，作为从站使用的变频器都可以挂在DP网上，对电机进行开、闭环控制。在接入DP网中作为网中的现场设备，变频器必须与CB通讯板相连，接入网中作为从站使用，接受从主站SIMATICs5或s7的控制。CB通讯板将从DP网中接收到的过程数据存入双向RAM，双向RAM被编址，变频器端的双向RAM通过被编址参数排序，向变频器写入控制字或读出实际值（如图2所示）。我厂在设计精整和加热炉控制系统时，考虑将变频器挂上DP网，如精整的托板变频器和送卷小车变频器，加热炉的入炉辊道、炉内辊道、出炉辊道变频器，但由于通讯调试方面出现问题，暂时没有挂在DP网上，而是从s7—40O直接通过模拟量板进行控制。在以后改造时再考虑进行处理。

4 、结束语

从以上分析可以看出，PROFIBUS—DP现场总线网只使用了OSI七层结构的三层，是一种低级别的工业局域网，但由于采用了令牌总线和主一从方式的混合介质存取方式，它的实时性远远高于其他局域网，特别适合用于工业现场，如检测信号的采集、操作信号的输送等。高线厂的加热炉和精整区自控系统在使用了DP网以后，不但设备故障率大幅下降，而且现场操作轻松。与分散型控制技术相比，现场总线技术有着无可比拟的优势。