基于Profibus-DP设计的通讯在宽厚板热处理系统应用

1 引言

莱钢4300mm宽厚板热处理生产线是莱芜钢铁集团有限公司于2009年开始建设的年产180万吨的生产线,它广泛采用了当代厚板领域的新技术及先进的装备,热处理线作为后区重要的生产线,实时可靠的通信系统是必不可少的,因此采用Profibus—DP现场总线使全部控制设备通信网络化。Profibus-DP现场总线把现场设备和PLC紧密集成为一个完整的控制系统; 现场操作台由于采用了Profibus-DP通信接口, 节省了大量电器元件和电缆。作为众多现场总线家族的成员之一,Profibus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准,也是目前国际上通用的现场总线标准之一。[1]本文主要以预处理区域Profibus-DP网络的实现来介绍Profibus-DP在宽厚板热处理系统中的应用。

2 Profibus组成

2.1 Profibus概述

Profibus是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。Profibus由3部分组成,即Profibus-DP(分布式外围设备),Profibus-PA(过程自动化),Profibus-FMS(现场总线报文)[2]。

Profibus-DP具有高速传输、价格低廉等特点,实现起来比较简单,主要用于分散设备间的数据高速传输,传输速率可由9.6kbps至 12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备级间的开关量的通信,可满足全数字交直流调速系统对于快速的时间响应要求。该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点,成为唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线,特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。在莱钢宽厚板热处理线中所采用的就是这种Profibus-DP现场总线。

2.2 Profibus网络硬件

Profibus网络主要涉及到的硬件包括:Profibus接口,通讯介质,Profibus插头,中继器,诊断中继器,OLM, DP/DP COUPLER以及有源终端电阻等。当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时,根据RS485串口通讯的规范,每个物理网段支持32个物理设备,且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。

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板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时, 其“PE”与底板是连通的,此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理,则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。

2.4 通讯介质

Profibus网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然,现在也有支持无线通讯的设备,但我们目前面对的主要还是有线介质。

3 Profibus-DP在预处理区系统中的应用

3.1 网络拓扑的规则

在进行Profibus网络连接之前,首先应当考虑拓扑结构的设计是否有问题。如果拓扑结构有问题,将来网络通讯很可能出现问题。

另外,从波特率与距离的对应关系中可以看到,波特率越高,则对应的通讯距离越近,因而如果现场遇到Profibus的通讯有通讯不上或者通讯不稳定的情况,也可以考虑先将波特率降低,再进行观察处理。

设计一条Profibus网络,首先需要了解Profibus网络的拓扑规则:

① Profibus网络是RS485串口通讯,半双工,支持光纤通讯;

② 每个网络理论上最多可连接127个物理站点,其中包括主站、从站以及中继设备;

③ 网络的通讯波特率9.6kbps-12Mbps;

④ 每个物理网段最多32个物理站点设备,物理网段两终端都需要设置终端电阻或使用有源终端电阻;

⑤ 每个网段的通讯距离或者设备数如果超限,需要增加RS485中继器进行网络拓展,中继器最多可串联9个;

⑥ 每个中继设备(RS485中继器、OLM)也做为网络中的一个物理站点,但没有站号;

⑦ 网络支持多主站,但在同一网络中,不建议多于3个主站;

⑧ 一般0是PG的地址,1～2为主站地址,126为某些从站默认的地址,127是广播地址,因而这些地址一般不再分配给从站,故DP从站最多可连接124个,站号设置一般为3~125。

⑨ 如果网络中涉及到分支电缆,则应注意分支电缆的长度应当严格遵守Profibus 的协议规定。

3.2 预处理区DP网络构成

预处理区系统包括一套S7-400 PLC、两套S7-300 PLC、一套S7-200 PLC、7套ET200站、变频器、编码器和两台上位机,同时系统还与1#热处理炉、3#热处理炉通过DP通讯,与2#热处理炉通过工业以太网通讯。根据网络拓扑的规则设计网格构成见图1。

其中1#热处理炉、2#热处理炉、3#热处理炉PLC是S7-400 PLC,磁盘上料PLC和抛丸机PLC是S7-300 PLC,H7是S7-200PLC,BWL是编码器,每个设备后面括号里的数字是给这个设备分配的硬件地址。

在预处理区DP网络中,S7-400 PLC主站与S7-300 PLC之间的通讯和与1#热处理炉、3#热处理炉之间的通讯采用的是通过DP/DP COUPLER连接的方法。对于DP/DP COUPLER连接的两个网段,通讯速率可以不同,因此DP/DP COUPLER非常适用于不同通讯速率的两个PROFIBUS-DP主站系统之间的数据通讯,但对于通讯数据区,网络1的输入区必须和网络2的输出区完全对应,同样网络2的输入区必须和网络1的输出区完全对应,否则会造成通讯故障。

3.3 硬件组态

通过Profibus-DP网连接,整个系统构成了一个全数字、全网络化系统,成为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。预处理区系统的硬件组态如图2所示。

预处理区系统PLC主站由一块电源模块PS 407 10A、一块CPU模块 416-2 DP、6块DP通讯模块CP 443-5、1块以太网通讯模块CP 443-1、一块数字量输入模板和一块数字量输出模板组成。结合图1和图2可以看出,磁盘上料和抛丸机通过地址是8和6的两块DP/DP COUPLER与预处理区系统通讯,在此系统中直接挂在416-2 CPU自带的DP端口;系统中所有设备的变频器挂在第一块CP 443-5模块;与三号热处理炉通讯的DP/DP COUPLER和ET200站RIO05挂在第二块CP 443-5模块;ET200站RIO04和6个编码器挂在第三块CP 443-5模块;H7系统的EM277、ET200站RIO01、ET200站RIO02和7个编码器挂在第四块CP 443-5模块;ET200站RIO03、ET200站RIO06、ET200站RIO02和2个编码器挂在第五块CP 443-5模块;与一号热处理炉通讯的DP/DP COUPLER挂在第六块CP 443-5模块。[!--empirenews.page--]

在S7-400中,不需要为现场总线编写通讯程序,只要通过STEP 7软件包对DP主站和所有DP从站进行硬件组态,统一分配地址即可[3]。

由于在上述硬件组态过程中已经解决了网络的通讯问题,所以在编程时无须考虑通讯问题,只要像对一台PLC那样对所有I/O地址编程即可。由此可见使用PROFIBUS—DP现场总线具有“硬件分散,软件集中”的特点。

3.4 Profibus的故障诊断

Profibus是一种抗干扰性比较强的现场总线,但不时还会发生一些故障。在处理故障的过程中我们发现,造成Profibus通讯出现故障的原因,80%都是最简单的原因,比如:现场没有接地处理、布线时与动力电缆没有分开等等。

现场诊断一般会使用到BT200和示波器等设备。BT200是西门子的提供的Profibus网络诊断设备,可以进行网络距离检测,网络连接的质量的检查(比如断线、短路等等);而示波器常常用于检测Profibus通讯的波形[4]。

STEP7等编程工具也可以做为网络诊断的一种工具。在STEP7软件中,提供了“在线诊断”的功能,可以实时的对Profibus网络进行最直接的诊断。比如:哪些从站出现故障,可在STEP7的诊断缓冲区中直接得到故障信息。STEP7还提供了一些Profibus的诊断功能块,比如 FB125/FC125等,方便用户通过编程的方式在程序运行中诊断ProfibusS网络中出现的故障,同时可将故障信息直接显示在上位机画面上。

4 结束语

本系统在试运行后,运行安全、稳定、可靠,能够满足莱钢宽厚板热处理生产所需的各项工艺技术指标,系统采用Profibus-DP现场总线方式,PLC通过DP线连接各个ET200站和现场设备,减少了现场电缆的数量和接线工作量,降低了系统故障率。由于所有的测控信息通过总线通信来实现,全数字通信取代了模拟信号的传输,提高了系统的控制精度,取得了比较明显的经济效益和社会效益。

参考文献:

[1] 阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社,1999,7.

[2] 李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2005,75.

[3] 廖常初.西门子工业通信网络组态编程[M].北京:机械工业出版社,2004,51.

[4] 柴瑞娟,陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京:机械工业出版社,2007,13.