基于Profibus-DP现场总线的板坯传动系统的应用

0 引言

随着微处理器的技术发展和广泛应用，出现了智能化设备，其实现了信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能，使原来由主控计算机完成的一些任务被分散到了控制对象当中。同时计算机在速度、稳定性、可靠性等性能上的不断提高，为主控计算机与被控设备之间高速度的、高精度的、高稳定性的、高可靠性的及其便利的操作性和维护性带来可能，从而催生了现场总线技术。如今以数字信号为传输特征的分布式控制系统(DCS，Distributed ControlSystem)代替以模拟信号为传输特征的集中控制系统已是大势所趋。

虽然现场总线发展至今已有二十多年的历史，但尚未形成统一的标准。绝大部分市场仍由几大知名厂商占据。其中Profibus以Siemens公司为主要支持者，并成立了WorldFIP国际用户组织。本文介绍了以Siemens 公司PLC 及变频器为相关设备的现场总线应用。

1 Profibus-DP结构与技术特点

Profibus是一种成熟的有着广泛客户支持的现场总线技术，业已成为德国国家标准DIN19425和欧洲标准EN50170，广泛地应用于制造业自动化控制，过程控制，楼宇自动化，交通，发电与输配电等领域。

Profibus是以ISO7498 为基础，以开放式系统互连网络OSI(Open System Interconnection)作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。由于只采用物理层，数据链路层DDLM，和应用层，所以成就了它的高速性和经济性。Profibus 由三个族系构成，即Profibus-DP(Decentralized Periphery，分布I/O 系统)，Profibus-PA(Process Automation ，现场总线信息规范)，Profibus -FMS(Fieldbus MessageSpecification，过程自动化)。Profibus-PA专为过程控制而设计;Profibus-FMS 应用于车间级监控网络，是一个令牌结构实时多主网络;而本系统采用的Profibus-DP是一种高效的，经济的，用于控制系统与分散式I/O设备之间的通讯。使用Profibus-DP模块取代24 V或4~20 mA的串联式信号传输。直接数据链路层DDLM 提供的用户接口，使得对数据链路层的存取简单方便，是一种优化了的设计。传输介质可以采用RS485传输通讯电缆或光纤，出于钢铁公司现场环境和工艺对数据速率的要求及经济性考虑，本系统采用的是RS485电缆。

2 传动系统

本系统是邯钢连铸连轧厂热板坯生产线系统的一部分，隶属加热炉系统。连铸连轧薄板坯生产线系统主要由四个重要区域组成，分别为连铸区，加热炉区，轧制区，卷曲区。加热炉区负责两项任务，一是把连铸出来的坯子加热到工艺要求的相应温度，这项任务由温度控制系统完成;二是把热板坯传送进入轧机并达到轧机要求的相应入口速度，此项任务由传动系统来完成。传动系统要接受两个接口的信息来确定所采取的动作，一是连铸机要询问加热炉内坯子的占有情况并做出相应处理;二是当轧机需要坯子时，需要询问加热炉坯子所在的位置，加热炉作回应，加速或减速辊道电机。坯子的位置通过系统计算和光电管检测修正来确立。系统基本原理流程如图1所示。

3 网络硬件及组态

系统由S7416-2DP 接IM467 接口模板作为Profibus-DP 的主站，接CBP 模板的mm440 作为Profibus 的从站，PG(编程器)/PC 以网卡CP5611，S7416-2DP以MPI接口互连于MPI网络，PG得以访问S7416-2DP，修改，监视变量。S7416-2DP 以CP433-1 通讯网卡，HMI 计算机以网卡cp1613 互连于工业以太网络。PLC 通过IM467 接口模板接Profibus 通讯电缆RS485，终端通过连接器与变频器的CBP 模板连接，构成现场总线传动控制系统。

S7416-DP通过Profibus-DP 协议发送控制字给变频器和读取变频器的状态，以实现对三相异步电动机的控制与状态的读取。网络结构如图2 所示，其中Temp- control为温度控制系统PLC。

组态由软件step7来完成，在SIMATIC MANAGER建立项目，插入主站s7400，在HWconfig 进行组态，按照定货号和硬件安装顺序依次插入机架，电源，CPU，接口模块等。为IM467建立新的Profibus网络，添加变频器，选择PPO 类型，设置IM467 为Profibus-DP 主站，变频器为Profibus-DP 从站，在相关属性中设置地址。组态如图3所示。

4 从站配置

4.1 通讯报文结构及选型

主站与从站的通讯报文结构由协议帧头、中间数据区、协议帧尾组成。变频器作为通讯从站在中间数据区定义了通讯用的PPO类型，PPO 类型由PKW和PZD两部分组成。PPO类型是各大知名厂商为了支持传动驱动设定的行业规范，以达到驱动装置的互换性，目前PPO 类型一共有五种，PPO1—PPO5。

mm440只支持PPO1型和PPO3 型，对本系统的多变频器控制也可以选择PPO2型，其结构如图4。

图4中，每个一个灰色方块均代表一个字的空间，其中PPO1型通讯报文为6 个字(4PKW+2PZD);

PPO2 型通讯报文10 个字(4PKW+6PZD);PPO3 型通讯报文两个字(2PZD)。图中各标识的含义为：

PKW，参数标识符;PZD，过程数据;PKE，参数标识符;IND，索引;PWE，参数值;STW，控制字;ZSW，状态字;HSW，主设定值;HIW，主实际值。PKW当中包含一些读写请求，有无数据分组，参数号，分组代码等相关信息。当PLC 输出，第一个字为控制字STW，第二个字为主设定值HSW。当PLC 输入，第一个字为状态字ZSW，第二个字为运行反馈值HIW。

4.2 变频器通讯地址设置

西门子变频器的通讯地址除了在硬件组态度中设置之外，还可通过现场通讯模板DIP 开关或者参数P918来设置。DIP 开关具有比P918 更高的优先级。DIP有七个开关，从左到右为1—7，1为最低位，7为最高位，有效范围1—125。

4.3 信息的存储发送及读写

PLC 与变频器之间的信息的传输通过I/O 过程映像区来完成，每个变频器对应独立的区，长度与PPO类型的选择有关，本系统选择PPO2型，10 个字共20个字节，配置可以在属性中进行，如图5所示。

读写信息需要调用特殊功能块，STEP7 V5.1 有两个SFC 块“DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”，应用DP

通讯传输命令“DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”把数据传输到变频器的通讯区PZD 数据区PIW内，同时把变频器的PZD数据区PQW数值读到Profibus-DP传输的DB 块中，通讯例程如下。

CALL“DPRD_DAT”;调用DP 读命令

LADDR=W#16#200;起始地址如图6(512 十六进制为200H)

RECORD：= 数据块中定义的PZD 数据区对应的数据地址

RET_VAL：= 程序块的状态字，以编码形式反映程序的错误

CALL“DPWR_DAT”;调用DP写命令

LADDR：=W#16#200;起始地址

RECORD：= 数据块中定义的PZD 数据区对应的数据地址

RET_VAL：= 程序块的状态字，以编码形式反映程序的错误

4.4 变频器及电机参数的设置

为了保证总线运行必须设置变频器参数，通过编程器以RS232 接口串接参数读写模板来进行，软件为Driver monitor。主要参数如图6所示。

5 系统监控

系统采用PC 机作为监控设备，监控组态软件Wincc。为了完成系统监控，下列项目是必需的。

5.1 添加SIMATIC S7通讯协议

在正确安装网卡之后，打开Wincc，选择“TagManagement”，单击右键选择“Add New Diver”，在弹

出的窗口中选择“SIMATIC S7 Protocol suite”，将其添加到“Tag Management”目录下。

5.2 通讯设置

选择TCP/IP 通讯协议，单击右键选择“Systemparameter”，在窗口“Logical device name”项目中选择

CP5613;选择TCP/IP通讯驱动，单击右键选择“NewDriver connection”，建立一个新的连接，在对话框中添加需要访问的CPU 地址(Station Address)和槽号(Slot Number)等。

5.3 画面编辑及状态显示

利用画面编辑器提供丰富的库资源或者导入自己设计好的图片作为人机界面;分组变量，根据Tag和项目在PLC 中相应的关系，对其变量属性进行设置，通过Wincc 内部函数GetTag 和SetTag 实现数据交换，当相应的信息变化时候，系统做出回应，如颜色的变化，数字的改变，报警等。本系统对与变频器对应的辊道设置了三种状态，以不同颜色标识：前进(绿色)，后退(黄色)，故障(红色)。当红色报警出现时候，画面下方会出现相关的信息条目，信息实时刷新。可通过信息记录或报警记录来确定是哪个报警信息，这些信息包括：变频器跳闸，马达温度高，冷却水温度高，马达开关关，通讯故障。

6 系统维护

维护人员根据Wincc画面信息了解变频器状态并作出相应的处理。另外对于现场级可通过变频器的状态了解变频器本身及电动机的状态。西门子变频器提供了三种手段来了解上述信息。

6.1 通过SDP(基本状态模板)

通过SDP上下两个LED灯状态来判断故障基本信息，具体如表1所列。

6.2 利用基本操作面板(BOP)

在BOP 分别用Axxx 和Fxxx表示报警信息和故障信息。在实际的维护中经常能遇到的一些信息及常见处理办法，如表2所列。

6.3 利用高级操作面板(AOP)

AOP设有报警屏幕，当变频器出现故障或者变频器网络出现故障，AOP将给出特定的故障信息：发生故障的变频器识别号;故障码;说明故障状态的解释文本。

利用AOP 可以查看变频器和电动机的工作状态信息，如输出电流，电动机的转速，直流回路的电流电压等，为分析故障原因带来方便，具体细节可查找相关手册。

7 结语

Profibus-DP总线技术以其传输速率高，稳定性好，扩展性好，经济实用在实际应用中得到了良好的体现。另外西门子变频器提供了卓越的与Profibus-DP的接口，给组建系统带来了便利，其与变频器的友好访问接口及软件给维护带来高效率，为保证生产赢得宝贵时间。