摘要：分析了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點(diǎn)；結(jié)合工程實(shí)例，介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的軋機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件配置以及兩者之間接口的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；PROFIBUS—DP；分布式I／O；通訊
Application of PROFIBUS—DP to Control System of Rolling Mill
JIAO Xian．jun 一，SHEN De．yao
（1 School of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha，Hunan，410083，China）
（2 Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing，bJoyang，Henan，471039，China）
Abstract：The paper analyzes the main features of PROFIBUS，and according to a control system introduces of rolling mill，
application of PROFIBUS- DP and the configuration and interface of its software and hardware．
Keywords：PROFIBUS-DP；distributed I／O ：communica tion
1 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)
1．1 概述
PROFIBUS是Process Field Bus的縮寫，是一種用于工廠自動(dòng)化的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備級到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通汛，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
PROFIBUS一經(jīng)問世便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，至8O年代末已逐漸成熟并得到迅速發(fā)展，對工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)生了廣泛影響。
PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN57170的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)一般由三部分組成：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。PROFIBUS—FMS（FieldbusMessageSpecification）主要用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速率為15Gbit／s；PROFIBUS—DP（DecentralizedPeriphery）是一種高速的低成本通訊連接，數(shù)據(jù)傳輸速率9．6～12Mbit／s，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／O通訊，主站（PLC、PC機(jī)或其它控制器）負(fù)責(zé)總線通訊管理及所有從站的通訊，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求；PROFIBUS—PA（ProcessAutomation）是專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，傳輸速率為31．25kbit／s，具有本質(zhì)安全規(guī)范?？偩€型體結(jié)構(gòu)見圖1。
1．2 PROFIBUS—DP總線拓樸結(jié)構(gòu)
根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式，PROFIBUS采用的是總線形拓樸結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是簡明，用一根總干線從控制器連到機(jī)械裝置（控制對象），總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處?？刂破鲯呙杷蠭／O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道。在這種總線結(jié)構(gòu)下，可實(shí)現(xiàn)多主式和對等通訊，可以兩個(gè)控制器共享同一個(gè)系統(tǒng)中的信息和I／O站。另外，不需關(guān)閉總線系統(tǒng)就可以把一個(gè)I／O設(shè)備從總線上拆下，這給總線系統(tǒng)的維護(hù)帶來了很大方便。
1．3 PROFIBUS—DP的設(shè)備類型
PROFIBUS—DP系統(tǒng)包括以下三種不同類型的設(shè)備：
?、?一級DP主站（DPM1），即中央控制器（PLC或PC），在預(yù)定的周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息；
② 二級DP主站（DPM2），如編程器、組態(tài)設(shè)備、操作面板等，在DP系統(tǒng)啟動(dòng)和組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視。二級主站可以讀取由設(shè)備級來的輸入、輸出、診斷和組態(tài)數(shù)據(jù)；
?、?DP從站，是進(jìn)行輸入輸出信息采集及發(fā)送的外圍設(shè)備（I／O設(shè)備，驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等），輸入和輸出信息數(shù)據(jù)取決于設(shè)備類型。
1．4 PROFIBUS—DP的通訊協(xié)議
PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（圖1），并采用EIA—RS485協(xié)議，其傳輸介質(zhì)既可以是屏蔽雙絞線也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)，其傳輸速率為9．6～12 Mbps，傳輸距離取決于傳輸速率，如表1所示。采用中繼器可將傳輸距離增加至10 km。
通訊協(xié)議支持主一從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，并事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時(shí)間。按PROFIBUS的通訊規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站得到控制權(quán)時(shí)，可以按主一從方式向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通訊。主站可以對所有站點(diǎn)廣播（不要求應(yīng)答），或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。正常響應(yīng)模式下主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。
F為幀標(biāo)志字段（8位），A為從站地址字段。控制字段c表示幀類型、編號(hào)、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀、監(jiān)控幀和無編號(hào)幀。其中，信息幀用于數(shù)據(jù)的傳輸并捎帶應(yīng)答；監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)作出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等）；無編號(hào)幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號(hào)命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式、釋放鏈路及報(bào)告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成：PKW用于讀寫參數(shù)值，如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等；PZD用于存儲(chǔ)控制器的具體控制值、設(shè)置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2～10 B長，例如PZD的第二個(gè)字節(jié)可設(shè)為0#～7#設(shè)備的起停止位。FCS是幀校驗(yàn)字段，它對整個(gè)幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)。HDLC幀最長可達(dá)24 B。
PROFIBUS—DP并未采用ISO／OSI的應(yīng)用層，而是自行設(shè)置一用戶層。該層定義了DP的功能、規(guī)范與擴(kuò)展要求等。
2 PROFIBUS—DP在軋機(jī)過程控制中的應(yīng)用
2．1 過程控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖3所示為某軋機(jī)過程控制中的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2．2 硬件組態(tài)
該系統(tǒng)由l臺(tái)上位機(jī)（DPM2）、3個(gè)PROFIBUS—DP主站（DPM1）、PROFIBUS—DP從站及現(xiàn)場設(shè)備組成；PROFIBUS—DP總線將所有主站和從站連接成一個(gè)完整的過程控制網(wǎng)。
3個(gè)PROFIBUS—DP總線主站分別為直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)列控制系統(tǒng)及油控制系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)相對獨(dú)立，通過PROFIBUS—FMS總線進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，成為能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PROFIBUS—DP從站按子系統(tǒng)劃分：直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)8個(gè)（開卷機(jī)傳動(dòng)裝置2個(gè)、主機(jī)傳動(dòng)裝置2個(gè)、卷取機(jī)傳動(dòng)裝置3個(gè)、偏導(dǎo)棍傳動(dòng)裝置1個(gè)）、機(jī)列控制系統(tǒng)6個(gè)（開卷控制柜、噴嘴電磁閥柜、卷取控制柜、上卷操作臺(tái)、主操作臺(tái)、卸卷操作臺(tái)各1個(gè)）、油控制系統(tǒng)2個(gè)（油系統(tǒng)操作柜、板式過濾機(jī)柜各1個(gè)）。此系統(tǒng)為控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備級。
直流傳動(dòng)系統(tǒng)操作控制主站采用l臺(tái)SIMATIC S7— 400 CPU414—2 DP PLC可編程序控制器，具有較高的計(jì)算能力和通訊能力，并集成了PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線接口裝置SINEC L2一DP，可保證對從站系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換；每個(gè)從站均采用ABB公司的DCS500B系列數(shù)字直流傳動(dòng)裝置，可滿足軋機(jī)直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的高可靠性和高精度要求，并具有快速響應(yīng)和綜合自診斷能力，配合PROFIBUS—DP適配器模塊NPBA一12，組成一個(gè)保護(hù)功能完備、通訊快捷的過程控制網(wǎng)絡(luò)。適配器模塊與傳動(dòng)裝置之間通過光纜傳送數(shù)據(jù)，與主站之間通過屏蔽雙絞線傳送數(shù)據(jù)，傳輸距離取決于傳輸速率（表1）。
機(jī)列控制系統(tǒng)及油控制系統(tǒng)的操作控制主站各采用1臺(tái)SIMATICS7—300CPU315—2DPPLC可編程序控制器，具有較高的計(jì)算能力和通訊能力，并集成了PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線接口裝置，可保證對從站系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換；每個(gè)從站均采用分布式I／O模塊ET200M或ET200S，配合PROFIBUS—DP接口，與主站之間通過屏蔽雙絞線傳送數(shù)據(jù)。I／O模塊下的執(zhí)行器和傳感器連接到現(xiàn)場設(shè)備，I／O模塊按主／從模塊向現(xiàn)場設(shè)備提供輸出數(shù)據(jù)并向主站或上位機(jī)饋送數(shù)據(jù)。將接近開關(guān)、操作按鈕、編碼器、電磁閥、泵站電機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備分組連接至上卷操作臺(tái)、主操作臺(tái)、卸卷操作臺(tái)、開卷控制柜、卷取控制柜、噴嘴電磁閥柜、油系統(tǒng)操作柜、板式過濾機(jī)控制柜等分布式I／O中，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間聯(lián)鎖控制。
上位機(jī)主站采用工控機(jī)，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611使工控機(jī)與現(xiàn)場總線相連。這樣工業(yè)PC機(jī)與現(xiàn)場總線網(wǎng)就連接成為能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
2．3 軟件組態(tài)
本系統(tǒng)采用SIMATIC S7—4OO的配套編程工具STEP7，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、Fc）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行；FB、FC是用戶子程序；DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)。PLC程序在上位機(jī)編譯完成后下載到CPU414—2 DP，并存儲(chǔ)在CPU414—2 DP中。每個(gè)從站的設(shè)備控制程序均存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。在PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)或直流傳動(dòng)控制子系統(tǒng)（其它子系統(tǒng)雷同）主站SIMATIC s7—4OOCPU414—2 DP PLC可編程序控制器要對DP進(jìn)行組態(tài)。通過STEP7軟件包結(jié)合PmfiDfive的定義程序來進(jìn)行站號(hào)設(shè)定：主站PLC可編程序控制器設(shè)為2；從站開卷一號(hào)傳動(dòng)裝置DCS500B站號(hào)設(shè)為3；其它從站站號(hào)依次為4、5、6、7、8,9、10。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行程控器后，將自動(dòng)完成與每個(gè)從站的地址分配，自動(dòng)劃分不同的通訊數(shù)據(jù)區(qū)。從站為分布式I／O模塊ET200M或ET200S時(shí)，無需單獨(dú)編程，只需將模塊的BUS開關(guān)設(shè)置與站號(hào)地址一致即可。
從站為DCS500B時(shí)，應(yīng)首先定義FIELDBUS功能塊。主要定義參數(shù)有：模塊類型、通訊模塊、從站站號(hào)、波特率、傳送字號(hào)等（表2）。通過對DCS500B通訊參數(shù)的組態(tài)，可以與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，也可以通過主站與其它從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
3 結(jié)束語
經(jīng)過硬、軟件組態(tài)后，一個(gè)完整的PROFI．BUS—DP網(wǎng)絡(luò)就完成了，通過主站對從站、主站對主站的通訊控制實(shí)現(xiàn)了軋制過程的自動(dòng)控制。實(shí)踐表明，由PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線組成的軋機(jī)過程控制系統(tǒng)，具有通訊速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、控制精度高、方便安裝、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
（轉(zhuǎn)載）
