基于Profibus-DP設計的通訊在寬厚板熱處理系統應用

1 引言

萊鋼4300mm寬厚板熱處理生產(chǎn)線(xiàn)是萊蕪鋼鐵集團有限公司于2009年開(kāi)始建設的年產(chǎn)180萬(wàn)噸的生產(chǎn)線(xiàn),它廣泛采用了當代厚板領(lǐng)域的新技術(shù)及先進(jìn)的裝備,熱處理線(xiàn)作為后區重要的生產(chǎn)線(xiàn),實(shí)時(shí)可靠的通信系統是必不可少的,因此采用Profibus—DP現場(chǎng)總線(xiàn)使全部控制設備通信網(wǎng)絡(luò )化。Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)把現場(chǎng)設備和PLC緊密集成為一個(gè)完整的控制系統; 現場(chǎng)操作臺由于采用了Profibus-DP通信接口, 節省了大量電器元件和電纜。作為眾多現場(chǎng)總線(xiàn)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(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)標準,也是目前國際上通用的現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一。[1]本文主要以預處理區域Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現來(lái)介紹Profibus-DP在寬厚板熱處理系統中的應用。

2 Profibus組成

2.1 Profibus概述

Profibus是一種具有廣泛應用范圍的、開(kāi)放的數字通信系統,在集中自動(dòng)化系統向分散自動(dòng)化系統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(guò)程自動(dòng)化),Profibus-FMS(現場(chǎng)總線(xiàn)報文)[2]。

Profibus-DP具有高速傳輸、價(jià)格低廉等特點(diǎn),實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單,主要用于分散設備間的數據高速傳輸,傳輸速率可由9.6kbps至 12Mbps。一般用于自動(dòng)化控制系統和現場(chǎng)設備級間的開(kāi)關(guān)量的通信,可滿(mǎn)足全數字交直流調速系統對于快速的時(shí)間響應要求。該總線(xiàn)具有適合于快速、時(shí)間要求嚴格的應用和復雜的通信任務(wù)的特點(diǎn),成為唯一能夠全面覆蓋工廠(chǎng)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化應用的現場(chǎng)總線(xiàn),特別適用于工廠(chǎng)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。在萊鋼寬厚板熱處理線(xiàn)中所采用的就是這種Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)。

2.2 Profibus網(wǎng)絡(luò )硬件

Profibus網(wǎng)絡(luò )主要涉及到的硬件包括:Profibus接口,通訊介質(zhì),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(diǎn)通過(guò)插頭連接以及網(wǎng)線(xiàn)連接到網(wǎng)絡(luò )上時(shí),根據RS485串口通訊的規范,每個(gè)物理網(wǎng)段支持32個(gè)物理設備,且在物理網(wǎng)段終端的站點(diǎn)應該設置終端電阻防止浪涌保證通訊質(zhì)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的內部的“PE”。而當CPU安裝在底板上時(shí), 其“PE”與底板是連通的,此時(shí)如果將安裝底板在電氣柜內做接地處理,則該SUB-D接口的外部金屬部分也是接地的。

2.4 通訊介質(zhì)

Profibus網(wǎng)絡(luò )支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質(zhì)。當然,現在也有支持無(wú)線(xiàn)通訊的設備,但我們目前面對的主要還是有線(xiàn)介質(zhì)。

3 Profibus-DP在預處理區系統中的應用

3.1 網(wǎng)絡(luò )拓撲的規則

在進(jìn)行Profibus網(wǎng)絡(luò )連接之前,首先應當考慮拓撲結構的設計是否有問(wèn)題。如果拓撲結構有問(wèn)題,將來(lái)網(wǎng)絡(luò )通訊很可能出現問(wèn)題。

另外,從波特率與距離的對應關(guān)系中可以看到,波特率越高,則對應的通訊距離越近,因而如果現場(chǎng)遇到Profibus的通訊有通訊不上或者通訊不穩定的情況,也可以考慮先將波特率降低,再進(jìn)行觀(guān)察處理。

設計一條Profibus網(wǎng)絡(luò ),首先需要了解Profibus網(wǎng)絡(luò )的拓撲規則:

① Profibus網(wǎng)絡(luò )是RS485串口通訊,半雙工,支持光纖通訊;

② 每個(gè)網(wǎng)絡(luò )理論上最多可連接127個(gè)物理站點(diǎn),其中包括主站、從站以及中繼設備;

③ 網(wǎng)絡(luò )的通訊波特率9.6kbps-12Mbps;

④ 每個(gè)物理網(wǎng)段最多32個(gè)物理站點(diǎn)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(gè)網(wǎng)段的通訊距離或者設備數如果超限,需要增加RS485中繼器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )拓展,中繼器最多可串聯(lián)9個(gè);

⑥ 每個(gè)中繼設備(RS485中繼器、OLM)也做為網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)物理站點(diǎn),但沒(méi)有站號;

⑦ 網(wǎng)絡(luò )支持多主站,但在同一網(wǎng)絡(luò )中,不建議多于3個(gè)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(gè),站號設置一般為3~125。

⑨ 如果網(wǎng)絡(luò )中涉及到分支電纜,則應注意分支電纜的長(cháng)度應當嚴格遵守Profibus 的協(xié)議規定。

3.2 預處理區DP網(wǎng)絡(luò )構成

預處理區系統包括一套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(shí)系統還與1#熱處理爐、3#熱處理爐通過(guò)DP通訊,與2#熱處理爐通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊。根據網(wǎng)絡(luò )拓撲的規則設計網(wǎng)格構成見(jiàn)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(pán)上料PLC和拋丸機PLC是S7-300 PLC,H7是S7-200PLC,BWL是編碼器,每個(gè)設備后面括號里的數字是給這個(gè)設備分配的硬件地址。

在預處理區DP網(wǎng)絡(luò )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(guò)DP/DP COUPLER連接的方法。對于DP/DP COUPLER連接的兩個(gè)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(gè)PROFIBUS-DP主站系統之間的數據通訊,但對于通訊數據區,網(wǎng)絡(luò )1的輸入區必須和網(wǎng)絡(luò )2的輸出區完全對應,同樣網(wǎng)絡(luò )2的輸入區必須和網(wǎng)絡(luò )1的輸出區完全對應,否則會(huì )造成通訊故障。

3.3 硬件組態(tài)

通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)連接,整個(gè)系統構成了一個(gè)全數字、全網(wǎng)絡(luò )化系統,成為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò )系統。預處理區系統的硬件組態(tài)如圖2所示。

預處理區系統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、一塊數字量輸入模板和一塊數字量輸出模板組成。結合圖1和圖2可以看出,磁盤(pán)上料和拋丸機通過(guò)地址是8和6的兩塊DP/DP COUPLER與預處理區系統通訊,在此系統中直接掛在416-2 CPU自帶的DP端口;系統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(gè)編碼器掛在第三塊CP 443-5模塊;H7系統的EM277、ET200站RIO01、ET200站RIO02和7個(gè)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(gè)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。