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

[align=center]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）[/align] 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 [b]1 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù) 1．1 概述[/b] 　　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。控制器掃描所有I／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： 　　① 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； 　?、?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?？刂谱侄蝐表示幀類型、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。 [b]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)[/b] 　　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。