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基于Profibus-DP设计的通讯在宽厚板热处理系统应用

时间:2014-10-10 来源:中国自动化网 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:



摘  要:本文以宽厚板热处理线预处理区域系统为背景,分析了Profibus-DP的系统组成及其特点,通过研究预处理区域系统的DP网络构成,介绍了Profibus网络中所涉及的硬件以及网络规划和故障诊断方法。
关键词:Profibus;预处理;通讯;拓扑

中图分类号:TN919.2    文献标识码:B    文章编号:1003-7241(2012)04-0095-04

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澳门赌博线上开户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 澳门赌博线上开户、两套S7-300 澳门赌博线上开户、一套S7-200 澳门赌博线上开户、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#热处理炉澳门赌博线上开户是S7-400 澳门赌博线上开户,磁盘上料澳门赌博线上开户和抛丸机澳门赌博线上开户是S7-300 澳门赌博线上开户,H7是S7-200澳门赌博线上开户,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 澳门赌博线上开户主站与S7-300 澳门赌博线上开户之间的通讯和与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。
预处理区系统澳门赌博线上开户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。

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,只要像对一台澳门赌博线上开户那样对所有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,澳门赌博线上开户通过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.西门子澳门赌博线上开户编程技术及工程应用[M].北京:机械工业出版社,2007,13.

翟 诺
(山钢股份莱芜分公司自动化部,山东 莱芜 271104)
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