Profibus－DP现场总线在精整生产系统中的应用

    华菱衡钢Φ340机组是衡钢自动化程度最高的生产线，整条生产线的自动化控制复杂，控制网络多。其自动化控制系统主要有ABB和西门子两大类，三大主机（穿孔机、连轧机、定径机）由ABB控制系统控制，管坯、环形炉、步进炉、精整线由西门子控制系统控制。所有控制系统中的网络应用得最多的为Profibus－DP现场总线网络。Φ340机组精整生产线的基础自动化采用Profibus－DP现场总线，组成分布式控制系统，实现精整区设备的自动控制。

1 现场总线Profibus在工厂自动化系统中的应用

    一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，即现场设备层、车间监控层和工厂管理层。基于现场总线Profibus－DP／PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线Profibus是面向现场级与车间级的数字化通信网络。如图1所示：

图1 Profibus在工厂自动化系统中的位置

    1）现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式I／O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制，如一台加工设备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站（PLC、PC机或其它控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。

    2）车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。

    3）工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网同过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。

2 精整生产线工艺简介

精整生产线主要作为钢管生产的后期工艺处理，工艺流程如图2。

图2 精整生产线的生产流程

    由图可看出精整线主要完成钢管的通风冷却、定尺锯切、矫直、探伤、喷印及下线入库。因此生产线上的设备主要有冷床、管排锯、矫直机、探伤机、喷标机及现场辅助设备等。

    2.1 精整线系统的构成

    根据工艺流程，精整线可分为四大系统，即冷却系统、锯切系统、矫直区、检测区。其自动控制网络拓扑结构图如图3所示。冷却系统主要将定径后的高温钢管冷却使其温度满足后续加工工艺要求。锯切系统主要完成钢管的头尾切除和定尺。矫直区完成钢管的矫直和去钢管表面氧化层。检测区完成钢管无损检测、钢管好坏分选、喷字及按炉批号下线入库。

    由图3可看出整个系统分两大层，监控层和设备控制层，以精整主PLC为核心。精整主PLC为精整1号线的核心，负责控制精整区的基础自动化及该区域所有辅助设备和与管排锯、矫直机、探伤机一类智能从站信息交换。

图3 精整1号线的控制网络结构

    （1）监控层

    监控层由工程师站和操作员站组成。工程师站为一台西门子工控PC机，PC机上配有工业以太网卡和Step7v5．2软件，工程师站用于程序监控及故障诊断，工程师站属一类主站。操作员站配工业以太网卡和WinCC组态软件，它承当数据管理、工产数据采集、报警、及中文报表等工作。并可下达操作指令，实现生产线的自动化，操作员站属于二类主站。

    （2）设备控制层

    系统设备控制层由Profibus－DP现场总线构成，分四条网络，共71个站。

    Profibus－1：由现场I／O远程站、操作台I／O远程站组成共9个站，这些I／O远程站都为ET200M模块型从站，在硬件组态时传输速率设为1．5Mbps，由于该网络线路较长，线路迂回长度500m以上。而Profibus中网络段距离在200m以内传输速率才能保证1．5Mbps，为了保证网络上数据传输速率稳定在1．5Mbps，所以在各站之间设有中继放大器作信号放大和干扰隔离。该网络主要采集现场检测元件信号和接收操作台的动作指令。Profibus－2：5P传动网络，由32个从站组成，从站为ABB的ACS600多传动装置。包括大冷床升降横移传动传动装置、冷床下料斯惠顿传动装置、锯区前后辊道及斯惠顿传动装置等。ACS600逆变器通过NPBA－12Profibus总线适配器与主站的CP342－5进行通讯，通讯速率为1．5Mbps。该网络上的通讯数据均为传动装置的控制字和状态字信息，正常工作时传动装置随时接收主站发过来的启／停命令和速度给定，并同时发送自身的状态信息给主站。

    Profibus－3：6P传动网络，由24个从站组成，从站也为ABB的ACS600多传动装置。由矫直前后辊道传动装置、探伤前步进横移传动装置、探伤区辊道传动装置、检测区辊道传动装置、探伤后喷印后拨料钩传动装置组成。该网络上的逆变器由通过RPBA－01Profibus总线适配与主站的CP342－5进行通讯，通讯速率也为1．5Mbps，网络功能与5P一样。[page]

    Profibus－4：该网络上所连的站都为智能从站，连接一号线中主要设备，4台管排锯、矫直机、探伤机。4台管排锯和矫直机都通过CP342－5通讯模块与主站连接，探伤机PLC则将CPU作为从站挂在主站上。这条智能从站网络主要完成主站与从站的接口信息交换，如主站发传动装置准备好信号给从站、从站发给主站的辊道或斯惠顿启／停信号及速度给定。

    2.2 主站与从站通讯

    Profibus－DP总线采用令牌传送方式进行数据通讯，令牌传送保证了访问总线（令牌）的权利在精确定义的时间内被分配。以下图3描述主从站之间的通讯。Profibus－1上的从站与Profibus－2和Profibus－3的从站都存在数据交换。

    如2＃管排锯要低速启动2＃锯前辊道，首先2＃排锯的用户程序要将锯前辊道的启动信号和低速度信号送给本身的DP数据区，DP数据区再经过Profibus－1发送给主站,主站的DP数据区接收到相关信息后经用户程序处理在放到对应的CP数据库中，CP本身具有编程功能相当于一个CPU，CP将其DP数据缓冲区的数据（锯前辊道的启动信号和低速度信号）经过Profibus－2送给指定的从站（2＃锯前辊道逆变器）。期间传动装置也不停地将自身的状态信息发给CP。

图4 DP网络示意图

    图5为数据交换原理示意图。

图5 数据交换原理

    在STEP7用户程序中，两个专用的FC块可用于数据交换：DP－SEND：将CPU中的指定的DP数据区的数据发送到Profibus－CP的缓冲器，以便传送给DP从站。DP－RECV：从DP从站中读取数据，将Profibus－CP接收缓冲区的数据放入CPU指定的DP数据区中。

    2.3 现场总线控制系统配置分析

    在实际应用中Profibus控制系统配置根据根据实际需要及经费情况，通常有下几种结构类型：

    1）结构类型I：以PLC或控制器做一类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型，PLC或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。该类型在实际应用中用得较多成本低，一般适合小型控制系统，如液压站控制系统。Ф340分厂中的液压站、稀油站、矫直机、无损探伤机等的控制网络属于该类型。

    2）结构类型II：以PLC或控制器做一类主站，监控站通过串口与PLC一对一的连接。这种结构类型，监控站不在Profibus网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器中读取。

    3）结构类型III：以PLC或其它控制器做一类主站，监控站（二类主站）连接Profibus总线或工业以太网上。这种结构类型，监控站在Profibus网或以太网上作为二类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能。精整线的基础自动化控制系统、管坯据和管排锯的控制系统属该类。

    4）结构类型IV：使用PC机加Profibus网卡做一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低成本方案，但PC机应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机。对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统瘫痪。实际生产中应用得很少。

    由于精整线设计时就是24小时连续作业，在系统配置时选用结构类型III以考虑到平时点检维护的需要。精整1号线4条DP网络比较规范，Profibus1上挂的全是现场I／O远程站，PLC主站只需对其编址不需编写通讯程序。Profibus2上挂的全是智能型从站其站点少，由于该网络上所连的都是精整线的关键设备，通讯数据非常重要，因此不挂其它类型从站以保证网络的稳定。Profibus3和Profibus4上挂的全是变频器，该网络上可统一编址统一编写通讯程序，通讯程序编写简单。这四条网络物理连接上相互独立，因此当一条网络上出故障时不会影响另一条网络上的通讯。

    2.4 DP网络通讯程序的编写和故障诊断方法

    2.4.1 DP网络通讯程序的编写

    （1）CP342－5通讯模块作DP主站时通讯程序的编写对于CP342－5DP，必须用DP－SEND和DP－RECV功能块，这些FC块通过背板总线在CPU和CP之间传送数据。如下所示：编程时可以完全自由地选择源和目的区域。可以从数据块、位存储器和输入输出区域读写数据。精整一号线的Profibus3、Profibus4均可采用该编程方法。下图为精整1号线5P的通讯程序。主站读写数据均在DB60中。CP342－5作从站时通讯程序编写与作主站时一样，这里不再叙述。

    （2）CPU31x－2DPPLC作为主站或作从站时的编程这类网络结构可采用直接寻址的编程方法，精整1号线的Profibus2属该类型。直接寻址编程时主站就是将从站的外部输入区域映像地址信息写到指定的DP块中，而从站则将DP块中的数据地址传写到对应的外部输出地址中。下为精整1号线主PLC与1号探伤机的通讯程序。LDB9．DBW10LPID700TPQW710TDB9．DBD0LPIW704TDB9．DBW4HY＿mastersedntoHY＿masterreceivefrom1＃tangshang1＃tangshang程序中均将输入／输出域的外部地址直接映射到DP9中。

    （3）用SFC14和SFC15编程如果标准的DP从站也是模块化的设计或者有几个DP标志符，你只能一次访问一个模块或一个DP标志符的数据，这时需用SFC14从标准DP从站中读取一致性数据和用SFC15向标准DP从站中写入一致性数据来实现通讯。

    2.4.2 DP网的故障诊断方法

    （1）充分利用STEP7的在线诊断功能作故障诊断STEP7的在线诊断功能非常强大，能在线诊断各类型DP从站的故障并产生详细的报文信息。在SETP7软件的管理界面中用鼠标点击选择：“PLC＼ModuleInformation＼HardwareDi-agnostics”就可看到相应的故障诊断信息和报文。

    （2）利用OB块作故障分析在SIMATICNET系统中如果检测到机架故障，子系统故障或分布式输入输出站故障，不管事故被定义为即将发生还是正在发生，CPU操作系统都会激活OB86。

表1

    表1中临时变量表示OB86已编写好的不需用户在编程，
    一般只要将OB86下载PLC中就可以了。
    OB86变量表中变量的含义如下：
    OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C4／／DP站连接失败
    OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C5／／DP站故障
    OB86＿MDL＿ADDR:DP主站的逻辑地址（诊断地址）
    OB86＿RACKS＿FLTD:将数据转化为DWORD内容
    Bits0to7:DP站号（PROFIBUS地址）
    Bits8to15:DP子系统识别符
    Bits16to30:DP从站的逻辑地址（诊断地址）
    Bit31:I／O标识符
    在故障诊断时根据变量表中具体数值进行故障分析即可。

3 现场总线的抗干扰问题分析

    3.1 工厂现场干扰源分析

    不同行业车间的干扰源不一样，轧钢车间现场干扰源主要有以下几种：

    1）传动装置，传动系统是轧钢车间最大的干扰源。传动系统的总负荷约占造纸车间总负荷的2／3以上。在系统的整流和逆变中，大功率电力电子元器件(IGBT等)高速开和关转换产生大量的高频电磁波污染整个车间，且产生大量高次谐波污染工频电网。[page]

    2）变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备。这些设备均为工频其频率较低，干扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源的特性不同分电场分量和磁场分量，两者有很大差别。特别是动力设备启动时的瞬间电流能够达到额定电流的1～6倍会产生大电流冲击的暂态干扰。

    3）来自工频电源的干扰。工频电源波形畸变和高次谐波若未加隔离或滤波便会通过向轧机控制系统供电而进入控制系统，从而影响现场总线的信号。

    4）导线接触不良产生的火花、电弧等。

    5）三相供电不平衡产生的地电流、屏蔽层不共地产生的接地环流。

    干扰源的传播途径有导线传输和空间辐射两种，对于现场总线主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。

    3.2 现场总线的抗干扰措施

    根据现场实际情况，针对现场总线的干扰源可采取以下策略：

    1）远离干扰源。动力设备和电力电缆对现场总线的干扰与距离的平方成反比，即随距离的增大干扰衰减非常快。因此在设备安装放电缆时，在电缆夹层和电缆钩中就要将动力电缆和现场总线分开保持一定距离。

    2）现场总线设备和电缆采取屏蔽措施。现场总线屏蔽的原理：一是外来电磁波在金属表面产生涡流，从而抵消原来的磁场；二是电磁波在金属表面产生反射损耗而另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地来切断干扰源。

    3）采用UPS电源或隔离变压器可防止来自工频电源的干扰。

    4）网段中间加中继放大器。中继器不但可隔离它之后的干扰信号，而且对它前段的网络信号有放大作用。

    5）采用光缆传输信号。在现场总线传输速度高传输距离远干扰大的情况下尽可能地采用光缆。采用光缆后有效解决了辐射扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间或者在接地状况很不好的情况下采用光缆传输现场总线信号，可有效防止接地环流等干扰。

    6）正确选择和安装传动系统。传动系统的整流部分采用12脉冲整流可有效消除5次和7次谐波。传动柜与电机之间的动力电缆一定要采用良好屏蔽且三芯对称的电力电缆。在精整线安装调试期间就碰过现场总线网络故障，如5P传动网，各逆变器都无规律地报通讯故障，检查NPBA－12和接线都没有问题，主PLC重新下硬件组态还是无效，最后只能将从PLC到各逆变器的DP网线全部套金属软管，金属软管与传动装置的地接触好。这样才解决掉网络通讯故障。还有一种现象就是每当在一条DP网上新增加一个从站，特别是变频器做从站时。在启动或停止变频器瞬间该变频器就报通讯故障，而且还会造成该网络上其它站不稳定，但变频器处于运行和静态时网络又正常，采取各种屏蔽措施都没有效果，最后在该变频器前端加一中继放大器后才消除网络故障。

    总体来说，对现场总线造成干扰较多的还是来自传动的高频干扰。因此对新设备的线路安装要严格按照国标或国际标准来施工，对后期的扩容也要留有余量。

4 结束语

    Profibus－DP现场总线技术在精整生产线中的应用总的来说是成功的。系统运行3年来，相对稳定。发生网络故障的概率很低，一般出故障时都是发生在现场环境较恶劣的地方（如连轧机的芯棒支撑机架处和穿孔机下辊喂入角调整电机处等），故障原因大多数是从站电源线路或网线连接处的问题。在系统调试初期出现过因电磁干扰造成的通讯故障，但经过对线路的屏蔽处理后，DP网由电磁干扰造成的通讯故障基本上没有。实践表明，该系统具有简单实用，运行稳定可靠且操作维护方便等优点，为企业取得了良好的经济效益。