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郭 強(qiáng)

1  引言
某軋鋼廠是70年代我國自行設(shè)計建設(shè)的一座寬厚板軋鋼廠。該廠4200mm軋機(jī)主輔傳動系統(tǒng)均為發(fā)電機(jī)―電動機(jī)機(jī)組供電方式，控制系統(tǒng)為繼電邏輯+交磁控制系統(tǒng)，由于設(shè)備陳舊老化、故障率高、性能下降，與現(xiàn)代軋機(jī)的控制系統(tǒng)水平相距甚遠(yuǎn)，已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，需要進(jìn)行升級換代。我們在分析了現(xiàn)場實際情況后，本著跟蹤國際先進(jìn)水平，順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的控制思想，為該廠配置了一套自動化控制系統(tǒng)。
2  現(xiàn)場總線的選用
2.1  現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的選擇
當(dāng)前世界上比較流行的現(xiàn)場總線有PROFIBUS，DeviceNet，Interbus-S，Modbus，CANopen等。它們在我國也都有廣泛的應(yīng)用，其中有些總線已經(jīng)在某些特定的行業(yè)中得到了廣泛的認(rèn)同。我們在比較了幾種總線協(xié)議并結(jié)合該廠的特點后最終選定PROFIBUS。一方面由于它是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場總線，傳輸率最高可達(dá)12Mbps，另一方面它能夠很好的與西門子的傳動設(shè)備相配合，并與西門子PLC(Programmable Logic Controller)結(jié)合緊密且組態(tài)簡便。
PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是隨全數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是于1987年由德國西門子公司和其它十幾家企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的，1996年成為歐洲工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一（EN50170 VOL.2），1999年成為國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158的組成部分。
PROFIBUS協(xié)議是基于ISO的標(biāo)準(zhǔn)OSI七層參考模型的，但它只定義了第一、第二和用戶層（如PROFIBUS-DP）或第七層（如PROFIBUS-FMS），而第三層到第六層未加定義。另外，它的3個組成部分（FMS、DP和PA）可以滿足不同的應(yīng)用對象和通信速率場合的要求且開放性很好。
PROFIBUS現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是帶主從方式的令牌傳遞，主站與從站之間以主從方式通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)。物理介質(zhì)通常采用雙絞屏蔽電纜，總線接頭采用9針D 型插頭，接線方便簡單，容易擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)上最多可連接127個站點，若采用光纜最大傳輸距離可達(dá)90公里。
2.2  控制系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)分為兩級，一級為數(shù)字傳動系統(tǒng)，二級為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)。
基礎(chǔ)自動化級采用西門子S7-400系列PLC，CPU選用414-2DP，傳動級采用西門子6RA70系列直流數(shù)字裝置并配置CBP通訊網(wǎng)卡。PLC通過PROFIBUS－DP網(wǎng)一方面迅速響應(yīng)操作員發(fā)出的操作命令，另一方面與傳動設(shè)備進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通訊，以便PLC根據(jù)傳送上來的電機(jī)電流、電壓的實際大小作出及時必要的處理。HMI（人機(jī)界面）選用可靠性高的IPC+CP1413+WinCC，通過以太網(wǎng)連接到PLC完成人機(jī)交互控制、數(shù)據(jù)監(jiān)視記錄和報表統(tǒng)計等工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1  自動化系統(tǒng)配置圖

3  主要通訊功能的實現(xiàn)
由于HMI上要實時地顯示電機(jī)速度、電流、電壓、勵磁電流等運行參數(shù)和故障信號等狀態(tài)信息，所以要求每套數(shù)字傳動裝置要向PLC傳送6個字長的數(shù)據(jù)，同時還要接收PLC發(fā)出的速度基準(zhǔn)和必要的開關(guān)量指令。在進(jìn)行硬件配置時，選擇CBP的類型為PPO5(PKW:4|PZD:10)，并選擇基地址，在使用STEP7編程時，由于網(wǎng)上每個站交換的數(shù)據(jù)長度大于2個字長，所以必須使用系統(tǒng)功能模塊SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWR_DAT)，這兩個模塊在OB1中循環(huán)調(diào)用，一般情況下，SFC14放在程序的開始部分，SFC15放在后面。編程時首先要指定目標(biāo)地址，即在做硬件配置時所選定的基地址，然后再分配一段內(nèi)存空間（一定要用ANY類型）用于存放讀入或?qū)懗龅臄?shù)據(jù)。當(dāng)功能正常完成后，會返回一個為零的信息碼，當(dāng)信息碼為負(fù)時，表明通訊存在問題，此時可根據(jù)故障代號進(jìn)行分析判斷以解決問題，程序框圖如圖2所示。

圖2  通訊功能程序框圖

需要注意的是，西門子的PLC和傳動設(shè)備在內(nèi)存數(shù)據(jù)的處理方式上有所不同，主要體現(xiàn)在位信息的傳送上。為了保證信息的對應(yīng)性，PLC在編程時對相應(yīng)的寄存器要進(jìn)行字節(jié)交換。而傳動設(shè)備在向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)之前要對其數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，因此PLC要對傳送上來的速度、電壓等變量進(jìn)行量綱變換后才能使用。
4  應(yīng)注意的問題
(1)  硬件方面
①  通訊電纜最好用西門子的專用DP電纜，電纜屏蔽層一定要保證接地良好。
②  PROFIBUS-DP的布線和插頭接線要嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行。
③  雖然購置現(xiàn)場總線型系統(tǒng)的費用要高于普通系統(tǒng)，但是安裝時減少了大量電纜、橋架和鋼管等材料，故安裝費用大大降低，且投資回報率高，運行費用和能耗可節(jié)省20%。
(2)  軟件方面
①  采用數(shù)字信號通訊，有效地提高了數(shù)據(jù)的傳送精度和系統(tǒng)的控制精度。
②  PLC可以獲取更多的設(shè)備信息且組態(tài)靈活，可以隨時根據(jù)現(xiàn)場要求配置通訊變量的數(shù)量和內(nèi)容，有效地滿足了控制系統(tǒng)對信息集成度所提出的要求。
③  網(wǎng)絡(luò)故障具有自診斷功能，使維護(hù)人員可以迅速的排除故障，縮短停機(jī)時間。維護(hù)和改造停工時間減少60%。
5  結(jié)語
該系統(tǒng)投產(chǎn)兩年多來，工況平穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定，死網(wǎng)情況極少發(fā)生。控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度明顯提高，顯著提高了鋼板質(zhì)量，該廠鋼板年產(chǎn)量逐年上升。由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，使電纜數(shù)量和接點數(shù)量大大減少，因此減少了潛在的故障點數(shù)目，從而大副度減少了設(shè)備的維護(hù)量，深受現(xiàn)場工程技術(shù)維護(hù)人員和操作工的歡迎。