0 引言

隨著微處理器的技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了智能化設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)了信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能，使原來由主控計(jì)算機(jī)完成的一些任務(wù)被分散到了控制對象當(dāng)中。同時(shí)計(jì)算機(jī)在速度、穩(wěn)定性、可靠性等性能上的不斷提高，為主控計(jì)算機(jī)與被控設(shè)備之間高速度的、高精度的、高穩(wěn)定性的、高可靠性的及其便利的操作性和維護(hù)性帶來可能，從而催生了現(xiàn)場總線技術(shù)。如今以數(shù)字信號(hào)為傳輸特征的分布式控制系統(tǒng)(DCS，Distributed ControlSystem)代替以模擬信號(hào)為傳輸特征的集中控制系統(tǒng)已是大勢所趨。

雖然現(xiàn)場總線發(fā)展至今已有二十多年的歷史，但尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。絕大部分市場仍由幾大知名廠商占據(jù)。其中Profibus以Siemens公司為主要支持者，并成立了WorldFIP國際用戶組織。本文介紹了以Siemens 公司PLC 及變頻器為相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場總線應(yīng)用。

1 Profibus-DP結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)

Profibus是一種成熟的有著廣泛客戶支持的現(xiàn)場總線技術(shù)，業(yè)已成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19425和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制，過程控制，樓宇自動(dòng)化，交通，發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。

Profibus是以ISO7498 為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)OSI(Open System Interconnection)作為參考模型，定義了物理傳輸特性，總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。由于只采用物理層，數(shù)據(jù)鏈路層DDLM，和應(yīng)用層，所以成就了它的高速性和經(jīng)濟(jì)性。Profibus 由三個(gè)族系構(gòu)成，即Profibus-DP(Decentralized Periphery，分布I/O 系統(tǒng))，Profibus-PA(Process Automation ，現(xiàn)場總線信息規(guī)范)，Profibus -FMS(Fieldbus MessageSpecification，過程自動(dòng)化)。Profibus-PA專為過程控制而設(shè)計(jì);Profibus-FMS 應(yīng)用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò);而本系統(tǒng)采用的Profibus-DP是一種高效的，經(jīng)濟(jì)的，用于控制系統(tǒng)與分散式I/O設(shè)備之間的通訊。使用Profibus-DP模塊取代24 V或4~20 mA的串聯(lián)式信號(hào)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路層DDLM 提供的用戶接口，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取簡單方便，是一種優(yōu)化了的設(shè)計(jì)。傳輸介質(zhì)可以采用RS485傳輸通訊電纜或光纖，出于鋼鐵公司現(xiàn)場環(huán)境和工藝對數(shù)據(jù)速率的要求及經(jīng)濟(jì)性考慮，本系統(tǒng)采用的是RS485電纜。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)是邯鋼連鑄連軋廠熱板坯生產(chǎn)線系統(tǒng)的一部分，隸屬加熱爐系統(tǒng)。連鑄連軋薄板坯生產(chǎn)線系統(tǒng)主要由四個(gè)重要區(qū)域組成，分別為連鑄區(qū)，加熱爐區(qū)，軋制區(qū)，卷曲區(qū)。加熱爐區(qū)負(fù)責(zé)兩項(xiàng)任務(wù)，一是把連鑄出來的坯子加熱到工藝要求的相應(yīng)溫度，這項(xiàng)任務(wù)由溫度控制系統(tǒng)完成;二是把熱板坯傳送進(jìn)入軋機(jī)并達(dá)到軋機(jī)要求的相應(yīng)入口速度，此項(xiàng)任務(wù)由傳動(dòng)系統(tǒng)來完成。傳動(dòng)系統(tǒng)要接受兩個(gè)接口的信息來確定所采取的動(dòng)作，一是連鑄機(jī)要詢問加熱爐內(nèi)坯子的占有情況并做出相應(yīng)處理;二是當(dāng)軋機(jī)需要坯子時(shí)，需要詢問加熱爐坯子所在的位置，加熱爐作回應(yīng)，加速或減速輥道電機(jī)。坯子的位置通過系統(tǒng)計(jì)算和光電管檢測修正來確立。系統(tǒng)基本原理流程如圖1所示。

3 網(wǎng)絡(luò)硬件及組態(tài)

系統(tǒng)由S7416-2DP 接IM467 接口模板作為Profibus-DP 的主站，接CBP 模板的mm440 作為Profibus 的從站，PG(編程器)/PC 以網(wǎng)卡CP5611，S7416-2DP以MPI接口互連于MPI網(wǎng)絡(luò)，PG得以訪問S7416-2DP，修改，監(jiān)視變量。S7416-2DP 以CP433-1 通訊網(wǎng)卡，HMI 計(jì)算機(jī)以網(wǎng)卡cp1613 互連于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。PLC 通過IM467 接口模板接Profibus 通訊電纜RS485，終端通過連接器與變頻器的CBP 模板連接，構(gòu)成現(xiàn)場總線傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

S7416-DP通過Profibus-DP 協(xié)議發(fā)送控制字給變頻器和讀取變頻器的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對三相異步電動(dòng)機(jī)的控制與狀態(tài)的讀取。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中Temp- control為溫度控制系統(tǒng)PLC。

組態(tài)由軟件step7來完成，在SIMATIC MANAGER建立項(xiàng)目，插入主站s7400，在HWconfig 進(jìn)行組態(tài)，按照定貨號(hào)和硬件安裝順序依次插入機(jī)架，電源，CPU，接口模塊等。為IM467建立新的Profibus網(wǎng)絡(luò)，添加變頻器，選擇PPO 類型，設(shè)置IM467 為Profibus-DP 主站，變頻器為Profibus-DP 從站，在相關(guān)屬性中設(shè)置地址。組態(tài)如圖3所示。

4 從站配置

4.1 通訊報(bào)文結(jié)構(gòu)及選型

主站與從站的通訊報(bào)文結(jié)構(gòu)由協(xié)議幀頭、中間數(shù)據(jù)區(qū)、協(xié)議幀尾組成。變頻器作為通訊從站在中間數(shù)據(jù)區(qū)定義了通訊用的PPO類型，PPO 類型由PKW和PZD兩部分組成。PPO類型是各大知名廠商為了支持傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)定的行業(yè)規(guī)范，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)裝置的互換性，目前PPO 類型一共有五種，PPO1—PPO5。

mm440只支持PPO1型和PPO3 型，對本系統(tǒng)的多變頻器控制也可以選擇PPO2型，其結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4中，每個(gè)一個(gè)灰色方塊均代表一個(gè)字的空間，其中PPO1型通訊報(bào)文為6 個(gè)字(4PKW+2PZD);

PPO2 型通訊報(bào)文10 個(gè)字(4PKW+6PZD);PPO3 型通訊報(bào)文兩個(gè)字(2PZD)。圖中各標(biāo)識(shí)的含義為：

PKW，參數(shù)標(biāo)識(shí)符;PZD，過程數(shù)據(jù);PKE，參數(shù)標(biāo)識(shí)符;IND，索引;PWE，參數(shù)值;STW，控制字;ZSW，狀態(tài)字;HSW，主設(shè)定值;HIW，主實(shí)際值。PKW當(dāng)中包含一些讀寫請求，有無數(shù)據(jù)分組，參數(shù)號(hào)，分組代碼等相關(guān)信息。當(dāng)PLC 輸出，第一個(gè)字為控制字STW，第二個(gè)字為主設(shè)定值HSW。當(dāng)PLC 輸入，第一個(gè)字為狀態(tài)字ZSW，第二個(gè)字為運(yùn)行反饋值HIW。

4.2 變頻器通訊地址設(shè)置

西門子變頻器的通訊地址除了在硬件組態(tài)度中設(shè)置之外，還可通過現(xiàn)場通訊模板DIP 開關(guān)或者參數(shù)P918來設(shè)置。DIP 開關(guān)具有比P918 更高的優(yōu)先級(jí)。DIP有七個(gè)開關(guān)，從左到右為1—7，1為最低位，7為最高位，有效范圍1—125。

4.3 信息的存儲(chǔ)發(fā)送及讀寫

PLC 與變頻器之間的信息的傳輸通過I/O 過程映像區(qū)來完成，每個(gè)變頻器對應(yīng)獨(dú)立的區(qū)，長度與PPO類型的選擇有關(guān)，本系統(tǒng)選擇PPO2型，10 個(gè)字共20個(gè)字節(jié)，配置可以在屬性中進(jìn)行，如圖5所示。

讀寫信息需要調(diào)用特殊功能塊，STEP7 V5.1 有兩個(gè)SFC 塊“DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”，應(yīng)用DP

通訊傳輸命令“DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”把數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冾l器的通訊區(qū)PZD 數(shù)據(jù)區(qū)PIW內(nèi)，同時(shí)把變頻器的PZD數(shù)據(jù)區(qū)PQW數(shù)值讀到Profibus-DP傳輸?shù)腄B 塊中，通訊例程如下。

CALL“DPRD_DAT”;調(diào)用DP 讀命令

LADDR=W#16#200;起始地址如圖6(512 十六進(jìn)制為200H)

RECORD：= 數(shù)據(jù)塊中定義的PZD 數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)的數(shù)據(jù)地址

RET_VAL：= 程序塊的狀態(tài)字，以編碼形式反映程序的錯(cuò)誤

CALL“DPWR_DAT”;調(diào)用DP寫命令

LADDR：=W#16#200;起始地址

RECORD：= 數(shù)據(jù)塊中定義的PZD 數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)的數(shù)據(jù)地址

RET_VAL：= 程序塊的狀態(tài)字，以編碼形式反映程序的錯(cuò)誤

4.4 變頻器及電機(jī)參數(shù)的設(shè)置

為了保證總線運(yùn)行必須設(shè)置變頻器參數(shù)，通過編程器以RS232 接口串接參數(shù)讀寫模板來進(jìn)行，軟件為Driver monitor。主要參數(shù)如圖6所示。

5 系統(tǒng)監(jiān)控

系統(tǒng)采用PC 機(jī)作為監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控組態(tài)軟件Wincc。為了完成系統(tǒng)監(jiān)控，下列項(xiàng)目是必需的。

5.1 添加SIMATIC S7通訊協(xié)議

在正確安裝網(wǎng)卡之后，打開Wincc，選擇“TagManagement”，單擊右鍵選擇“Add New Diver”，在彈

出的窗口中選擇“SIMATIC S7 Protocol suite”，將其添加到“Tag Management”目錄下。

5.2 通訊設(shè)置

選擇TCP/IP 通訊協(xié)議，單擊右鍵選擇“Systemparameter”，在窗口“Logical device name”項(xiàng)目中選擇

CP5613;選擇TCP/IP通訊驅(qū)動(dòng)，單擊右鍵選擇“NewDriver connection”，建立一個(gè)新的連接，在對話框中添加需要訪問的CPU 地址(Station Address)和槽號(hào)(Slot Number)等。

5.3 畫面編輯及狀態(tài)顯示

利用畫面編輯器提供豐富的庫資源或者導(dǎo)入自己設(shè)計(jì)好的圖片作為人機(jī)界面;分組變量，根據(jù)Tag和項(xiàng)目在PLC 中相應(yīng)的關(guān)系，對其變量屬性進(jìn)行設(shè)置，通過Wincc 內(nèi)部函數(shù)GetTag 和SetTag 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，當(dāng)相應(yīng)的信息變化時(shí)候，系統(tǒng)做出回應(yīng)，如顏色的變化，數(shù)字的改變，報(bào)警等。本系統(tǒng)對與變頻器對應(yīng)的輥道設(shè)置了三種狀態(tài)，以不同顏色標(biāo)識(shí)：前進(jìn)(綠色)，后退(黃色)，故障(紅色)。當(dāng)紅色報(bào)警出現(xiàn)時(shí)候，畫面下方會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的信息條目，信息實(shí)時(shí)刷新?？赏ㄟ^信息記錄或報(bào)警記錄來確定是哪個(gè)報(bào)警信息，這些信息包括：變頻器跳閘，馬達(dá)溫度高，冷卻水溫度高，馬達(dá)開關(guān)關(guān)，通訊故障。

6 系統(tǒng)維護(hù)

維護(hù)人員根據(jù)Wincc畫面信息了解變頻器狀態(tài)并作出相應(yīng)的處理。另外對于現(xiàn)場級(jí)可通過變頻器的狀態(tài)了解變頻器本身及電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。西門子變頻器提供了三種手段來了解上述信息。

6.1 通過SDP(基本狀態(tài)模板)

通過SDP上下兩個(gè)LED燈狀態(tài)來判斷故障基本信息，具體如表1所列。

6.2 利用基本操作面板(BOP)

在BOP 分別用Axxx 和Fxxx表示報(bào)警信息和故障信息。在實(shí)際的維護(hù)中經(jīng)常能遇到的一些信息及常見處理辦法，如表2所列。

6.3 利用高級(jí)操作面板(AOP)

AOP設(shè)有報(bào)警屏幕，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者變頻器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，AOP將給出特定的故障信息：發(fā)生故障的變頻器識(shí)別號(hào);故障碼;說明故障狀態(tài)的解釋文本。

利用AOP 可以查看變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)信息，如輸出電流，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流回路的電流電壓等，為分析故障原因帶來方便，具體細(xì)節(jié)可查找相關(guān)手冊。

7 結(jié)語

Profibus-DP總線技術(shù)以其傳輸速率高，穩(wěn)定性好，擴(kuò)展性好，經(jīng)濟(jì)實(shí)用在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好的體現(xiàn)。另外西門子變頻器提供了卓越的與Profibus-DP的接口，給組建系統(tǒng)帶來了便利，其與變頻器的友好訪問接口及軟件給維護(hù)帶來高效率，為保證生產(chǎn)贏得寶貴時(shí)間。