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郭 強

1  引言
某軋鋼廠是70年代我國自行設計建設的一座寬厚板軋鋼廠。該廠4200mm軋機主輔傳動系統均為發電機―電動機機組供電方式，控制系統為繼電邏輯+交磁控制系統，由于設備陳舊老化、故障率高、性能下降，與現代軋機的控制系統水平相距甚遠，已不能滿足當前生產工藝和產品質量的要求，需要進行升級換代。我們在分析了現場實際情況后，本著跟蹤國際先進水平，順應網絡化和數字化的控制思想，為該廠配置了一套自動化控制系統。
2  現場總線的選用
2.1  現場總線網絡的選擇
當前世界上比較流行的現場總線有PROFIBUS，DeviceNet，Interbus-S，Modbus，CANopen等。它們在我國也都有廣泛的應用，其中有些總線已經在某些特定的行業中得到了廣泛的認同。我們在比較了幾種總線協議并結合該廠的特點后最終選定PROFIBUS。一方面由于它是目前數據傳輸率最快的一種現場總線，傳輸率最高可達12Mbps，另一方面它能夠很好的與西門子的傳動設備相配合，并與西門子PLC(Programmable Logic Controller)結合緊密且組態簡便。
PROFIBUS現場總線技術是隨全數字控制系統的發展而產生的，是于1987年由德國西門子公司和其它十幾家企業聯合開發的，1996年成為歐洲工業現場總線標準之一（EN50170 VOL.2），1999年成為國際現場總線標準IEC 61158的組成部分。
PROFIBUS協議是基于ISO的標準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）可以滿足不同的應用對象和通信速率場合的要求且開放性很好。
PROFIBUS現場總線的數據鏈路協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議決定總線數據發送權。物理介質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，容易擴展，網絡上最多可連接127個站點，若采用光纜最大傳輸距離可達90公里。
2.2  控制系統介紹
系統分為兩級，一級為數字傳動系統，二級為基礎自動化系統。
基礎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系列直流數字裝置并配置CBP通訊網卡。PLC通過PROFIBUS－DP網一方面迅速響應操作員發出的操作命令，另一方面與傳動設備進行高速數據通訊，以便PLC根據傳送上來的電機電流、電壓的實際大小作出及時必要的處理。HMI（人機界面）選用可靠性高的IPC+CP1413+WinCC，通過以太網連接到PLC完成人機交互控制、數據監視記錄和報表統計等工作。系統結構如圖1所示。

 
圖1  自動化系統配置圖

3  主要通訊功能的實現
由于HMI上要實時地顯示電機速度、電流、電壓、勵磁電流等運行參數和故障信號等狀態信息，所以要求每套數字傳動裝置要向PLC傳送6個字長的數據，同時還要接收PLC發出的速度基準和必要的開關量指令。在進行硬件配置時，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，由于網上每個站交換的數據長度大于2個字長，所以必須使用系統功能模塊SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWR_DAT)，這兩個模塊在OB1中循環調用，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，然后再分配一段內存空間（一定要用ANY類型）用于存放讀入或寫出的數據。當功能正常完成后，會返回一個為零的信息碼，當信息碼為負時，表明通訊存在問題，此時可根據故障代號進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和傳動設備在內存數據的處理方式上有所不同，主要體現在位信息的傳送上。為了保證信息的對應性，PLC在編程時對相應的寄存器要進行字節交換。而傳動設備在向網絡上發送數據之前要對其數據進行加工，因此PLC要對傳送上來的速度、電壓等變量進行量綱變換后才能使用。
4  應注意的問題
(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格按照規定進行。
③  雖然購置現場總線型系統的費用要高于普通系統，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省20%。
(2)  軟件方面
①  采用數字信號通訊，有效地提高了數據的傳送精度和系統的控制精度。
②  PLC可以獲取更多的設備信息且組態靈活，可以隨時根據現場要求配置通訊變量的數量和內容，有效地滿足了控制系統對信息集成度所提出的要求。
③  網絡故障具有自診斷功能，使維護人員可以迅速的排除故障，縮短停機時間。維護和改造停工時間減少60%。
5  結語
該系統投產兩年多來，工況平穩，網絡通訊穩定，死網情況極少發生。控制系統的響應速度和控制精度明顯提高，顯著提高了鋼板質量，該廠鋼板年產量逐年上升。由于采用了現場總線技術，使電纜數量和接點數量大大減少，因此減少了潛在的故障點數目，從而大副度減少了設備的維護量，深受現場工程技術維護人員和操作工的歡迎。