郭 強

1  引言
某軋鋼廠(chǎng)是70年代我國自行設計建設的一座寬厚板軋鋼廠(chǎng)。該廠(chǎng)4200mm軋機主輔傳動(dòng)系統均為發(fā)電機―電動(dòng)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(mǎn)足當前生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，需要進(jìn)行升級換代。我們在分析了現場(chǎng)實(shí)際情況后，本著(zhù)跟蹤國際先進(jìn)水平，順應網(wǎng)絡(luò )化和數字化的控制思想，為該廠(chǎng)配置了一套自動(dòng)化控制系統。
2  現場(chǎng)總線(xiàn)的選用
2.1  現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的選擇
當前世界上比較流行的現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)已經(jīng)在某些特定的行業(yè)中得到了廣泛的認同。我們在比較了幾種總線(xiàn)協(xié)議并結合該廠(chǎng)的特點(diǎn)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(chǎng)總線(xiàn)，傳輸率最高可達12Mbps，另一方面它能夠很好的與西門(mén)子的傳動(dòng)設備相配合，并與西門(mén)子PLC(Programmable Logic Controller)結合緊密且組態(tài)簡(jiǎn)便。
PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是隨全數字控制系統的發(fā)展而產(chǎn)生的，是于1987年由德國西門(mén)子公司和其它十幾家企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，1996年成為歐洲工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一（EN50170 VOL.2），1999年成為國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準IEC 61158的組成部分。
PROFIBUS協(xié)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(hù)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(gè)組成部分（FMS、DP和PA）可以滿(mǎn)足不同的應用對象和通信速率場(chǎng)合的要求且開(kāi)放性很好。
PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的數據鏈路協(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(xiàn)數據發(fā)送權。物理介質(zhì)通常采用雙絞屏蔽電纜，總線(xiàn)接頭采用9針D 型插頭，接線(xiàn)方便簡(jiǎn)單，容易擴展，網(wǎng)絡(luò )上最多可連接127個(gè)站點(diǎn)，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(dòng)系統，二級為基礎自動(dòng)化系統。
基礎自動(dòng)化級采用西門(mén)子S7-400系列PLC，CPU選用414-2DP，傳動(dòng)級采用西門(mén)子6RA70系列直流數字裝置并配置CBP通訊網(wǎng)卡。PLC通過(guò)PROFIBUS－DP網(wǎng)一方面迅速響應操作員發(fā)出的操作命令，另一方面與傳動(dòng)設備進(jìn)行高速數據通訊，以便PLC根據傳送上來(lái)的電機電流、電壓的實(shí)際大小作出及時(shí)必要的處理。HMI（人機界面）選用可靠性高的IPC+CP1413+WinCC，通過(guò)以太網(wǎng)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(dòng)化系統配置圖

3  主要通訊功能的實(shí)現
由于HMI上要實(shí)時(shí)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(tài)信息，所以要求每套數字傳動(dòng)裝置要向PLC傳送6個(gè)字長(cháng)的數據，同時(shí)還要接收PLC發(fā)出的速度基準和必要的開(kāi)關(guān)量指令。在進(jìn)行硬件配置時(shí)，選擇CBP的類(lèi)型為PPO5(PKW:4|PZD:10)，并選擇基地址，在使用STEP7編程時(shí)，由于網(wǎng)上每個(gè)站交換的數據長(cháng)度大于2個(gè)字長(cháng)，所以必須使用系統功能模塊SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWR_DAT)，這兩個(gè)模塊在OB1中循環(huán)調用，一般情況下，SFC14放在程序的開(kāi)始部分，SFC15放在后面。編程時(shí)首先要指定目標地址，即在做硬件配置時(shí)所選定的基地址，然后再分配一段內存空間（一定要用ANY類(lèi)型）用于存放讀入或寫(xiě)出的數據。當功能正常完成后，會(huì )返回一個(gè)為零的信息碼，當信息碼為負時(shí)，表明通訊存在問(wèn)題，此時(shí)可根據故障代號進(jìn)行分析判斷以解決問(wèn)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(mén)子的PLC和傳動(dòng)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(shí)對相應的寄存器要進(jìn)行字節交換。而傳動(dòng)設備在向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送數據之前要對其數據進(jìn)行加工，因此PLC要對傳送上來(lái)的速度、電壓等變量進(jìn)行量綱變換后才能使用。
4  應注意的問(wèn)題
(1)  硬件方面
①  通訊電纜最好用西門(mén)子的專(zhuān)用DP電纜，電纜屏蔽層一定要保證接地良好。
②  PROFIBUS-DP的布線(xiàn)和插頭接線(xiàn)要嚴格按照規定進(jìn)行。
③  雖然購置現場(chǎng)總線(xiàn)型系統的費用要高于普通系統，但是安裝時(shí)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(tài)靈活，可以隨時(shí)根據現場(chǎng)要求配置通訊變量的數量和內容，有效地滿(mǎn)足了控制系統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，使維護人員可以迅速的排除故障，縮短停機時(shí)間。維護和改造停工時(shí)間減少60%。
5  結語(yǔ)
該系統投產(chǎn)兩年多來(lái)，工況平穩，網(wǎng)絡(luò )通訊穩定，死網(wǎng)情況極少發(fā)生?？刂葡到y的響應速度和控制精度明顯提高，顯著(zhù)提高了鋼板質(zhì)量，該廠(chǎng)鋼板年產(chǎn)量逐年上升。由于采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，使電纜數量和接點(diǎn)數量大大減少，因此減少了潛在的故障點(diǎn)數目，從而大副度減少了設備的維護量，深受現場(chǎng)工程技術(shù)維護人員和操作工的歡迎。