華菱衡鋼Φ340機組是衡鋼自動化程度最高的生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線的自動化控制復(fù)雜，控制網(wǎng)絡(luò)多。其自動化控制系統(tǒng)主要有ABB和西門子兩大類，三大主機（穿孔機、連軋機、定徑機）由ABB控制系統(tǒng)控制，管坯、環(huán)形爐、步進爐、精整線由西門子控制系統(tǒng)控制。所有控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用得最多的為Profibus－DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。Φ340機組精整生產(chǎn)線的基礎(chǔ)自動化采用Profibus－DP現(xiàn)場總線，組成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精整區(qū)設(shè)備的自動控制。
1 現(xiàn)場總線Profibus在工廠自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用
一個典型的工廠自動化系統(tǒng)應(yīng)該是三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場設(shè)備層、車間監(jiān)控層和工廠管理層�；诂F(xiàn)場總線Profibus－DP／PA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級。現(xiàn)場總線Profibus是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示：
圖1 Profibus在工廠自動化系統(tǒng)中的位置
1）現(xiàn)場設(shè)備層：主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I／O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制，如一臺加工設(shè)備控制、一條裝配輸送線或一條生產(chǎn)線上現(xiàn)場設(shè)備之間的連鎖控制。主站（PLC、PC機或其它控制器）負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信。
2）車間監(jiān)控層：車間級監(jiān)控用來完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個車間三條生產(chǎn)線主控制器之間的連接，完成車間級設(shè)備監(jiān)控。車間級監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報警及維護等。
3）工廠管理層：車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個子網(wǎng)。子網(wǎng)同過交換機、網(wǎng)橋或路由等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。
2 精整生產(chǎn)線工藝簡介
精整生產(chǎn)線主要作為鋼管生產(chǎn)的后期工藝處理，工藝流程如圖2。
圖2 精整生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程
由圖可看出精整線主要完成鋼管的通風(fēng)冷卻、定尺鋸切、矯直、探傷、噴印及下線入庫。因此生產(chǎn)線上的設(shè)備主要有冷床、管排鋸、矯直機、探傷機、噴標(biāo)機及現(xiàn)場輔助設(shè)備等。
2.1 精整線系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)工藝流程，精整線可分為四大系統(tǒng)，即冷卻系統(tǒng)、鋸切系統(tǒng)、矯直區(qū)、檢測區(qū)。其自動控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。冷卻系統(tǒng)主要將定徑后的高溫鋼管冷卻使其溫度滿足后續(xù)加工工藝要求。鋸切系統(tǒng)主要完成鋼管的頭尾切除和定尺。矯直區(qū)完成鋼管的矯直和去鋼管表面氧化層。檢測區(qū)完成鋼管無損檢測、鋼管好壞分選、噴字及按爐批號下線入庫。
由圖3可看出整個系統(tǒng)分兩大層，監(jiān)控層和設(shè)備控制層，以精整主PLC為核心。精整主PLC為精整1號線的核心，負(fù)責(zé)控制精整區(qū)的基礎(chǔ)自動化及該區(qū)域所有輔助設(shè)備和與管排鋸、矯直機、探傷機一類智能從站信息交換。
圖3 精整1號線的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
（1）監(jiān)控層
監(jiān)控層由工程師站和操作員站組成。工程師站為一臺西門子工控PC機，PC機上配有工業(yè)以太網(wǎng)卡和Step7v5．2軟件，工程師站用于程序監(jiān)控及故障診斷，工程師站屬一類主站。操作員站配工業(yè)以太網(wǎng)卡和WinCC組態(tài)軟件，它承當(dāng)數(shù)據(jù)管理、工產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、報警、及中文報表等工作。并可下達操作指令，實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化，操作員站屬于二類主站。
（2）設(shè)備控制層
系統(tǒng)設(shè)備控制層由Profibus－DP現(xiàn)場總線構(gòu)成，分四條網(wǎng)絡(luò)，共71個站。
Profibus－1：由現(xiàn)場I／O遠(yuǎn)程站、操作臺I／O遠(yuǎn)程站組成共9個站，這些I／O遠(yuǎn)程站都為ET200M模塊型從站，在硬件組態(tài)時傳輸速率設(shè)為1．5Mbps，由于該網(wǎng)絡(luò)線路較長，線路迂回長度500m以上。而Profibus中網(wǎng)絡(luò)段距離在200m以內(nèi)傳輸速率才能保證1．5Mbps，為了保證網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在1．5Mbps，所以在各站之間設(shè)有中繼放大器作信號放大和干擾隔離。該網(wǎng)絡(luò)主要采集現(xiàn)場檢測元件信號和接收操作臺的動作指令。Profibus－2：5P傳動網(wǎng)絡(luò)，由32個從站組成，從站為ABB的ACS600多傳動裝置。包括大冷床升降橫移傳動傳動裝置、冷床下料斯惠頓傳動裝置、鋸區(qū)前后輥道及斯惠頓傳動裝置等。ACS600逆變器通過NPBA－12Profibus總線適配器與主站的CP342－5進行通訊，通訊速率為1．5Mbps。該網(wǎng)絡(luò)上的通訊數(shù)據(jù)均為傳動裝置的控制字和狀態(tài)字信息，正常工作時傳動裝置隨時接收主站發(fā)過來的啟／停命令和速度給定，并同時發(fā)送自身的狀態(tài)信息給主站。
Profibus－3：6P傳動網(wǎng)絡(luò)，由24個從站組成，從站也為ABB的ACS600多傳動裝置。由矯直前后輥道傳動裝置、探傷前步進橫移傳動裝置、探傷區(qū)輥道傳動裝置、檢測區(qū)輥道傳動裝置、探傷后噴印后撥料鉤傳動裝置組成。該網(wǎng)絡(luò)上的逆變器由通過RPBA－01Profibus總線適配與主站的CP342－5進行通訊，通訊速率也為1．5Mbps，網(wǎng)絡(luò)功能與5P一樣。
Profibus－4：該網(wǎng)絡(luò)上所連的站都為智能從站，連接一號線中主要設(shè)備，4臺管排鋸、矯直機、探傷機。4臺管排鋸和矯直機都通過CP342－5通訊模塊與主站連接，探傷機PLC則將CPU作為從站掛在主站上。這條智能從站網(wǎng)絡(luò)主要完成主站與從站的接口信息交換，如主站發(fā)傳動裝置準(zhǔn)備好信號給從站、從站發(fā)給主站的輥道或斯惠頓啟／停信號及速度給定。
2.2 主站與從站通訊
Profibus－DP總線采用令牌傳送方式進行數(shù)據(jù)通訊，令牌傳送保證了訪問總線（令牌）的權(quán)利在精確定義的時間內(nèi)被分配。以下圖3描述主從站之間的通訊。Profibus－1上的從站與Profibus－2和Profibus－3的從站都存在數(shù)據(jù)交換。
如2＃管排鋸要低速啟動2＃鋸前輥道，首先2＃排鋸的用戶程序要將鋸前輥道的啟動信號和低速度信號送給本身的DP數(shù)據(jù)區(qū)，DP數(shù)據(jù)區(qū)再經(jīng)過Profibus－1發(fā)送給主站,主站的DP數(shù)據(jù)區(qū)接收到相關(guān)信息后經(jīng)用戶程序處理在放到對應(yīng)的CP數(shù)據(jù)庫中，CP本身具有編程功能相當(dāng)于一個CPU，CP將其DP數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)（鋸前輥道的啟動信號和低速度信號）經(jīng)過Profibus－2送給指定的從站（2＃鋸前輥道逆變器）。期間傳動裝置也不停地將自身的狀態(tài)信息發(fā)給CP。
圖4 DP網(wǎng)絡(luò)示意圖
圖5為數(shù)據(jù)交換原理示意圖。
圖5 數(shù)據(jù)交換原理
在STEP7用戶程序中，兩個專用的FC塊可用于數(shù)據(jù)交換：DP－SEND：將CPU中的指定的DP數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到Profibus－CP的緩沖器，以便傳送給DP從站。DP－RECV：從DP從站中讀取數(shù)據(jù)，將Profibus－CP接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)放入CPU指定的DP數(shù)據(jù)區(qū)中。
2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配置分析
在實際應(yīng)用中Profibus控制系統(tǒng)配置根據(jù)根據(jù)實際需要及經(jīng)費情況，通常有下幾種結(jié)構(gòu)類型：
1）結(jié)構(gòu)類型I：以PLC或控制器做一類主站，不設(shè)監(jiān)控站，但調(diào)試階段配置一臺編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。該類型在實際應(yīng)用中用得較多成本低，一般適合小型控制系統(tǒng)，如液壓站控制系統(tǒng)。Ф340分廠中的液壓站、稀油站、矯直機、無損探傷機等的控制網(wǎng)絡(luò)屬于該類型。
2）結(jié)構(gòu)類型II：以PLC或控制器做一類主站，監(jiān)控站通過串口與PLC一對一的連接。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在Profibus網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC或控制器中讀取。
3）結(jié)構(gòu)類型III：以PLC或其它控制器做一類主站，監(jiān)控站（二類主站）連接Profibus總線或工業(yè)以太網(wǎng)上。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站在Profibus網(wǎng)或以太網(wǎng)上作為二類主站，可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。精整線的基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)、管坯據(jù)和管排鋸的控制系統(tǒng)屬該類。
4）結(jié)構(gòu)類型IV：使用PC機加Profibus網(wǎng)卡做一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應(yīng)選用具有高可靠性、能長時間連續(xù)運行的工業(yè)級PC機。對于這種結(jié)構(gòu)類型，PC機故障將導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。實際生產(chǎn)中應(yīng)用得很少。
由于精整線設(shè)計時就是24小時連續(xù)作業(yè)，在系統(tǒng)配置時選用結(jié)構(gòu)類型III以考慮到平時點檢維護的需要。精整1號線4條DP網(wǎng)絡(luò)比較規(guī)范，Profibus1上掛的全是現(xiàn)場I／O遠(yuǎn)程站，PLC主站只需對其編址不需編寫通訊程序。Profibus2上掛的全是智能型從站其站點少，由于該網(wǎng)絡(luò)上所連的都是精整線的關(guān)鍵設(shè)備，通訊數(shù)據(jù)非常重要，因此不掛其它類型從站以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。Profibus3和Profibus4上掛的全是變頻器，該網(wǎng)絡(luò)上可統(tǒng)一編址統(tǒng)一編寫通訊程序，通訊程序編寫簡單。這四條網(wǎng)絡(luò)物理連接上相互獨立，因此當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)上出故障時不會影響另一條網(wǎng)絡(luò)上的通訊。
2.4 DP網(wǎng)絡(luò)通訊程序的編寫和故障診斷方法
2.4.1 DP網(wǎng)絡(luò)通訊程序的編寫
（1）CP342－5通訊模塊作DP主站時通訊程序的編寫對于CP342－5DP，必須用DP－SEND和DP－RECV功能塊，這些FC塊通過背板總線在CPU和CP之間傳送數(shù)據(jù)。如下所示：編程時可以完全自由地選擇源和目的區(qū)域�？梢詮臄�(shù)據(jù)塊、位存儲器和輸入輸出區(qū)域讀寫數(shù)據(jù)。精整一號線的Profibus3、Profibus4均可采用該編程方法。下圖為精整1號線5P的通訊程序。主站讀寫數(shù)據(jù)均在DB60中。CP342－5作從站時通訊程序編寫與作主站時一樣，這里不再敘述。
（2）CPU31x－2DPPLC作為主站或作從站時的編程這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用直接尋址的編程方法，精整1號線的Profibus2屬該類型。直接尋址編程時主站就是將從站的外部輸入?yún)^(qū)域映像地址信息寫到指定的DP塊中，而從站則將DP塊中的數(shù)據(jù)地址傳寫到對應(yīng)的外部輸出地址中。下為精整1號線主PLC與1號探傷機的通訊程序。LDB9．DBW10LPID700TPQW710TDB9．DBD0LPIW704TDB9．DBW4HY＿mastersedntoHY＿masterreceivefrom1＃tangshang1＃tangshang程序中均將輸入／輸出域的外部地址直接映射到DP9中。
（3）用SFC14和SFC15編程如果標(biāo)準(zhǔn)的DP從站也是模塊化的設(shè)計或者有幾個DP標(biāo)志符，你只能一次訪問一個模塊或一個DP標(biāo)志符的數(shù)據(jù)，這時需用SFC14從標(biāo)準(zhǔn)DP從站中讀取一致性數(shù)據(jù)和用SFC15向標(biāo)準(zhǔn)DP從站中寫入一致性數(shù)據(jù)來實現(xiàn)通訊。
2.4.2 DP網(wǎng)的故障診斷方法
（1）充分利用STEP7的在線診斷功能作故障診斷STEP7的在線診斷功能非常強大，能在線診斷各類型DP從站的故障并產(chǎn)生詳細(xì)的報文信息。在SETP7軟件的管理界面中用鼠標(biāo)點擊選擇：“PLC＼ModuleInformation＼HardwareDi-agnostics”就可看到相應(yīng)的故障診斷信息和報文。
（2）利用OB塊作故障分析在SIMATICNET系統(tǒng)中如果檢測到機架故障，子系統(tǒng)故障或分布式輸入輸出站故障，不管事故被定義為即將發(fā)生還是正在發(fā)生，CPU操作系統(tǒng)都會激活OB86。
表1
表1中臨時變量表示OB86已編寫好的不需用戶在編程，
一般只要將OB86下載PLC中就可以了。
OB86變量表中變量的含義如下：
OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C4／／DP站連接失敗
OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C5／／DP站故障
OB86＿MDL＿ADDR:DP主站的邏輯地址（診斷地址）
OB86＿RACKS＿FLTD:將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DWORD內(nèi)容
Bits0to7:DP站號（PROFIBUS地址）
Bits8to15:DP子系統(tǒng)識別符
Bits16to30:DP從站的邏輯地址（診斷地址）
Bit31:I／O標(biāo)識符
在故障診斷時根據(jù)變量表中具體數(shù)值進行故障分析即可。
3 現(xiàn)場總線的抗干擾問題分析
3.1 工廠現(xiàn)場干擾源分析
不同行業(yè)車間的干擾源不一樣，軋鋼車間現(xiàn)場干擾源主要有以下幾種：
1）傳動裝置，傳動系統(tǒng)是軋鋼車間最大的干擾源。傳動系統(tǒng)的總負(fù)荷約占造紙車間總負(fù)荷的2／3以上。在系統(tǒng)的整流和逆變中，大功率電力電子元器件(IGBT等)高速開和關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生大量的高頻電磁波污染整個車間，且產(chǎn)生大量高次諧波污染工頻電網(wǎng)。
2）變壓器、MCC柜、電力電纜和動力設(shè)備。這些設(shè)備均為工頻其頻率較低，干擾一般發(fā)生在近場，而近場中隨著干擾源的特性不同分電場分量和磁場分量，兩者有很大差別。特別是動力設(shè)備啟動時的瞬間電流能夠達到額定電流的1～6倍會產(chǎn)生大電流沖擊的暫態(tài)干擾。
3）來自工頻電源的干擾。工頻電源波形畸變和高次諧波若未加隔離或濾波便會通過向軋機控制系統(tǒng)供電而進入控制系統(tǒng)，從而影響現(xiàn)場總線的信號。
4）導(dǎo)線接觸不良產(chǎn)生的火花、電弧等。
5）三相供電不平衡產(chǎn)生的地電流、屏蔽層不共地產(chǎn)生的接地環(huán)流。
干擾源的傳播途徑有導(dǎo)線傳輸和空間輻射兩種，對于現(xiàn)場總線主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾。
3.2 現(xiàn)場總線的抗干擾措施
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，針對現(xiàn)場總線的干擾源可采取以下策略：
1）遠(yuǎn)離干擾源。動力設(shè)備和電力電纜對現(xiàn)場總線的干擾與距離的平方成反比，即隨距離的增大干擾衰減非�？�。因此在設(shè)備安裝放電纜時，在電纜夾層和電纜鉤中就要將動力電纜和現(xiàn)場總線分開保持一定距離。
2）現(xiàn)場總線設(shè)備和電纜采取屏蔽措施。現(xiàn)場總線屏蔽的原理：一是外來電磁波在金屬表面產(chǎn)生渦流，從而抵消原來的磁場；二是電磁波在金屬表面產(chǎn)生反射損耗而另一部分透射波在金屬屏蔽層內(nèi)傳播過程中衰減產(chǎn)生吸收損耗�，F(xiàn)場總線的屏蔽是利用由導(dǎo)電材料制成的屏蔽并結(jié)合接地來切斷干擾源。
3）采用UPS電源或隔離變壓器可防止來自工頻電源的干擾。
4）網(wǎng)段中間加中繼放大器。中繼器不但可隔離它之后的干擾信號，而且對它前段的網(wǎng)絡(luò)信號有放大作用。
5）采用光纜傳輸信號。在現(xiàn)場總線傳輸速度高傳輸距離遠(yuǎn)干擾大的情況下盡可能地采用光纜。采用光纜后有效解決了輻射擾和傳導(dǎo)干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間或者在接地狀況很不好的情況下采用光纜傳輸現(xiàn)場總線信號，可有效防止接地環(huán)流等干擾。
6）正確選擇和安裝傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)的整流部分采用12脈沖整流可有效消除5次和7次諧波。傳動柜與電機之間的動力電纜一定要采用良好屏蔽且三芯對稱的電力電纜。在精整線安裝調(diào)試期間就碰過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)故障，如5P傳動網(wǎng)，各逆變器都無規(guī)律地報通訊故障，檢查NPBA－12和接線都沒有問題，主PLC重新下硬件組態(tài)還是無效，最后只能將從PLC到各逆變器的DP網(wǎng)線全部套金屬軟管，金屬軟管與傳動裝置的地接觸好。這樣才解決掉網(wǎng)絡(luò)通訊故障。還有一種現(xiàn)象就是每當(dāng)在一條DP網(wǎng)上新增加一個從站，特別是變頻器做從站時。在啟動或停止變頻器瞬間該變頻器就報通訊故障，而且還會造成該網(wǎng)絡(luò)上其它站不穩(wěn)定，但變頻器處于運行和靜態(tài)時網(wǎng)絡(luò)又正常，采取各種屏蔽措施都沒有效果，最后在該變頻器前端加一中繼放大器后才消除網(wǎng)絡(luò)故障。
總體來說，對現(xiàn)場總線造成干擾較多的還是來自傳動的高頻干擾。因此對新設(shè)備的線路安裝要嚴(yán)格按照國標(biāo)或國際標(biāo)準(zhǔn)來施工，對后期的擴容也要留有余量。
4 結(jié)束語
Profibus－DP現(xiàn)場總線技術(shù)在精整生產(chǎn)線中的應(yīng)用總的來說是成功的。系統(tǒng)運行3年來，相對穩(wěn)定。發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障的概率很低，一般出故障時都是發(fā)生在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣的地方（如連軋機的芯棒支撐機架處和穿孔機下輥喂入角調(diào)整電機處等），故障原因大多數(shù)是從站電源線路或網(wǎng)線連接處的問題。在系統(tǒng)調(diào)試初期出現(xiàn)過因電磁干擾造成的通訊故障，但經(jīng)過對線路的屏蔽處理后，DP網(wǎng)由電磁干擾造成的通訊故障基本上沒有。實踐表明，該系統(tǒng)具有簡單實用，運行穩(wěn)定可靠且操作維護方便等優(yōu)點，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟效益。
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本文標(biāo)題：Profibus－DP現(xiàn)場總線在精整生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用
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