采用現(xiàn)場總線和PLC器件實現(xiàn)板坯連鑄機電氣自動控制系統(tǒng)的設計

1、引言

板坯連鑄機電氣基礎自動化控制系統(tǒng)是保證連鑄機正常生產的關鍵系統(tǒng)，相對其它系統(tǒng)而言，對于系統(tǒng)硬件的可靠性、穩(wěn)定性上要求更高。濟鋼三煉鋼板坯連鑄機基礎自動化控制系統(tǒng)，采用德國SIEMENS公司的S7系列產品，組合成儀控合一的基礎自動化控制系統(tǒng)，PLC之間相互通訊的媒介為PROFIBUS總線。PROFIBUS總線在板坯連鑄機系統(tǒng)中應用廣泛，在設備運行過程中顯示出了它強大的穩(wěn)定性和可靠性。

2、PROFIBUS總線簡介

PROFIBUS協(xié)議結構是根據(jù)ISO7498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網絡（Open System Interconnection-OSI）作為參考模型的。該模型共有七層， 第一層為物理層，第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，第三－六層未使用，第七層為應用層亦即用戶接口層。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS設備的設備行為。PROFIBUS由三個兼容部分組成，即：（1）PROFIBUS_DP（Decentralized Periphery）是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS_DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸；（2）PROFIBUS_PA（Process Automatic）專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范；（3）PROFIBUS_FMS（Fieldbus Message Specification ）用于車間級監(jiān)控網絡，是一個令牌結構，實時多主網絡。

3種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。但以PROFIBUS_DP的高速、高可靠性、低成本通信應用最為廣泛，濟鋼三煉鋼板坯連鑄機系統(tǒng)中的網絡通訊采用的就是PROFIBUS_DP總線。其特征及現(xiàn)場應用介紹如下。

3、PROFIBUS_DP控制網絡在連鑄機中的應用

3.1 連鑄機系統(tǒng)總線的選取

在種類繁多的現(xiàn)場總線中，PROFIBUS_DP以高速低成本通信的優(yōu)勢，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，滿足了生產過程現(xiàn)場級數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，使用PROFIBUS_DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸?shù)耐ㄐ判枨?。另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。特別在現(xiàn)場“分散I/O”領域，大量的、各種各樣的、可連接的現(xiàn)場設備，如：變頻器、MP270、C7等都可連接使用?，F(xiàn)場PROFIBUS_DP應用中采用RS-485雙絞線作為傳輸介質，波特率為1.5M bit/s。

3.2 連鑄機系統(tǒng)PROFIBUS_DP總線的結構形式

PROFIBUS_DP現(xiàn)場總線技術的存取控制，一方面同一級的可編程序控制器或PC之間的通信必須使每一個總線站（節(jié)點）在確定的時間范圍內能獲得足夠的機會來處理它自己的通信任務。另一方面，復雜的PLC或PC與簡單的分散的過程I/O外圍設備之間的數(shù)據(jù)交換必須是快速而準確的。

（1）總線主-從程序。三煉鋼連鑄基礎自動化系統(tǒng)有四大主PLC及結晶器液位、結晶其調寬和各單體設備PLC組成，各PLC即相互獨立，又通過PROFIBUS_DP總線相互聯(lián)系通訊，單就其四大主站單體而言，其中PLC作為主站，它負責在預定的信息周期內循環(huán)與從站交換信息，發(fā)送控制信息，讀取從站的狀態(tài)等，如圖1。

DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理。也就是說，只有當主站STRAND PLC請求時，總線上的DP從站才可能活動。DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問。DP主站與DP從站間的用戶數(shù)據(jù)連續(xù)地交換，而并不考慮用戶數(shù)據(jù)的內容。圖2指出在DP主站上是怎樣處理輪詢表的。DP主站與DP從站間的一個報文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請求幀（輪詢報文）和由DP從站返回的有關應答或響應幀組成。

（2）PROFIBUS_DP混合總線存取控制方式。在自動化控制實際應用領域中，PROFIBUS_DP混合總線存取控制方式應用最為廣泛，適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化以及交通電力等其他領域自動化。使用混合的總線存取控制機制可實現(xiàn)主動節(jié)點（如公用PLC、鑄流PLC等）間通信的令牌傳遞程序和用于主動站（如公用PLC）與被動站（從站ET200M等）間通信的集中的主-從程序。

結合現(xiàn)場實際需要，連鑄機基礎自動化PROFIBUS_DP總線采用混合總線存取控制方式（如圖3），當一個主動節(jié)點公用PLC（總線站）獲得了令牌，它就行使主站功能并在總線上與其他從站（ET200M、VVVF、C7等）和主站節(jié)點（如鑄流PLC等）進行通信。在總線上的報文交換是用節(jié)點編址的方法來組織的。每個PROFIBUS節(jié)點有一個地址，而且此地址在整個總線上是唯一的。在一個總線內，最大可使用的站地址范圍是在0到126之間。這就是說，一個總線系統(tǒng)最多可以有127個節(jié)點（總線站）。

3.3 連鑄機系統(tǒng)SIMATIC S7 PROFIBUS網絡控制結構

連鑄機系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線——PROFIBUS_DP集成在SIMATIC S7系統(tǒng)內部。分散連接的I/O外圍設備（ET200M、VVVF、C7等）通過DP協(xié)議由STEP7組態(tài)工具全部集成在系統(tǒng)中。這就是說，已在組態(tài)和編程階段，把分散的I/O設備（如STRAND PLC各遠程站RIO S_LC312、RIO S_LC316、RIO S_LC214等 ）作為類似于在中心子機架或擴展機架中的本地I/O來對待。起著類似于中心子機架的I/O模塊的作用，起著擴展功能。SIMATIC S7提供集成的或插入的PROFIBUS_DP接口用于連接有更復雜功能的現(xiàn)場設備（如結晶器調寬MP270、操作面板C7等）。由于PROFIBUS第1層、第2層的特性和一貫執(zhí)行的內部系統(tǒng)通信（S7功能），因此，可將編程裝置（PG）、PC、HMI等設備與SIMATIC S7 PROFIBUS_DP系統(tǒng)直接連接通訊，進行監(jiān)控和操作（圖4）。

在圖4中，整個網絡上級控制有四臺上位機OPS1、OPS2、OPS3、OPS4，這四臺上位機用于工業(yè)現(xiàn)場，由它可以來實時監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀態(tài)，并可將設備運行情況通過曲線或文字的形式記錄下來，同時操作人員可在HMI上進行遠程控制。

四臺上位機通過以太網分別與四大主站（公共PLC、鑄流PLC、儀表PLC、后部PLC）PLC進行通訊，實時監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行。從圖中可以看出單獨應用PROFIBUS_DP網可用于控制大中包系統(tǒng)、引錠卷揚系統(tǒng)、鑄流系統(tǒng)、后部輥道系統(tǒng)等，總線構成主-從程序。在鑄流PLC系統(tǒng)中，有一個主站，八個遠程站（I/O），主站又通過PROFIBUS_DP網同結晶器振動PLC、結晶器液位控制PLC、拉矯驅動PLC進行通訊，總線構成混合總線存取控制方式。從而構成了連鑄整個網絡控制系統(tǒng)。為方便處理現(xiàn)場事故，在現(xiàn)場設有一臺編程器（PG），它可以通過PROFIBUS_DP接口與在線PLC進行實時通訊，監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀況。接口采用的是9針D型連接器RS485協(xié)議用于總線站與總線的相互連接。

4、結束語

為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS_DP協(xié)議特別適用于可編程序控制器與現(xiàn)場級分散的I/O設備之間的通信。PROFIBUS_DP總線在板坯連鑄機電氣自動控制系統(tǒng)的應用，驗證了PROFIBUS_DP總線在現(xiàn)場控制方面的穩(wěn)定性和可靠性，不僅提高了自動控制水平，而且能大大提高生產率和降低停機時間，為穩(wěn)產、高產打下堅實的基礎。

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