控制网

郭 强

1  引言
某轧钢厂是70年代我国自行设计建设的一座宽厚板轧钢厂。该厂4200mm轧机主辅传动系统均为发电机―电动机机组供电方式，控制系统为继电逻辑+交磁控制系统，由于设备陈旧老化、故障率高、性能下降，与现代轧机的控制系统水平相距甚远，已不能满足当前生产工艺和产品质量的要求，需要进行升级换代。我们在分析了现场实际情况后，本着跟踪国际先进水平，顺应网络化和数字化的控制思想，为该厂配置了一套自动化控制系统。
2  现场总线的选用
2.1  现场总线网络的选择
当前世界上比较流行的现场总线有PROFIBUS，DeviceNet，Interbus-S，Modbus，CANopen等。它们在我国也都有广泛的应用，其中有些总线已经在某些特定的行业中得到了广泛的认同。我们在比较了几种总线协议并结合该厂的特点后最终选定PROFIBUS。一方面由于它是目前数据传输率最快的一种现场总线，传输率最高可达12Mbps，另一方面它能够很好的与西门子的传动设备相配合，并与西门子PLC(Programmable Logic Controller)结合紧密且组态简便。
PROFIBUS现场总线技术是随全数字控制系统的发展而产生的，是于1987年由德国西门子公司和其它十几家企业联合开发的，1996年成为欧洲工业现场总线标准之一（EN50170 VOL.2），1999年成为国际现场总线标准IEC 61158的组成部分。
PROFIBUS协议是基于ISO的标准OSI七层参考模型的，但它只定义了第一、第二和用户层（如PROFIBUS-DP）或第七层（如PROFIBUS-FMS），而第三层到第六层未加定义。另外，它的3个组成部分（FMS、DP和PA）可以满足不同的应用对象和通信速率场合的要求且开放性很好。
PROFIBUS现场总线的数据链路协议是带主从方式的令牌传递，主站与从站之间以主从方式通讯，各主站之间由令牌协议决定总线数据发送权。物理介质通常采用双绞屏蔽电缆，总线接头采用9针D 型插头，接线方便简单，容易扩展，网络上最多可连接127个站点，若采用光缆最大传输距离可达90公里。
2.2  控制系统介绍
系统分为两级，一级为数字传动系统，二级为基础自动化系统。
基础自动化级采用西门子S7-400系列PLC，CPU选用414-2DP，传动级采用西门子6RA70系列直流数字装置并配置CBP通讯网卡。PLC通过PROFIBUS－DP网一方面迅速响应操作员发出的操作命令，另一方面与传动设备进行高速数据通讯，以便PLC根据传送上来的电机电流、电压的实际大小作出及时必要的处理。HMI（人机界面）选用可靠性高的IPC+CP1413+WinCC，通过以太网连接到PLC完成人机交互控制、数据监视记录和报表统计等工作。系统结构如图1所示。

 
图1  自动化系统配置图

3  主要通讯功能的实现
由于HMI上要实时地显示电机速度、电流、电压、励磁电流等运行参数和故障信号等状态信息，所以要求每套数字传动装置要向PLC传送6个字长的数据，同时还要接收PLC发出的速度基准和必要的开关量指令。在进行硬件配置时，选择CBP的类型为PPO5(PKW:4|PZD:10)，并选择基地址，在使用STEP7编程时，由于网上每个站交换的数据长度大于2个字长，所以必须使用系统功能模块SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWR_DAT)，这两个模块在OB1中循环调用，一般情况下，SFC14放在程序的开始部分，SFC15放在后面。编程时首先要指定目标地址，即在做硬件配置时所选定的基地址，然后再分配一段内存空间（一定要用ANY类型）用于存放读入或写出的数据。当功能正常完成后，会返回一个为零的信息码，当信息码为负时，表明通讯存在问题，此时可根据故障代号进行分析判断以解决问题，程序框图如图2所示。

图2  通讯功能程序框图

需要注意的是，西门子的PLC和传动设备在内存数据的处理方式上有所不同，主要体现在位信息的传送上。为了保证信息的对应性，PLC在编程时对相应的寄存器要进行字节交换。而传动设备在向网络上发送数据之前要对其数据进行加工，因此PLC要对传送上来的速度、电压等变量进行量纲变换后才能使用。
4  应注意的问题
(1)  硬件方面
①  通讯电缆最好用西门子的专用DP电缆，电缆屏蔽层一定要保证接地良好。
②  PROFIBUS-DP的布线和插头接线要严格按照规定进行。
③  虽然购置现场总线型系统的费用要高于普通系统，但是安装时减少了大量电缆、桥架和钢管等材料，故安装费用大大降低，且投资回报率高，运行费用和能耗可节省20%。
(2)  软件方面
①  采用数字信号通讯，有效地提高了数据的传送精度和系统的控制精度。
②  PLC可以获取更多的设备信息且组态灵活，可以随时根据现场要求配置通讯变量的数量和内容，有效地满足了控制系统对信息集成度所提出的要求。
③  网络故障具有自诊断功能，使维护人员可以迅速的排除故障，缩短停机时间。维护和改造停工时间减少60%。
5  结语
该系统投产两年多来，工况平稳，网络通讯稳定，死网情况极少发生。控制系统的响应速度和控制精度明显提高，显著提高了钢板质量，该厂钢板年产量逐年上升。由于采用了现场总线技术，使电缆数量和接点数量大大减少，因此减少了潜在的故障点数目，从而大副度减少了设备的维护量，深受现场工程技术维护人员和操作工的欢迎。