摘要：分析了PROFIBUS現場總線技術的主要特點；結合工程實例，介紹了基于PROFIBUS現場總線的軋機控制系統的軟、硬件配置以及兩者之間接口的實現方法。 關鍵詞：現場總線；PROFIBUS—DP；分布式I／O；通訊

Application of PROFIBUS—DP to Control System of Rolling Mill

[align=center]JIAO Xian．jun 一，SHEN De．yao （1 School of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha，Hunan，410083，China） （2 Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing，bJoyang，Henan，471039，China）[/align] Abstract：The paper analyzes the main features of PROFIBUS，and according to a control system introduces of rolling mill， application of PROFIBUS- DP and the configuration and interface of its software and hardware． Keywords：PROFIBUS-DP；distributed I／O ：communica tion [b]1 PROFIBUS現場總線技術 1．1 概述[/b] 　　PROFIBUS是Process Field Bus的縮寫，是一種用于工廠自動化的現場總線技術，可實現現場設備級到車間級監控的分散式數字控制和現場通汛，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。 　　PROFIBUS一經問世便成為全球工業自動化技術的熱點，至8O年代末已逐漸成熟并得到迅速發展，對工業自動化產生了廣泛影響。 　　PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN57170的標準現場總線，是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現場總線標準。系統一般由三部分組成：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。PROFIBUS—FMS（FieldbusMessageSpecification）主要用于車間級監控網絡，數據傳輸速率為15Gbit／s；PROFIBUS—DP（DecentralizedPeriphery）是一種高速的低成本通訊連接，數據傳輸速率9．6～12Mbit／s，用于設備級控制系統與分散式I／O通訊，主站（PLC、PC機或其它控制器）負責總線通訊管理及所有從站的通訊，可滿足交直流調速系統快速響應的時間要求；PROFIBUS—PA（ProcessAutomation）是專為過程自動化設計，傳輸速率為31．25kbit／s，具有本質安全規范?？偩€型體結構見圖1。 1．2 PROFIBUS—DP總線拓樸結構 　　根據現場設備到控制器的連接方式，PROFIBUS采用的是總線形拓樸結構，其特點是簡明，用一根總干線從控制器連到機械裝置（控制對象），總線電纜從主干電纜分支到現場設備處?？刂破鲯呙杷蠭／O站上的輸入，必要時還可發送信息到輸出通道。在這種總線結構下，可實現多主式和對等通訊，可以兩個控制器共享同一個系統中的信息和I／O站。另外，不需關閉總線系統就可以把一個I／O設備從總線上拆下，這給總線系統的維護帶來了很大方便。 1．3 PROFIBUS—DP的設備類型 　　PROFIBUS—DP系統包括以下三種不同類型的設備： 　?、?一級DP主站（DPM1），即中央控制器（PLC或PC），在預定的周期內與分散的站（如DP從站）交換信息； 　?、?二級DP主站（DPM2），如編程器、組態設備、操作面板等，在DP系統啟動和組態操作時使用，完成系統操作和監視。二級主站可以讀取由設備級來的輸入、輸出、診斷和組態數據； 　?、?DP從站，是進行輸入輸出信息采集及發送的外圍設備（I／O設備，驅動器、HMI、閥門等），輸入和輸出信息數據取決于設備類型。 1．4 PROFIBUS—DP的通訊協議 　　PROFIBUS—DP現場總線采用OSI模型的物理層、數據鏈路層（圖1），并采用EIA—RS485協議，其傳輸介質既可以是屏蔽雙絞線也可以是光纜，最多可掛接127個站點，其傳輸速率為9．6～12 Mbps，傳輸距離取決于傳輸速率，如表1所示。采用中繼器可將傳輸距離增加至10 km。 　　通訊協議支持主一從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發送信息。對多主站系統來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權，并事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按PROFIBUS的通訊規范，令牌在主站之間按地址編號順序沿上行方向進行傳遞。主站得到控制權時，可以按主一從方式向從站發送或索取信息，實現點對點通訊。主站可以對所有站點廣播（不要求應答），或有選擇地向一組站點廣播。正常響應模式下主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。 　　F為幀標志字段（8位），A為從站地址字段?？刂谱侄蝐表示幀類型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀、監控幀和無編號幀。其中，信息幀用于數據的傳輸并捎帶應答；監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態作出各種響應（如認可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應，例如建立鏈路工作模式、釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應用數據構成：PKW用于讀寫參數值，如寫入控制字或讀出狀態字等；PZD用于存儲控制器的具體控制值、設置站點或狀態字的參數，一般為2～10 B長，例如PZD的第二個字節可設為0#～7#設備的起停止位。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內容進行循環冗余碼（CRC）校驗。HDLC幀最長可達24 B。 　　PROFIBUS—DP并未采用ISO／OSI的應用層，而是自行設置一用戶層。該層定義了DP的功能、規范與擴展要求等。 [b]2 PROFIBUS—DP在軋機過程控制中的應用 2．1 過程控制網絡結構[/b] 　　圖3所示為某軋機過程控制中的PROFIBUS網絡結構。 2．2 硬件組態 　　該系統由l臺上位機（DPM2）、3個PROFIBUS—DP主站（DPM1）、PROFIBUS—DP從站及現場設備組成；PROFIBUS—DP總線將所有主站和從站連接成一個完整的過程控制網。 　　3個PROFIBUS—DP總線主站分別為直流傳動控制系統、機列控制系統及油控制系統。各個子系統相對獨立，通過PROFIBUS—FMS總線進行通訊聯絡，成為能完成組態、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統。PROFIBUS—DP從站按子系統劃分：直流傳動控制系統8個（開卷機傳動裝置2個、主機傳動裝置2個、卷取機傳動裝置3個、偏導棍傳動裝置1個）、機列控制系統6個（開卷控制柜、噴嘴電磁閥柜、卷取控制柜、上卷操作臺、主操作臺、卸卷操作臺各1個）、油控制系統2個（油系統操作柜、板式過濾機柜各1個）。此系統為控制網絡的現場設備級。 　　直流傳動系統操作控制主站采用l臺SIMATIC S7— 400 CPU414—2 DP PLC可編程序控制器，具有較高的計算能力和通訊能力，并集成了PROFIBUS—DP現場總線接口裝置SINEC L2一DP，可保證對從站系統進行快速數據交換；每個從站均采用ABB公司的DCS500B系列數字直流傳動裝置，可滿足軋機直流傳動控制系統的高可靠性和高精度要求，并具有快速響應和綜合自診斷能力，配合PROFIBUS—DP適配器模塊NPBA一12，組成一個保護功能完備、通訊快捷的過程控制網絡。適配器模塊與傳動裝置之間通過光纜傳送數據，與主站之間通過屏蔽雙絞線傳送數據，傳輸距離取決于傳輸速率（表1）。 　　機列控制系統及油控制系統的操作控制主站各采用1臺SIMATICS7—300CPU315—2DPPLC可編程序控制器，具有較高的計算能力和通訊能力，并集成了PROFIBUS—DP現場總線接口裝置，可保證對從站系統進行快速數據交換；每個從站均采用分布式I／O模塊ET200M或ET200S，配合PROFIBUS—DP接口，與主站之間通過屏蔽雙絞線傳送數據。I／O模塊下的執行器和傳感器連接到現場設備，I／O模塊按主／從模塊向現場設備提供輸出數據并向主站或上位機饋送數據。將接近開關、操作按鈕、編碼器、電磁閥、泵站電機等現場設備分組連接至上卷操作臺、主操作臺、卸卷操作臺、開卷控制柜、卷取控制柜、噴嘴電磁閥柜、油系統操作柜、板式過濾機控制柜等分布式I／O中，完成現場設備控制及設備間聯鎖控制。 　　上位機主站采用工控機，通過現場總線接口卡CP5611使工控機與現場總線相連。這樣工業PC機與現場總線網就連接成為能完成組態、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統。 2．3 軟件組態 　　本系統采用SIMATIC S7—4OO的配套編程工具STEP7，完成硬件組態、參數設置、PLC程序編制、測試、調試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、Fc）和數據塊（DB）構成。其中，OB是系統操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行；FB、FC是用戶子程序；DB是用戶定義的用于存儲數據的存取區。PLC程序在上位機編譯完成后下載到CPU414—2 DP，并存儲在CPU414—2 DP中。每個從站的設備控制程序均存儲在主站中，并由主站執行。在PROFIBUS—DP網絡中，上位機或直流傳動控制子系統（其它子系統雷同）主站SIMATIC s7—4OOCPU414—2 DP PLC可編程序控制器要對DP進行組態。通過STEP7軟件包結合PmfiDfive的定義程序來進行站號設定：主站PLC可編程序控制器設為2；從站開卷一號傳動裝置DCS500B站號設為3；其它從站站號依次為4、5、6、7、8,9、10。在聯網運行程控器后，將自動完成與每個從站的地址分配，自動劃分不同的通訊數據區。從站為分布式I／O模塊ET200M或ET200S時，無需單獨編程，只需將模塊的BUS開關設置與站號地址一致即可。 　　從站為DCS500B時，應首先定義FIELDBUS功能塊。主要定義參數有：模塊類型、通訊模塊、從站站號、波特率、傳送字號等（表2）。通過對DCS500B通訊參數的組態，可以與主站進行數據通訊，也可以通過主站與其它從站進行數據通訊。 3 結束語 　　經過硬、軟件組態后，一個完整的PROFI．BUS—DP網絡就完成了，通過主站對從站、主站對主站的通訊控制實現了軋制過程的自動控制。實踐表明，由PROFIBUS—DP現場總線組成的軋機過程控制系統，具有通訊速度快、抗干擾能力強、可靠性高、控制精度高、方便安裝、易于維護等優點，經濟效益顯著。