工欲善其事，必先利其器。天津鋼管公司為了提高鋼管生產的質量和效率，決定對管加工廠的WMBPS（Weighting Measurement Banding Pinstamp Stencil）精整線機組進行改造。WMBPS系統是對軋制出來的鋼管進行測長、稱重、涂色環、打標和噴標的一套設備，它是對出廠前的鋼管進行精整加工的一條生產線。該精整線機組是采用美國十年前的技術，PLC控制選用的是集中式I/O設計，數據采集和處理以及其他一些信息管理采用的是一種類似計算機主板的大型電路板控制。該系統設備陳舊；由于線纜繁多，走線復雜，所以維護困難；而且該系統中無上位機監控功能，程序運行可視化效果差；采用專用的通訊協議，無法與其他工位實現通訊，系統擴展性差；無數據庫和人員管理功能，需要其他工位協助管理或人工管理，導致控制復雜化。以上種種缺點已表明原WMBPS系統已不能滿足鋼管自動化生產的要求。為提高企業生產管理現代化的程度，適應市場發展的要求，天津鋼管公司要求我們對WMBPS精整線機組進行技術改造。 在原有設計中，主控室與各工位設備之間的線纜要經過地溝、線纜隧道等連接，長的線纜可達上百米，由于信號傳輸量大，為便于施工和維護，保證信號傳輸的穩定可靠，我們決定采用西門子的PROFIBUS現場總線控制方式。 1、現場總線的特點 現場總線技術是把單個分散的測量控制設備變成網絡接點，以現場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務的網絡系統與控制系統。 它的技術特點有： （1） 系統的開放型。通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換。在世界范圍內，已有多于500家制造廠商能提供種類繁多的帶有PROFIBUS-DP接口的現場設備。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。 （2） 互可操作性和互用性。互可操作性，是指實現互聯設備間、系統間的信息傳送與溝通；互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。 （3） 現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 （4） 系統結構的高度分散性。現場總線已構成一種新的全分散性控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 （5） 對現場環境的適應性。作為工廠網絡底層的現場總線，可支持雙絞線、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。 2、PROFIBUS總線協議 PROFIBUS是Process Field Bus的縮寫，是德國國家標準DIN9245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。DP型用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化系統和分布式I/0站以及現場設備之間進行通訊。FMS意為現場信息規范，用于工業通訊分層中現場層和單元層的通訊任務，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器等。PA型則是用于過程自動化的總線類型。 PROFIBUS-DP的特點是最小化的響應時間和高抗干擾度，這種協議只使用了OSI的第一層（物理層）和第二層（數據鏈路層），第三層到第七層未加以描述，這種結構確保了數據傳輸的快速和有效。它可以替代價格昂貴的24V，4到20mA測量轉換值的并行傳輸信號。由于我們這條生產線是用于總控室對現場設備的控制，而且廠方要求鋼管測量的長度和重量精度較高，故要求數據傳輸、處理的速度非?？?，所以我們選用PROFIBUS-DP型總線規范。 3、PROFIBUS在WMBPS改造中的應用 上位西門子監控PC機作為PROFIBUS總線上的一個主站，與另一個主站西門子PLC的CPU：CPU315-2DP進行數據交換，讀取現場設備的工作信息，對生產情況進行詳細的管理，如統計、查詢、判別；打標、噴標內容實時動態跟蹤相應鋼管的型號、規格及參數，并以柱狀圖、折線圖顯示出來；實時工位顯示，人員管理、保密管理。主站CPU315-2DP是整條總線上的控制核心，它負責與其他主站和從站的通訊，控制線上設備按用戶程序規定的時序工作。現場打標柜和噴標柜中各有一個ET200M帶著一定量的輸入輸出模塊，構成總線上的兩個從站，ET200M不具有控制功能，它負責與主站CPU315-2DP的通訊和模塊的診斷，它們所連接的設備由主站CPU315-2DP通過總線進行控制。為了便于維護人員在線監控PLC程序運行和程序修改，另外還有一臺維護PC機，通過MPI網絡與CPU315-2DP進行通訊，實現PLC的在線監控、診斷和修改功能。MPI網絡是多點通訊接口網絡，是西門子PLC與上位機進行程序下載、監控的缺省網絡接口。每條線上各站點的地址不能重復，CPU315-2DP既是PROFIBUS總線上的一個主站也是MPI網絡上的一個站點。它們的網絡拓撲結構如圖1所示： PROFIBUS總線上主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間為主－從傳送方式。上位監控PC機上裝有CP5611卡， ET200M上有DP總線接口，可按照PROFIBUS總線協議完成通訊功能，各站點之間通訊只需要一根RS-485雙絞電纜連接，傳輸波特率為1.5M～12Mbit/s，大大提高了信號傳輸的速度和系統的穩定性。 在系統設計中，上位監控PC機由西門子工控機實現生產線的實時監控、數據庫管理、鋼管參數設置和人員管理功能。由西門子S7-300系列PLC組成的主從站控制整條生產線的操作，使現場的設備按一定的時序和邏輯關系把上工位傳送來的鋼管進行測長、稱重、打標和噴標操作后，傳送到下工位，并將好壞管分別放置。測長油缸、稱重傳感器、TELESIS打標機、MARKTEC噴標頭是各工序的執行部件。同時上位機還通過串口與各部件進行通訊。上位機根據PLC傳送的測長光電管狀態和編碼器值計算出鋼管的長度，稱重儀表通過串口將稱重傳感器稱出的鋼管重量傳給上位機。而且上位機將前面測出的長度、稱出的重量、連帶鋼管標準、廠標、鋼種、爐號、批號等信息按鋼管的國際標準排列組合后發給TELESIS打標機和MARKTEC噴標機，打、噴出相應的字符和圖標。每一根鋼管完成測長、稱重、打標、噴標操作后由打印機打印出該鋼管的信息，并存到數據庫，以便數據管理和查詢。整條生產線設備的連接關系圖如圖2所示： 如圖所示，打標機、噴標機、步進梁、液壓站，以及其他一些傳感器、繼電器等都掛在各自的從站上，不與PLC的主站進行直接的I/O信號連接，只需要在主從站之間用一根RS485雙絞線連接。但控制時，所有的I/O點都像是直接連在主站上一樣控制，不需要對通訊進行特定的編程。 4、結論與展望 PROFIBUS現場總線在天津WMPBS精整線機組上的應用，大大減少了改造的施工量，縮短了施工周期，從原有設備的拆除到新設備的安裝、連通只用了四天時間，比原計劃七天時間縮短了將近一半時間。同是由于采用總線連接方式，系統的結構簡化，減少了設備之間的連線。每個主站與從站之間只需一根電源線和一根總線傳輸的信號線，減少了信號的往返傳輸，提高了系統工作的準確性和可靠性。另外總線具有對網絡的診斷功能，便于維護人員查錯和維護。 隨著企業信息化、自動化的提高，要求對工廠、車間的集中式管理程度提高，作為開放式的底層控制網絡——現場總線必將得到更廣泛的應用。它一方面將現場設備之間互聯，另一方面又將現場設備的狀態、信息發送到控制室或更高一級的控制終端，可實現整個生產線和車間內的信息共享，資源統籌調度。對于整個工廠或企業，現場總線如PROFIBUS還可以通過通信控制器直接掛接在工業以太網上，滿足企業ERP、MRP、SAP等網絡互聯的要求。現在現場總線還可以通過網關、網橋等連接到INTERNET上，實現遠程控制和資源全球共享。 參考資料 1、《現場總線技術及其應用》 陽憲惠主編 清華大學出版社 2、《SIEMENS工業通訊網絡及現場總線部件產品目錄》 2002.2 3、《SIMATIC STEP7 V5.1 編程手冊》 4、《ET200M Distributed I/O Device Manual》 5、《SIMATIC S7-300 and M7-300 Programmable Controllers Module Specifications Reference Manual》