基于Profibus-DP设计的通讯在宽厚板热处理系统应用

1 引言

莱钢4300mm宽厚板热处理生产线是莱芜钢铁集团有限公司于2009年开始建设的年产180万吨的生产线,它广泛采用了当代厚板领域的新技术及先进的装备,热处理线作为后区重要的生产线,实时可靠的通信系统是必不可少的,因此采用Profibus—DP现场总线使全部控制设备通信网络化。Profibus-DP现场总线把现场设备和PLC紧密集成为一个完整的控制系统; 现场操作台由于采用了Profibus-DP通信接口, 节省了大量电器元件和电缆。作为众多现场总线家族的成员之一,Profibus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准,也是目前国际上通用的现场总线标准之一。[1]本文主要以预处理区域Profibus-DP网络的实现来介绍Profibus-DP在宽厚板热处理系统中的应用。

2 Profibus组成

2.1 Profibus概述

Profibus是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。Profibus由3部分组成,即Profibus-DP(分布式外围设备),Profibus-PA(过程自动化),Profibus-FMS(现场总线报文)[2]。

Profibus-DP具有高速传输、价格低廉等特点,实现起来比较简单,主要用于分散设备间的数据高速传输,传输速率可由9.6kbps至 12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备级间的开关量的通信,可满足全数字交直流调速系统对于快速的时间响应要求。该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点,成为唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线,特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。在莱钢宽厚板热处理线中所采用的就是这种Profibus-DP现场总线。

2.2 Profibus网络硬件

Profibus网络主要涉及到的硬件包括:Profibus接口,通讯介质,Profibus插头,中继器,诊断中继器,OLM, DP/DP COUPLER以及有源终端电阻等。当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时,根据RS485串口通讯的规范,每个物理网段支持32个物理设备,且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。

2.3 Profibus接口

Profibus接口是RS485串口,一般采用SUB-D female的接口。一般CPU或者CP板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时, 其“PE”与底板是连通的,此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理,则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。

2.4 通讯介质

Profibus网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然,现在也有支持无线通讯的设备,但我们目前面对的主要还是有线介质。

3 Profibus-DP在预处理区系统中的应用

3.1 网络拓扑的规则

在进行Profibus网络连接之前,首先应当考虑拓扑结构的设计是否有问题。如果拓扑结构有问题,将来网络通讯很可能出现问题。

另外,从波特率与距离的对应关系中可以看到,波特率越高,则对应的通讯距离越近,因而如果现场遇到Profibus的通讯有通讯不上或者通讯不稳定的情况,也可以考虑先将波特率降低,再进行观察处理。

设计一条Profibus网络,首先需要了解Profibus网络的拓扑规则:

① Profibus网络是RS485串口通讯,半双工,支持光纤通讯;

② 每个网络理论上最多可连接127个物理站点,其中包括主站、从站以及中继设备;

③ 网络的通讯波特率9.6kbps-12Mbps;

④ 每个物理网段最多32个物理站点设备,物理网段两终端都需要设置终端电阻或使用有源终端电阻;

⑤ 每个网段的通讯距离或者设备数如果超限,需要增加RS485中继器进行网络拓展,中继器最多可串联9个;

⑥ 每个中继设备(RS485中继器、OLM)也做为网络中的一个物理站点,但没有站号;

⑦ 网络支持多主站,但在同一网络中,不建议多于3个主站;

⑧ 一般0是PG的地址,1～2为主站地址,126为某些从站默认的地址,127是广播地址,因而这些地址一般不再分配给从站,故DP从站最多可连接124个,站号设置一般为3~125。

⑨ 如果网络中涉及到分支电缆,则应注意分支电缆的长度应当严格遵守Profibus 的协议规定。

3.2 预处理区DP网络构成

预处理区系统包括一套S7-400 PLC、两套S7-300 PLC、一套S7-200 PLC、7套ET200站、变频器、编码器和两台上位机,同时系统还与1#热处理炉、3#热处理炉通过DP通讯,与2#热处理炉通过工业以太网通讯。根据网络拓扑的规则设计网格构成见图1。

其中1#热处理炉、2#热处理炉、3#热处理炉PLC是S7-400 PLC,磁盘上料PLC和抛丸机PLC是S7-300 PLC,H7是S7-200PLC,BWL是编码器,每个设备后面括号里的数字是给这个设备分配的硬件地址。

在预处理区DP网络中,S7-400 PLC主站与S7-300 PLC之间的通讯和与1#热处理炉、3#热处理炉之