1、引言

板坯連鑄機(jī)電氣基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是保證連鑄機(jī)正常生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)，相對(duì)其它系統(tǒng)而言，對(duì)于系統(tǒng)硬件的可靠性、穩(wěn)定性上要求更高。濟(jì)鋼三煉鋼板坯連鑄機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，采用德國SIEMENS公司的S7系列產(chǎn)品，組合成儀控合一的基礎(chǔ)自動(dòng)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(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在設(shè)備運(yùn)行過程中顯示出了它強(qiáng)大的穩(wěn)定性和可靠性。

2、PROFIBUS總線簡介

PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（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(yīng)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(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS設(shè)備的設(shè)備行為。PROFIBUS由三個(gè)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(shè)備級(jí)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(hào)傳輸；（2）PROFIBUS_PA（Process Automatic）專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。

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(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。但以PROFIBUS_DP的高速、高可靠性、低成本通信應(yīng)用最為廣泛，濟(jì)鋼三煉鋼板坯連鑄機(jī)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通訊采用的就是PROFIBUS_DP總線。其特征及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用介紹如下。

3、PROFIBUS_DP控制網(wǎng)絡(luò)在連鑄機(jī)中的應(yīng)用

3.1 連鑄機(jī)系統(tǒng)總線的選取

在種類繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線中，PROFIBUS_DP以高速低成本通信的優(yōu)勢(shì)，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(hào)傳輸?shù)耐ㄐ判枨?。另一方面又具有單元?jí)領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別在現(xiàn)場(chǎng)“分散I/O”領(lǐng)域，大量的、各種各樣的、可連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如：變頻器、MP270、C7等都可連接使用。現(xiàn)場(chǎng)PROFIBUS_DP應(yīng)用中采用RS-485雙絞線作為傳輸介質(zhì)，波特率為1.5M bit/s。

3.2 連鑄機(jī)系統(tǒng)PROFIBUS_DP總線的結(jié)構(gòu)形式

PROFIBUS_DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的存取控制，一方面同一級(jí)的可編程序控制器或PC之間的通信必須使每一個(gè)總線站（節(jié)點(diǎn)）在確定的時(shí)間范圍內(nèi)能獲得足夠的機(jī)會(huì)來處理它自己的通信任務(wù)。另一方面，復(fù)雜的PLC或PC與簡單的分散的過程I/O外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換必須是快速而準(zhǔn)確的。

（1）總線主-從程序。三煉鋼連鑄基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)有四大主PLC及結(jié)晶器液位、結(jié)晶其調(diào)寬和各單體設(shè)備PLC組成，各PLC即相互獨(dú)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(fù)責(zé)在預(yù)定的信息周期內(nèi)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(dāng)主站STRAND PLC請(qǐng)求時(shí)，總線上的DP從站才可能活動(dòng)。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(nèi)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(gè)報(bào)文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請(qǐng)求幀（輪詢報(bào)文）和由DP從站返回的有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)幀組成。

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

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，連鑄機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化PROFIBUS_DP總線采用混合總線存取控制方式（如圖3），當(dāng)一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（如鑄流PLC等）進(jìn)行通信。在總線上的報(bào)文交換是用節(jié)點(diǎn)編址的方法來組織的。每個(gè)PROFIBUS節(jié)點(diǎn)有一個(gè)地址，而且此地址在整個(gè)總線上是唯一的。在一個(gè)總線內(nèi)，最大可使用的站地址范圍是在0到126之間。這就是說，一個(gè)總線系統(tǒng)最多可以有127個(gè)節(jié)點(diǎn)（總線站）。

3.3 連鑄機(jī)系統(tǒng)SIMATIC S7 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

連鑄機(jī)系統(tǒng)采用的現(xiàn)場(chǎng)總線——PROFIBUS_DP集成在SIMATIC S7系統(tǒng)內(nèi)部。分散連接的I/O外圍設(shè)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(shè)備（如STRAND PLC各遠(yuǎn)程站RIO S_LC312、RIO S_LC316、RIO S_LC214等 ）作為類似于在中心子機(jī)架或擴(kuò)展機(jī)架中的本地I/O來對(duì)待。起著類似于中心子機(jī)架的I/O模塊的作用，起著擴(kuò)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(fù)雜功能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如結(jié)晶器調(diào)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(nèi)部系統(tǒng)通信（S7功能），因此，可將編程裝置（PG）、PC、HMI等設(shè)備與SIMATIC S7 PROFIBUS_DP系統(tǒng)直接連接通訊，進(jìn)行監(jiān)控和操作（圖4）。

在圖4中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上級(jí)控制有四臺(tái)上位機(jī)OPS1、OPS2、OPS3、OPS4，這四臺(tái)上位機(jī)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由它可以來實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并可將設(shè)備運(yùn)行情況通過曲線或文字的形式記錄下來，同時(shí)操作人員可在HMI上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

四臺(tái)上位機(jī)通過以太網(wǎng)分別與四大主站（公共PLC、鑄流PLC、儀表PLC、后部PLC）PLC進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。從圖中可以看出單獨(dú)應(yīng)用PROFIBUS_DP網(wǎng)可用于控制大中包系統(tǒng)、引錠卷揚(yáng)系統(tǒng)、鑄流系統(tǒng)、后部輥道系統(tǒng)等，總線構(gòu)成主-從程序。在鑄流PLC系統(tǒng)中，有一個(gè)主站，八個(gè)遠(yuǎn)程站（I/O），主站又通過PROFIBUS_DP網(wǎng)同結(jié)晶器振動(dòng)PLC、結(jié)晶器液位控制PLC、拉矯驅(qū)動(dòng)PLC進(jìn)行通訊，總線構(gòu)成混合總線存取控制方式。從而構(gòu)成了連鑄整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。為方便處理現(xiàn)場(chǎng)事故，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有一臺(tái)編程器（PG），它可以通過PROFIBUS_DP接口與在線PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)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(jié)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(chǎng)級(jí)分散的I/O設(shè)備之間的通信。PROFIBUS_DP總線在板坯連鑄機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，驗(yàn)證了PROFIBUS_DP總線在現(xiàn)場(chǎng)控制方面的穩(wěn)定性和可靠性，不僅提高了自動(dòng)控制水平，而且能大大提高生產(chǎn)率和降低停機(jī)時(shí)間，為穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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