1、前言

PROFIBUS是一種國際化、開放式異步串行通訊標準，廣泛適用于制造業(yè)自動化和流程自動化、樓宇、交通、電力等各行各業(yè)。通過PROFIBUS可以方便地實現(xiàn)各種不同廠商的自動化設備及元器件之間的信息交換。PROFIBUS協(xié)議標準由三個兼容部分組成：PROFIBUS-DP（分布式外設）、PROFIBUS-FHS（現(xiàn)場總線信息規(guī)范）、PROFIBUS-PA（過程自動化）。標準化的現(xiàn)場總線具有“開放”的通訊接口、“透明”通訊協(xié)議，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散IO裝置和現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場總線PROFIBUS滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，一方面它覆蓋了傳感器執(zhí)行器領域的通信要求，另一方面又具有單元級領域的所有網(wǎng)絡通信功能。特別在“分散IO”領域，由于大量的、種類齊全的、可連接的現(xiàn)場設備可供選用，因此PROFIBUS已成為事實上的國際公認的標準。

本文針對天津市無縫鋼管廠Φ140機組無縫生產(chǎn)線減徑機區(qū)現(xiàn)場總線的應用，介紹了PROFIBUS系統(tǒng)的構成及相關應用。該系統(tǒng)由PROFIBUS-DP構成主從結構。SIEMENS PLC S7-300，上位機NINCC作為主站，TP177A觸摸屏作為二級主站，6RA70直流傳動裝置和6SE440變頻器及其遠程IO ET200S作為從站。上位機采用臺灣研華工控機與PLC組成TCPIP網(wǎng)。

2、減徑機生產(chǎn)線簡介

天津市無縫鋼管廠投產(chǎn)的Φ140機組無縫生產(chǎn)線采用的是二輥菌式穿孔機和阿塞爾全浮芯棒軋管機及其14機架微張力減徑機等生產(chǎn)工藝，該工藝具有世界先進水平，設備運行可靠，生產(chǎn)效率高。電氣控制主要完成對整個機組的過程控制和調(diào)節(jié)，完成生產(chǎn)線中相關設備及其各個相關專業(yè)之間的工藝聯(lián)結、連鎖，以保證整個機組設備能夠按照生產(chǎn)和工藝要求，正常、正確、準確地進行相應的有序動作。由于熱軋線的工藝復雜，控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，所以，系統(tǒng)的硬件設計和軟件編程就要完善可靠。

Φ140機組無縫生產(chǎn)線減徑機選用14機架三輥微張力減徑機，生產(chǎn)熱軋無縫鋼管減徑量較大，既能滿足生產(chǎn)的要求又節(jié)省投資，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量可得到有利的保證。14機架減徑機兩個主要效用是減徑和改變壁厚，它采用了三輥式獨立傳動的機構，選用14臺直流電機進行拖控。Φ140 Assel軋管機組定減徑采用14架單獨轉(zhuǎn)動的微張力定減徑機組，可以在一定的急減徑率和較小的單機架減徑率條件下來達到定減徑的作用，可以采用一種規(guī)格的管材生產(chǎn)多種規(guī)格的成品管，還可以使定減徑后的鋼管外表面光潔、無劃痕等，進一步改善鋼管的外表面質(zhì)量。14機架減徑機最大總減徑率約35%，單機架減徑率最大3.5%。下面是14機架減徑機各主要參數(shù)：

機架數(shù)： 14架

軋輥理想直徑： Φ380m

軋輥輥身寬度： 160m

最大軋制壓力： 170KN

電機功率： 147kN （直流調(diào)速）

電機轉(zhuǎn)數(shù)： 80016002000 rmin

過載系數(shù)： 2.2

根據(jù)減徑機工藝要求可知，該系統(tǒng)中需要控制的設備較多，邏輯關系復雜，各部分間的速差要求嚴格。若采用集中控制，不但繁瑣、成本高且布線量很大，檢修和維護都不容易。因此，本系統(tǒng)選擇了基于PRIFUBUS的分布式控制，較好地解決了以上技術問題。

3、控制系統(tǒng)硬件構成

本系統(tǒng)采用PROFIBUS網(wǎng)進行PLC控制器及各傳動裝置6RA70、6SE440變頻器間的數(shù)據(jù)交換與通訊，主傳動等大直流電機的傳動，供電方式全部采用全數(shù)字直流變流器供電；弱磁調(diào)速、可逆?zhèn)鲃?，控制系統(tǒng)均為速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。小直流電機供電系統(tǒng)采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，電樞可逆，獨立弱磁調(diào)速。傳動裝置及現(xiàn)場級監(jiān)控設備與主PLC用PROFIBUS總線相連。PROFIBUS有極高的傳輸速率，多種網(wǎng)絡拓撲結構。主PLC與各主傳動系統(tǒng)之間的設定值、指令和數(shù)據(jù)均通過PLC的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡接口進行傳送，實現(xiàn)網(wǎng)絡控制，系統(tǒng)響應速度快；在操作臺和現(xiàn)場設有ET200S遠程站，也通過ROFIBUS-DP網(wǎng)絡化分布式控制。PLC系統(tǒng)配有多條PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，把各區(qū)傳動系統(tǒng)及遠程操作部分分段組網(wǎng)，在提高系統(tǒng)響應速度的同時，也增加了系統(tǒng)的安全可靠性。

該網(wǎng)絡的主要特點：

（1）網(wǎng)絡可容納的通訊節(jié)點數(shù)量可靈活組態(tài)

（2）網(wǎng)絡的通信速率為500Kbps

（3）網(wǎng)絡通訊協(xié)議：PROFIBUS-DP

（4）每臺聯(lián)網(wǎng)的PLC或傳動裝置均裝有一塊網(wǎng)絡接口模塊

（5）PLC與傳動間的各種控制信號和狀態(tài)信息都可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)（包括數(shù)字信號和模擬信號）

整個減徑機區(qū)包括西門子6RA70直流調(diào)速裝置14臺，作為14機架，5臺西門子6SE440變頻器，分別作為輥道運輸和高壓水除鱗，5個ET200S作為遠程IO，分別是液壓站，稀油潤滑站，及其操作臺和現(xiàn)場操作箱等。另外還有3個TP177A觸摸屏作為二級主站，主CPU選擇CPU317-2DP，帶NPIDP和DP接口。?

CPU315-2DP最大的從站數(shù)量為12臺，超過這個數(shù)量將使網(wǎng)絡傳輸信號失敗。在減徑機區(qū)中作為從站的設備數(shù)量達到24臺，當通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機（ESM）對減徑機區(qū)上位機WINCC采集信號時出現(xiàn)了信號丟失，最終本系統(tǒng)的CPU改為CPU317-2DP（最大的從站數(shù)量為30臺），從而實現(xiàn)了減徑機區(qū)信號的有效交換。當需要擴展總線的長度或PROFIBUS從站數(shù)大于32個時，應加入RS485中繼器。系統(tǒng)傳輸速率為1.5Mbits時，PROFIBUS現(xiàn)場總線最大的長度是200m，減徑機區(qū)要求PROFIBUS的長度為500m，這樣擴展到500m，就需要加入兩個RS485中繼器，這就可以同時滿足長度和傳輸速率的要求。在Φ140機組無縫生產(chǎn)線的減徑機區(qū)、冷床區(qū)、軋管機區(qū)均采用了RS485中繼器。

減徑機硬件組態(tài)如圖1。

4、控制系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

生產(chǎn)管理級的人機界面HMI、工程師站系統(tǒng)均配以WINCC 6.0工業(yè)組態(tài)軟件。可以實現(xiàn)對整個減徑機的在線監(jiān)控，工藝生產(chǎn)參數(shù)設定、各種歷史數(shù)據(jù)的存儲分析，并形成各種歷史趨勢記錄曲線，為設備故障、質(zhì)量生產(chǎn)事故分析提供依據(jù)；對減徑機等設備進行必要的操作控制、參數(shù)設定修正，動態(tài)的顯示圖畫圖表，同時具備故障報警、顯示、存儲及打印等功能。

基礎自動化級配置STEP 7V5.3編程軟件。完成功能：手動／自動／檢修、操作臺／機旁操作箱等工作方式選擇控制邏輯；減徑區(qū)速度調(diào)整（節(jié)）方式：減徑機設備的啟動、停止及緊急停車控制；手動／自動方式下速度級聯(lián)調(diào)節(jié)；動態(tài)沖擊速降補償；事故連鎖報警，生產(chǎn)聯(lián)系信號；物料跟蹤；主傳動間微張力控制；液壓、潤滑、冷卻輔助系統(tǒng)控制、聯(lián)鎖及報警功能；網(wǎng)絡通訊與管理。

PLC的程序是基于STEP 7V5.3編程軟件編寫的，由于STEP 7V5.3采用了模塊化的設計方法，所以在減徑機區(qū)我們采用FC1-FC14作為14臺直流傳動裝置的功能塊，F(xiàn)C20-FC24作為輥道變頻器和高壓水除鱗裝置的功能塊。另外采用全局數(shù)據(jù)塊DB1-DB4，為了整條線數(shù)管理據(jù)的統(tǒng)一，規(guī)定DB1為上微機WINCC的全局數(shù)據(jù)塊，DB2作為變頻器和直流調(diào)速裝置的全局數(shù)據(jù)塊，DB3作為觸摸屏TP177A的全局數(shù)據(jù)塊，DB4作為編碼器全局數(shù)據(jù)塊，這樣大大地提高了程序的可讀性，減少了代碼維護的工作量。

另外當CPU檢測到程序處理過程中的錯誤和可編程控制器中的錯誤時，CPU會調(diào)用適當?shù)慕M織塊（OB）。如果相應的OB塊不存在，CPU會進入STOP模式。這意味著錯誤的影響可以減小或根除。在減徑機區(qū)的程序中使用了如下的OB塊：IO冗余錯誤OB70，CPU冗余錯誤OB72，電源故障OB81，診斷中斷OB82，CPU硬件故障OB84，編程順序錯誤OB85，機架故障OB86，通訊故障OB87，編程錯誤OB121，IO訪問錯誤OB122。

5、結論

這種基于現(xiàn)場總線基礎上的控制方案，系統(tǒng)結構得到簡化。從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出該控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：第一，節(jié)省硬件數(shù)量與投資；第二，節(jié)省安裝費用；第三，節(jié)省維護開銷；第四，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權；第五，提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。第六，減少操作維護人員，方便調(diào)度指揮，取得了顯著的經(jīng)濟效益?？傊?，PrifibusDP現(xiàn)場總線的成功應用，不僅降低成本，簡化控制系統(tǒng)的配置，而且提高了系統(tǒng)運行的可靠性，尤其是其靈活全面的故障診斷能力及網(wǎng)絡通訊能力，方便了施工、調(diào)試和維護，使系統(tǒng)綜合運行成本大幅減少，系統(tǒng)性能大幅度提高。不僅使控制系統(tǒng)的檔次跨上了一個臺階，而且為天津無縫鋼管廠控制系統(tǒng)的綜合調(diào)控改造打下了良好的基礎。本技術已成功地應用在天津市無縫鋼管廠140機組，并于2006年4月18日全線順利投產(chǎn)。

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