華菱衡鋼Φ340機組是衡鋼自動化程度最高的生產線，整條生產線的自動化控制復雜，控制網絡多。其自動化控制系統主要有ABB和西門子兩大類，三大主機（穿孔機、連軋機、定徑機）由ABB控制系統控制，管坯、環形爐、步進爐、精整線由西門子控制系統控制。所有控制系統中的網絡應用得最多的為Profibus－DP現場總線網絡。Φ340機組精整生產線的基礎自動化采用Profibus－DP現場總線，組成分布式控制系統，實現精整區設備的自動控制。
1 現場總線Profibus在工廠自動化系統中的應用
一個典型的工廠自動化系統應該是三級網絡結構，即現場設備層、車間監控層和工廠管理層。基于現場總線Profibus－DP／PA控制系統位于工廠自動化系統中的底層，即現場級與車間級。現場總線Profibus是面向現場級與車間級的數字化通信網絡。如圖1所示：
圖1 Profibus在工廠自動化系統中的位置
1）現場設備層：主要功能是連接現場設備，如分散式I／O、傳感器、驅動器、執行機構、開關設備等，完成現場設備控制及設備間連鎖控制，如一臺加工設備控制、一條裝配輸送線或一條生產線上現場設備之間的連鎖控制。主站（PLC、PC機或其它控制器）負責總線通信管理及所有從站的通信。
2）車間監控層：車間級監控用來完成車間主生產設備之間的連接，如一個車間三條生產線主控制器之間的連接，完成車間級設備監控。車間級監控包括生產設備狀態在線監控、設備故障報警及維護等。
3）工廠管理層：車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網連接，將車間生產數據送到車間管理層。車間管理網作為工廠主網的一個子網。子網同過交換機、網橋或路由等連接到廠區骨干網，將車間數據集成到工廠管理層。
2 精整生產線工藝簡介
精整生產線主要作為鋼管生產的后期工藝處理，工藝流程如圖2。
圖2 精整生產線的生產流程
由圖可看出精整線主要完成鋼管的通風冷卻、定尺鋸切、矯直、探傷、噴印及下線入庫。因此生產線上的設備主要有冷床、管排鋸、矯直機、探傷機、噴標機及現場輔助設備等。
2.1 精整線系統的構成
根據工藝流程，精整線可分為四大系統，即冷卻系統、鋸切系統、矯直區、檢測區。其自動控制網絡拓撲結構圖如圖3所示。冷卻系統主要將定徑后的高溫鋼管冷卻使其溫度滿足后續加工工藝要求。鋸切系統主要完成鋼管的頭尾切除和定尺。矯直區完成鋼管的矯直和去鋼管表面氧化層。檢測區完成鋼管無損檢測、鋼管好壞分選、噴字及按爐批號下線入庫。
由圖3可看出整個系統分兩大層，監控層和設備控制層，以精整主PLC為核心。精整主PLC為精整1號線的核心，負責控制精整區的基礎自動化及該區域所有輔助設備和與管排鋸、矯直機、探傷機一類智能從站信息交換。
圖3 精整1號線的控制網絡結構
（1）監控層
監控層由工程師站和操作員站組成。工程師站為一臺西門子工控PC機，PC機上配有工業以太網卡和Step7v5．2軟件，工程師站用于程序監控及故障診斷，工程師站屬一類主站。操作員站配工業以太網卡和WinCC組態軟件，它承當數據管理、工產數據采集、報警、及中文報表等工作。并可下達操作指令，實現生產線的自動化，操作員站屬于二類主站。
（2）設備控制層
系統設備控制層由Profibus－DP現場總線構成，分四條網絡，共71個站。
Profibus－1：由現場I／O遠程站、操作臺I／O遠程站組成共9個站，這些I／O遠程站都為ET200M模塊型從站，在硬件組態時傳輸速率設為1．5Mbps，由于該網絡線路較長，線路迂回長度500m以上。而Profibus中網絡段距離在200m以內傳輸速率才能保證1．5Mbps，為了保證網絡上數據傳輸速率穩定在1．5Mbps，所以在各站之間設有中繼放大器作信號放大和干擾隔離。該網絡主要采集現場檢測元件信號和接收操作臺的動作指令。Profibus－2：5P傳動網絡，由32個從站組成，從站為ABB的ACS600多傳動裝置。包括大冷床升降橫移傳動傳動裝置、冷床下料斯惠頓傳動裝置、鋸區前后輥道及斯惠頓傳動裝置等。ACS600逆變器通過NPBA－12Profibus總線適配器與主站的CP342－5進行通訊，通訊速率為1．5Mbps。該網絡上的通訊數據均為傳動裝置的控制字和狀態字信息，正常工作時傳動裝置隨時接收主站發過來的啟／停命令和速度給定，并同時發送自身的狀態信息給主站。
Profibus－3：6P傳動網絡，由24個從站組成，從站也為ABB的ACS600多傳動裝置。由矯直前后輥道傳動裝置、探傷前步進橫移傳動裝置、探傷區輥道傳動裝置、檢測區輥道傳動裝置、探傷后噴印后撥料鉤傳動裝置組成。該網絡上的逆變器由通過RPBA－01Profibus總線適配與主站的CP342－5進行通訊，通訊速率也為1．5Mbps，網絡功能與5P一樣。
Profibus－4：該網絡上所連的站都為智能從站，連接一號線中主要設備，4臺管排鋸、矯直機、探傷機。4臺管排鋸和矯直機都通過CP342－5通訊模塊與主站連接，探傷機PLC則將CPU作為從站掛在主站上。這條智能從站網絡主要完成主站與從站的接口信息交換，如主站發傳動裝置準備好信號給從站、從站發給主站的輥道或斯惠頓啟／停信號及速度給定。
2.2 主站與從站通訊
Profibus－DP總線采用令牌傳送方式進行數據通訊，令牌傳送保證了訪問總線（令牌）的權利在精確定義的時間內被分配。以下圖3描述主從站之間的通訊。Profibus－1上的從站與Profibus－2和Profibus－3的從站都存在數據交換。
如2＃管排鋸要低速啟動2＃鋸前輥道，首先2＃排鋸的用戶程序要將鋸前輥道的啟動信號和低速度信號送給本身的DP數據區，DP數據區再經過Profibus－1發送給主站,主站的DP數據區接收到相關信息后經用戶程序處理在放到對應的CP數據庫中，CP本身具有編程功能相當于一個CPU，CP將其DP數據緩沖區的數據（鋸前輥道的啟動信號和低速度信號）經過Profibus－2送給指定的從站（2＃鋸前輥道逆變器）。期間傳動裝置也不停地將自身的狀態信息發給CP。
圖4 DP網絡示意圖
圖5為數據交換原理示意圖。
圖5 數據交換原理
在STEP7用戶程序中，兩個專用的FC塊可用于數據交換：DP－SEND：將CPU中的指定的DP數據區的數據發送到Profibus－CP的緩沖器，以便傳送給DP從站。DP－RECV：從DP從站中讀取數據，將Profibus－CP接收緩沖區的數據放入CPU指定的DP數據區中。
2.3 現場總線控制系統配置分析
在實際應用中Profibus控制系統配置根據根據實際需要及經費情況，通常有下幾種結構類型：
1）結構類型I：以PLC或控制器做一類主站，不設監控站，但調試階段配置一臺編程設備。這種結構類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數據讀寫、從站遠程參數化工作。該類型在實際應用中用得較多成本低，一般適合小型控制系統，如液壓站控制系統。Ф340分廠中的液壓站、稀油站、矯直機、無損探傷機等的控制網絡屬于該類型。
2）結構類型II：以PLC或控制器做一類主站，監控站通過串口與PLC一對一的連接。這種結構類型，監控站不在Profibus網上，不是二類主站，不能直接讀取從站數據和完成遠程參數化工作。監控站所需的從站數據只能從PLC或控制器中讀取。
3）結構類型III：以PLC或其它控制器做一類主站，監控站（二類主站）連接Profibus總線或工業以太網上。這種結構類型，監控站在Profibus網或以太網上作為二類主站，可完成遠程編程、參數化及在線監控功能。精整線的基礎自動化控制系統、管坯據和管排鋸的控制系統屬該類。
4）結構類型IV：使用PC機加Profibus網卡做一類主站，監控站與一類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應選用具有高可靠性、能長時間連續運行的工業級PC機。對于這種結構類型，PC機故障將導致整個系統癱瘓。實際生產中應用得很少。
由于精整線設計時就是24小時連續作業，在系統配置時選用結構類型III以考慮到平時點檢維護的需要。精整1號線4條DP網絡比較規范，Profibus1上掛的全是現場I／O遠程站，PLC主站只需對其編址不需編寫通訊程序。Profibus2上掛的全是智能型從站其站點少，由于該網絡上所連的都是精整線的關鍵設備，通訊數據非常重要，因此不掛其它類型從站以保證網絡的穩定。Profibus3和Profibus4上掛的全是變頻器，該網絡上可統一編址統一編寫通訊程序，通訊程序編寫簡單。這四條網絡物理連接上相互獨立，因此當一條網絡上出故障時不會影響另一條網絡上的通訊。
2.4 DP網絡通訊程序的編寫和故障診斷方法
2.4.1 DP網絡通訊程序的編寫
（1）CP342－5通訊模塊作DP主站時通訊程序的編寫對于CP342－5DP，必須用DP－SEND和DP－RECV功能塊，這些FC塊通過背板總線在CPU和CP之間傳送數據。如下所示：編程時可以完全自由地選擇源和目的區域。可以從數據塊、位存儲器和輸入輸出區域讀寫數據。精整一號線的Profibus3、Profibus4均可采用該編程方法。下圖為精整1號線5P的通訊程序。主站讀寫數據均在DB60中。CP342－5作從站時通訊程序編寫與作主站時一樣，這里不再敘述。
（2）CPU31x－2DPPLC作為主站或作從站時的編程這類網絡結構可采用直接尋址的編程方法，精整1號線的Profibus2屬該類型。直接尋址編程時主站就是將從站的外部輸入區域映像地址信息寫到指定的DP塊中，而從站則將DP塊中的數據地址傳寫到對應的外部輸出地址中。下為精整1號線主PLC與1號探傷機的通訊程序。LDB9．DBW10LPID700TPQW710TDB9．DBD0LPIW704TDB9．DBW4HY＿mastersedntoHY＿masterreceivefrom1＃tangshang1＃tangshang程序中均將輸入／輸出域的外部地址直接映射到DP9中。
（3）用SFC14和SFC15編程如果標準的DP從站也是模塊化的設計或者有幾個DP標志符，你只能一次訪問一個模塊或一個DP標志符的數據，這時需用SFC14從標準DP從站中讀取一致性數據和用SFC15向標準DP從站中寫入一致性數據來實現通訊。
2.4.2 DP網的故障診斷方法
（1）充分利用STEP7的在線診斷功能作故障診斷STEP7的在線診斷功能非常強大，能在線診斷各類型DP從站的故障并產生詳細的報文信息。在SETP7軟件的管理界面中用鼠標點擊選擇：“PLC＼ModuleInformation＼HardwareDi-agnostics”就可看到相應的故障診斷信息和報文。
（2）利用OB塊作故障分析在SIMATICNET系統中如果檢測到機架故障，子系統故障或分布式輸入輸出站故障，不管事故被定義為即將發生還是正在發生，CPU操作系統都會激活OB86。
表1
表1中臨時變量表示OB86已編寫好的不需用戶在編程，
一般只要將OB86下載PLC中就可以了。
OB86變量表中變量的含義如下：
OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C4／／DP站連接失敗
OB86＿FLT＿ID:B＃16＃C5／／DP站故障
OB86＿MDL＿ADDR:DP主站的邏輯地址（診斷地址）
OB86＿RACKS＿FLTD:將數據轉化為DWORD內容
Bits0to7:DP站號（PROFIBUS地址）
Bits8to15:DP子系統識別符
Bits16to30:DP從站的邏輯地址（診斷地址）
Bit31:I／O標識符
在故障診斷時根據變量表中具體數值進行故障分析即可。
3 現場總線的抗干擾問題分析
3.1 工廠現場干擾源分析
不同行業車間的干擾源不一樣，軋鋼車間現場干擾源主要有以下幾種：
1）傳動裝置，傳動系統是軋鋼車間最大的干擾源。傳動系統的總負荷約占造紙車間總負荷的2／3以上。在系統的整流和逆變中，大功率電力電子元器件(IGBT等)高速開和關轉換產生大量的高頻電磁波污染整個車間，且產生大量高次諧波污染工頻電網。
2）變壓器、MCC柜、電力電纜和動力設備。這些設備均為工頻其頻率較低，干擾一般發生在近場，而近場中隨著干擾源的特性不同分電場分量和磁場分量，兩者有很大差別。特別是動力設備啟動時的瞬間電流能夠達到額定電流的1～6倍會產生大電流沖擊的暫態干擾。
3）來自工頻電源的干擾。工頻電源波形畸變和高次諧波若未加隔離或濾波便會通過向軋機控制系統供電而進入控制系統，從而影響現場總線的信號。
4）導線接觸不良產生的火花、電弧等。
5）三相供電不平衡產生的地電流、屏蔽層不共地產生的接地環流。
干擾源的傳播途徑有導線傳輸和空間輻射兩種，對于現場總線主要表現為地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾。
3.2 現場總線的抗干擾措施
根據現場實際情況，針對現場總線的干擾源可采取以下策略：
1）遠離干擾源。動力設備和電力電纜對現場總線的干擾與距離的平方成反比，即隨距離的增大干擾衰減非常快。因此在設備安裝放電纜時，在電纜夾層和電纜鉤中就要將動力電纜和現場總線分開保持一定距離。
2）現場總線設備和電纜采取屏蔽措施。現場總線屏蔽的原理：一是外來電磁波在金屬表面產生渦流，從而抵消原來的磁場；二是電磁波在金屬表面產生反射損耗而另一部分透射波在金屬屏蔽層內傳播過程中衰減產生吸收損耗。現場總線的屏蔽是利用由導電材料制成的屏蔽并結合接地來切斷干擾源。
3）采用UPS電源或隔離變壓器可防止來自工頻電源的干擾。
4）網段中間加中繼放大器。中繼器不但可隔離它之后的干擾信號，而且對它前段的網絡信號有放大作用。
5）采用光纜傳輸信號。在現場總線傳輸速度高傳輸距離遠干擾大的情況下盡可能地采用光纜。采用光纜后有效解決了輻射擾和傳導干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間或者在接地狀況很不好的情況下采用光纜傳輸現場總線信號，可有效防止接地環流等干擾。
6）正確選擇和安裝傳動系統。傳動系統的整流部分采用12脈沖整流可有效消除5次和7次諧波。傳動柜與電機之間的動力電纜一定要采用良好屏蔽且三芯對稱的電力電纜。在精整線安裝調試期間就碰過現場總線網絡故障，如5P傳動網，各逆變器都無規律地報通訊故障，檢查NPBA－12和接線都沒有問題，主PLC重新下硬件組態還是無效，最后只能將從PLC到各逆變器的DP網線全部套金屬軟管，金屬軟管與傳動裝置的地接觸好。這樣才解決掉網絡通訊故障。還有一種現象就是每當在一條DP網上新增加一個從站，特別是變頻器做從站時。在啟動或停止變頻器瞬間該變頻器就報通訊故障，而且還會造成該網絡上其它站不穩定，但變頻器處于運行和靜態時網絡又正常，采取各種屏蔽措施都沒有效果，最后在該變頻器前端加一中繼放大器后才消除網絡故障。
總體來說，對現場總線造成干擾較多的還是來自傳動的高頻干擾。因此對新設備的線路安裝要嚴格按照國標或國際標準來施工，對后期的擴容也要留有余量。
4 結束語
Profibus－DP現場總線技術在精整生產線中的應用總的來說是成功的。系統運行3年來，相對穩定。發生網絡故障的概率很低，一般出故障時都是發生在現場環境較惡劣的地方（如連軋機的芯棒支撐機架處和穿孔機下輥喂入角調整電機處等），故障原因大多數是從站電源線路或網線連接處的問題。在系統調試初期出現過因電磁干擾造成的通訊故障，但經過對線路的屏蔽處理后，DP網由電磁干擾造成的通訊故障基本上沒有。實踐表明，該系統具有簡單實用，運行穩定可靠且操作維護方便等優點，為企業取得了良好的經濟效益。
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本文標題：Profibus－DP現場總線在精整生產系統中的應用
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