PROFIBUS——DP网在攀钢转炉提钒控制系统的应用

攀钢转炉提钒基础自动化控制系统成功引进了西门子公司的以S7-400可编程控制器为核心的SIMATIC PCS7过程控制系统, 该控制系统结合了当今最先进的电子技术、计算机技术、网络技术、图象及图形处理技术 (WINCC) 、现场总线技术和先进的自动化控制理论, 使攀钢转炉提钒自动化控制系统达到当今自动化控制领域的领先水平。其中PROFIBUS现场总线技术最具代表性, 它被誉为21世纪工业控制系统的标准网络。

1 现场总线概述

1.1 现场总线

根据IEC (International Electrotechnical Commission) 国际电工委员会标准FF (Foundation Fieldbus) 现场总线基金会的定义:现场总线是一种数字通信协议, 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线 (Fieldbus) 是上世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的, 用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通信网络, 是计算机技术、通讯技术和控制技术从控制室发展到工艺设备现场的技术成果。它作为工厂数字通信网络的基础, 沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络, 而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

1.2 现场总线的优点

现场总线简化了系统结构。传统现场仪表的4mA～20mA两线制标准, 在一对线上只能传输单个信号信息, 而现场总线能分时共享同一电缆传输的全数字化的信息, 资源利用率高。现场总线可完全代替传统的4mA～20mA DC模拟信号电路, 以提高数据传输的可靠性与准确性, 通过双向通讯对变送器进行远程测试、诊断、管理。

现场总线采用数字式集线器 (Cluster) 法, 先将现场装置通过集线器连接到散布在整个工厂内的配电盒, 然后用一对线缆将配电盒连接到上级控制终端, 可节省15%～20%的安装费用。同时, 可以将变送器按地域或功能定义成相应的组群, 便于管理。

现场总线通过公用总线可将多个传感器、执行机构等与控制系统相连, 大大减少了现场连线, 降低了现场线缆的费用, 节省了控制室的空间, 减少了线缆间的串扰, 还减少了I/O接口数量等, 达到了结构简化的目的, 降低了安装和维护费用。

1.3 现场总线标准

现场总线标准基本参照国际标准化组织的OSI模型, 但将OSI模型层次结构缩略为第一层物理层、第二层数据链路层、第七层应用层, 外加一个用户层。这样做的目的是为了使供管理用的信源的信头 (如逻辑地址等额外的字节) 最小, 以达到控制所需的性能要求。现场总线的最终用户一般有两个:控制室内的操作者和位于现场的装置。

国际电子技术委员会/国际标准协会 (IEC/ISA) 自1985年起着手现场总线标准工作, 但统一的标准至今仍未完成。目前主要的现场总线协议有FF、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。攀钢转炉提钒基础自动化控制系统采用的是PROFIBUS总线协议。

2 转炉提钒控制系统中的PROFIBUS DP网

2.1 PROFIBUS

攀钢提钒炼钢厂采用的是西门子公司的PROFIBUS现场总线。PROFIBUS (Process fieldbus) 是依据德国国家标准DIN19245和欧洲标准P R E N 5 0 1 5 9的现场总线, 由P R O F I B U S-D P (分散外围设备) 、PROFIBUS-FMS (现场总线消息规格) 、PROFIBUS-PA (过程自动化) 构成完整系列。PROFIBUS的参考模型是ISO/OSI模型, 它采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层, 适合基于PLC的加工自动化过程控制领域的应用, 几乎为所有PLC制造商所接受。

DP型用于分散外设间的高速传输, 适合于加工自动化领域的应用。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权, 可主动发送信息。对多主站系统来说, 主站之间采用令牌方式传递信息, 得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权, 并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按PROFIBUS的通信规范, 令牌在主站之间按地址顺序, 沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时, 可以按主-从方式向从站发送或索取信息, 实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播或有选择地向一组站点广播。

PROFIBUS的传输速率为9.6kbps~12kbps, 最大传输距离在12kbps时为100m, 1.5Mbps时为400m, 可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线, 也可以是光缆。最多可挂接127个站点。

2.2 PROFIBUS DP网

PROFIBUS-DP是基于EN 50170卷2PROFIBUS标准, 使用“DP”传输协议 (DP是德语分布式I/O的缩写, 也是英文Distributed periphery的缩写) 开放式总线系统。在物理上, PROFIBUS-DP或是基于屏蔽双绞线的电气网络, 或是基于光纤线缆的光纤网络。DP传输协议允许在控制CPU和分布式I/O设备之间高速、循环的交换数据。DP主站把控制CPU和分布式I/O设备连接起来, DP主站通过PROFIBUS-DP网和分布式I/O设备及PROFIBUS-DP监视器之间进行数据交换。分布式I/O设备 (=DP从站) 准备传感器和执行器的数据, 以使数据能由PROFIBUS-DP传送到控制CPU。

2.3 硬件组成

在转炉提钒控制系统中由CPU 414-2 DP、ET200M、接口模板IM153-1以及连接电缆组成了PROFIBUS DP网络的硬件基础。以CPU 414-2 DP为核心的S7-400可编程控制器作为PROFIBUS DP网络的主站 (D PM a s t e r) , 把E T 2 0 0 M作为PROFIBUS DP网络的从站 (DP Slave) , IM153-1是ET200M从站标准应用的接口模板, 作为连接主站和从站的接口以管理和协调通讯。

2.4 结构概述

攀钢转炉提钒控制系统下挂的PROFIBUS现场总线采用的协议是:PROFIBUS—DP协议, 它使用了高速总线, 传输速率为1.5Mbps, 在此控制系统中PROFIBUS DP网络是局域网高速工业以太网节点 (仪表PLC) 的子网。

攀钢转炉提钒控制系统中的PROFIBUS--DP网使用西门子的ET200M (ET200M可对数字信号和模拟信号进行处理) , 通讯协议为现场总线的外围分布式I/O系统, 它通过接口模件IM153-1, 把外围的扩展机架ET200M经一对屏蔽双绞线连接到中央控制器CPU414-2DP端口上, 把中央控制器设置为主站 (M a s t e r) , E T 2 0 0 M设置为从站 (Slave) , 通讯方式采用数字式通讯网络。Master (主站) 的站号设置为2, 它相对应的Slave (从站, 在风机房) 的站号设置为3 (4#转炉提钒控制系统和5#转炉提钒控制系统相同) 。这样, S7-400CPU就位于控制的中心, 分布式I/O系统中的ET200M就在现场运行, ET200M集中处理风机房区域的现场设备信号, 一个高效的现场总线系统就将S7—400CPU和现场I/O连接在一起组成一个有机的完整的控制系统。

2.5 转炉提钒控制系统PROFIBUS—DP网通信

在一个自动控制系统中, PROFIBUS—DP网通过软件和硬件组态后, MASTER和SLAVE之间的数据交换还要从主站和从站的内部来定义, 通过应用STEP7内的标准功能块SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”来接受和发送DP总线上的信号, 接受和发送信息字节长度相同。标准功能块SFC13“DPNRM_DG”是读一个DP Slave的诊断数据作业执行过程为异步方式, 在作业执行过程中, 请求连续调用标准功能块SFC13, 在程序循环执行过程中对应有状态指示, 由RET_VAL和BUSY实现。

在炼钢厂转炉提钒4#、5#PLC控制系统中, 因在PLC内没有对标准功能块SFC14“DPRD_DAT”和SFC15“DPWR_DAT”进行编程, 而是使用由CPU414-2DP、ET200M、接口模板IM153-1都支持的直接通讯。从STEP7V5.x开始就可以对PROFIBUS结点进行直接通讯配置。IM153-x能够作为发送方参与直接通讯。原理是:直接通讯表现的实际上是PROFIBUS-DP网络结点监听网络以找出是哪一个DP从站正在把它的数据发送回其DP主站, 利用该功能接收方能够直接存取远程DP从站的输入数据变化。在用STEP 7组态期间, 还要定义有关的输入地址, 也可以定义来自发送方的所需数据将要被读到接收方哪一个地址区。在这种通信方式中, PLC把从站I/O看成与中央机架中的I/O一样来进行统一编址和编程处理, 这样系统中PROFIBUS-DP网络的从站结点ET200M实际上相当于一个扩展机架。

2.6 性能

转炉提钒基础自动化改造后的实际应用证明整个转炉提钒控制系统的稳定性和可靠性都非常好。尤其是使用PROFIBUS DP网络使原来S5PLC控制系统中风机房扩展机架引起频繁死机的问题得到了根本解决, 从而降低了整个系统的故障率, 提高了系统的效率。

3 结语

随着自动化技术和计算机技术飞速发展, 现场仪表和过程控制设备已广泛地采用PROFIBUS现场总线来进行通讯, 近年来, PROFIBUS成功地应用到了冶金、制造业、楼宇、过程自动化和电站自动化等领域。PRFIBUS现场总线技术这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术, 受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点, 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。攀钢把自动化领域最先进的技术应用于转炉提钒控制系统中必将为生产发展、管理进步打下良好科技基础。

摘要：本文简要介绍现场总线的有关知识, 以及PROFIBUS现场总线在攀钢转炉提钒基础自动化控制系统中的应用。

关键词：现场总线,网络,网络协议,PROFIBUS,PLC,DP