測控管一體化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在連鑄機(jī)中的應(yīng)用

引言

現(xiàn)場總線Profibus現(xiàn)場級一方面能滿足生產(chǎn)過程中傳感器／執(zhí)行器領(lǐng)域的通信需求，另一方面又具有單元級領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級控制設(shè)備之間及其與更高管理之間的聯(lián)系。將現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來運用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，可實現(xiàn)從控制級到現(xiàn)場級通信的一致。

濟(jì)鋼第三煉鋼廠連鑄區(qū)域就是利用Profibus—DP和Ethemet組建成了測控管一體化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。整個控制網(wǎng)絡(luò)分為3層：第一層為現(xiàn)場控制層，采用PLC和Profibus現(xiàn)場總線進(jìn)行控制；第2層為過程監(jiān)控層，采用工業(yè)控制計算機(jī)和帶以太網(wǎng)通信模塊的PLC組成工業(yè)以太網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)采用FactoryHnk軟件；第3層為生產(chǎn)管理層。整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1、 現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場總線Profibus的結(jié)構(gòu)是透明的和開放的，已成為事實上的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)場總線Profibus是國際標(biāo)準(zhǔn)ⅢC 61158的組成部分TypeⅢ）。它由3部分組成：P～flbu$一DP（分散型外圍設(shè)備）；Profibus-FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）；P 6bus—PA（過程自動化）。Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。使用Profibus—DP可取代24VDC或4～20mA信號傳輸。Profibus—DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須要比主站（眥）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，Profibus—DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。

整個連鑄區(qū)域分為4大主站及單體設(shè)備部分，每個主站均采用獨立的西門子s7—400 P 控制?，F(xiàn)場控制設(shè)備還有西門子ET200M分布式I／O、SIEMENS變頻器和C7等現(xiàn)場智能設(shè)備。PLC和現(xiàn)場設(shè)備的通信均采用Pmfibus—DP。Profibus已集成在Simatic s7系統(tǒng)內(nèi)部。分散連接的I／O外圍設(shè)備通過DP協(xié)議由Step7組態(tài)工具全部集成在系統(tǒng)中，亦即在組態(tài)和編程階段就把分散的I／O設(shè)備作為類似于在中心子機(jī)架或擴(kuò)展機(jī)架中本地連接的I／O來對待。同樣的道理適用于故障診斷和報警。SimaTIc s7 DP從站起著類似于集中插入的I／O模塊的作用。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)場設(shè)備（例如變頻器、觸摸屏等）。由于Profibus第1層、第2層的特性和內(nèi)部系統(tǒng)s7的通信功能，可以將編程器（PG）、PC、HMI等設(shè)備與SimaTIc s7 Profibus—DP系統(tǒng)連接。

一個完整的Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)由以下幾部分組成（圖2）：主控器（PLC）；現(xiàn)場I／O模塊（ET200），用于連接各種現(xiàn)場裝置；其他智能裝置，如變頻器、觸摸屏等；網(wǎng)絡(luò)附件（交換機(jī)等）。它能夠直接完成設(shè)備的順序、聯(lián)鎖、閉環(huán)控制，實現(xiàn)過程參數(shù)的采集以及報警功能。

以鑄流PIE為例，它有3條Profibus—DP構(gòu)成，CPU為CPU417—4DP，最多帶有4個Profibus—DP接口供用戶使用，如圖3所示。

① Profibus—DP（1）

主站為（CPU417—4DP，從站為ET一200。主站與從站間的通信基于主一從原理，主站負(fù)責(zé)在預(yù)定的信息周期內(nèi)循環(huán)與從站交換信息，在總線上向從站發(fā)送數(shù)據(jù)并向從站讀取數(shù)據(jù)，只有當(dāng)主站Strand PLC請求時總線上的DP從站才可能活動，才能與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。也就是說，DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問，主站與從站間的用戶數(shù)據(jù)連續(xù)地交換而不考慮用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)容。圖4指出在DP主站上是怎樣處理輪詢表的。主站與從站間的一個報文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請求幀（輪詢報文）和由DP從站返回的有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)幀組成。

② Profibus—DP（2）

主站為CPU417—4DP，從站為Siemens公司的23臺變頻器。為了連接成Profibus系統(tǒng)，必須采用Profibus模板。這一模板安裝在變頻器的正面，通過RS一485串行接口與變頻器進(jìn)行通信。Profibus模板是一個可選件，用戶采用這一選件后，可以通過Profibus—DP串行總線（SINECL2一P）對MicroMaster4進(jìn)行控制。所有的變頻器參數(shù)都可以通過串行鏈路進(jìn)行訪問，變頻器的從站地址（參數(shù)P0918）必須正確設(shè)置，使它與Profibus主站上配置的從站地址相一致，總線上定義的每個變頻器的地址必須是唯一的，這樣，PIE 與變頻器才能正常、準(zhǔn)確地進(jìn)行通信。

③ Profibus—DP（3）

主站為CPU417—4DP，從站為Siemens公司的變頻器，其通信過程及結(jié)構(gòu)類似于（DP2）。

2、 過程監(jiān)控層

由工業(yè)控制計算機(jī)PC和PIE 加以太網(wǎng)通信模塊（CP443—1）組成工業(yè)以太網(wǎng)，即組成過程監(jiān)控層。采用客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場需要可增an／刪減操作站。為了保證系統(tǒng)的可靠性、安全性，服務(wù)器均采取雙機(jī)熱備，當(dāng)前臺運行的服務(wù)器出現(xiàn)故障時，后臺運行的服務(wù)器能實時無影響地切換到前臺。工控機(jī)利用FactoryLink組態(tài)軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，將現(xiàn)場第一線的數(shù)據(jù)傳送到控制室，置于實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行控制及計算、參數(shù)動態(tài)實時顯示、報警及歷史曲線的顯示和數(shù)據(jù)保存，并將實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中保存和處理（圖5）。

以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了通信的確定性。首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式Hub，提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機(jī)會最小化；其次，快速以太網(wǎng)（100Mbps，1Gbps）的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應(yīng)于實時應(yīng)用；另外，改進(jìn)的通信協(xié)議克服了TCP／IP協(xié)議中的緩沖器滿足發(fā)送及沖撞控制中允許“丟”包等缺點。光纖不受噪聲干擾，適合使用于實時監(jiān)控的高噪聲現(xiàn)場環(huán)境。具有TCP／IP接口的現(xiàn)場設(shè)備（field device）可以無須透過現(xiàn)場的計算機(jī)，直接連接Intemet，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控（remote contro1）的功能。

從傳感器到管理層的直接通信可實現(xiàn)整個工廠的聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)以太網(wǎng)上不同工業(yè)自動化設(shè)備間的互操作和互換。FacmryLink與PIE的通信是通過～P／IP協(xié)議進(jìn)行的，因此必須在PIE的硬件組態(tài)上給以太網(wǎng)通信模塊CP443—1分配II）地址，在上位機(jī)為FactoryLink軟件安裝S7I／O Driver，通過SimaTIc NET的COM S7為FactoryLink軟件設(shè)置好正確的連接數(shù)據(jù)庫文件。

3、 生產(chǎn)管理層

通過網(wǎng)絡(luò)可將生產(chǎn)、計劃等進(jìn)行統(tǒng)一組織、調(diào)度。采用通用～P／IP協(xié)議，通過訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫可對數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行增加、修改或刪除。也可直接通過訪問服務(wù)器來了解現(xiàn)場的生產(chǎn)動態(tài)，在線監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，診斷設(shè)備故障及維護(hù)等，使生產(chǎn)處于動態(tài)控制狀態(tài)中。

4 、結(jié)束語

隨著網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的日漸成熟，工業(yè)界有越來越多的通信與自動化應(yīng)用正逐漸形成采用以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議作為主要通信接口的新趨勢。它融現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、可視化人機(jī)接口技術(shù)及生產(chǎn)管理技術(shù)為一體，使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，降低投資成本。