论文部分内容阅读
摘 要：本文以某型钢厂角钢热连轧生产线控制系统为例，简述了当今较为先进的角钢生产工艺，描述了角钢生产线电气系统的配置，结合角钢生产线的实际情况，介绍了基于PROFIBUS—DP现场总线技术的现代化角钢生产线轧机控制系统的软、硬件配置，主站、从站的构成以及使用编程软件STEP7对PROFIBUS—DP现场总线进行组态的方法。该角钢热连轧生产线以SIMATIC S7-400 PLC为主站，6RA70、ET200M为从站，主站与上位机之间采用工业以太网连接，主站与从站之间采用PROFIBUS—DP网连接，整个系统是一个全数字、全网络化系统，大大提高了企业自动化控制水平，对类似角钢生产企业的生产线建设、改造有很高的参考价值。
关键词：PROFIBUS—DP；现场总线；生产线
Abstract: This paper uses a type of steel angle steel hot continuous rolling production line control system as an example, introduces the advanced angle production technology, describes the angle steel production line electrical system configuration angle, with the actual situation in the production line, introduced based on the PROFIBUS and DP field bus technology of the modern steel production line rolling mill control system software and hardware configuration, the master station, from the station and the composition of the use of programming software STEP7 on PROFIBUS - DP field bus configuration method. The angle steel hot continuous rolling production line to SIMATIC S7-400 PLC for the 6RA70, ET200M, from the station, the master station and between machine adopts industrial Ethernet connection, between master station and slave station by PROFIBUS - DP network connection, the whole system is a fully digital, networked system, greatly improving the enterprise automation control level, similar to the angle steel production line construction, renovation has a very high reference value.
Key words: PROFIBUS - DP; field bus; production line
中图分类号： TN805文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
角钢生产线工业是国家工业系统中一个重要的工业分支，是航天、军工、汽车、道路、桥梁、化工等不同行业最有力的支撑和保障。目前，我国的角钢生产线工业正处于一个快速发展和提高的时期，随着长尺冷却、在线矫直、冷锯锯切定尺工艺在角钢生产线中的应用，明显提高了产品质量，尤其是在PROFIBUS—DP现场总线技术越来越普遍的应用到角钢连轧生产线后，大大提高了角钢生产线的自动化控制水平，使企业取得了更好的经济效益。
现场总线技术是當今世界各国都在关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统将成为2l世纪自动化控制系统的主流。福来亚钢铁有限责任公司角钢连轧生产线是一条新建的角钢生产系统，其自动控制系统采用了西门子的过程现场总线PROFIBUS（Process Field．bus）网络，在硬件配置、软件编程上充分应用了PROFIBUS的资源，实现了工控机、PLC、远程I／O、直流调速装置、交流变频装置及现场智能仪表的通信连接，是目前较为先进的自动控制系统。
2 现场总线技术概述
PROFIBUS 是 Process Field Bus 的缩写，是目前国际上通用的现场总线标准之一。它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准，被广泛应用于工厂自动化现场级监控和现场设备层的数据通讯与控制。PROFIBUS提供了3种通信协议：PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。其中，PROFIBUS—DP是PROFIBUS中应用最广的通信方式。DP是Decentralized Periphery(分布式外部设备)的缩写，PROFIBUS—DP（简称为DP）主要用于设备级控制系统与分散式I/O设备的通讯。这种通信方式传输速度快、价格低廉，实现起来也比较简单。该总线的传输速率可由 9.6 Kbps 至 12 Mbps，每个DP从站的输入数据和输出数据最大为244B，使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离可达9.6Km,最多可以接127个从站。目前80%以上的PROFIBUS 应用基于ROFIBUS—DP。
PROFIBUS网络的硬件由主站、从站、网络部件和网络组态与诊断工具组成。PROFIBUS—DP设备可分为三种不同类型的站。
（1）一类DP主站（DPM1）：一类DP主站是系统的中央控制器，DPM1在预定的周期内与分布式的站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。典型的DPM1主站设备如集成了DP接口的PLC或插有PROFIBUS网卡的PC。
（2）二类DP主站（DPM2）：二类DP主站是DP网络中的编程、诊断和管理设备，在DP系统组态操作时作用，完成系统操作和监视目的。典型的DPM2主站设备如以PC为硬件平台的二类主站或操作员面板/触摸屏（OP/TP）。
（3）DP从站：DP从站是用于采集输入信息和发送输出信息的外围设备，它只与它的DP主站交换用户数据，可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。典型的DP从站设备如分布式I/O、PLC智能DP从站或具有PROFIBUS—DP接口的其他现场设备。
3 PROFIBUS—DP在角钢连轧生产线中的应用
3.1 角钢生产工艺介绍
福来亚钢铁有限责任公司的角钢连轧生产线的生产工艺为：坯料由加热炉加热后，由出炉辊道送入粗轧区域，由粗轧机K8、K7进行粗轧，粗轧后送精轧区域（由K6~K1组成）精轧，热锯飞剪进行倍尺分段剪切，冷床冷却，成排收集，冷锯定尺剪切，成品收集区冷却、收集及横移过跨，最后入库。工艺流程图如下图所示：
3.2 硬件组态
该角钢生产线自动控制系统分为两级：过程控制级和设备控制级。过程控制级负责生产管理和过程监控，设备控制级则对轧线上所有传动设备分区进行控制。该系统由2台上位机和3台S7-400系列PLC组成的3个PROFIBUS—DP主站构成过程控制级，通过工业以太网进行通信。每台PLC下设若干ET200M远程I／O站及西门子变流传动装置，它们之间通过PROFIBUS—DP现场总线网络进行通信，构成了本系统的设备控制级。系统框图如下图所示。
（1）主站：S7-400系统
主站的PLC均采用西门子S7-400系列，CPU选用416—2 DP。整个系统用了3台PLC，对应了3条PROFIBUS—DP网线。1号PLC完成在网络状态下轧制区设备及轧机的顺序控制和闭环控制； 2号PLC完成在网络状态下冷床和冷床I/O柜的控制；3号PLC完成在网络状态下飞剪的控制。
（2）分布式I/O从站
ET200M是一种模块化分布式的I／O装置，它通过接口模块IM153与PROFIBUS—DP现场总线相连。本系统用屏蔽双纹线分别将主站CPU的DP接口与各自控制区域内所有ET200M从站DP接口依次串接，用STEP7软件为主站和从站分配总线地址。本系统中3个主站的DP地址都是2。
在本系统中，对操作实时性要求不高的一般性操作在上位机上进行操作，上位机通过以太网与各PLC连接；对于急停、碎断、机架速度调整、合、分闸、轧机间逐移调节等需要快速响应的操作及允许合闸、合闸指示、故障指示等电控设备重要状态指示，直接将信号连入ET200的I/O模块，ET200M 分布式I/O通过PROFIBUS—DP现场总线与CPU构成总线型主从通讯网络。
（3）直流调速系统从站：6RA70系统
轧机主传动电机控制均采用以西门子6RA70为核心组成调节部分，以进口生产线生产的大功率晶闸管为核心组成功率部分，二者通过可靠的嫁接技术共同组成电机的调速装置，这样的装置性能可以达到国外先进水平，而价格却不贵，具有很高的性能价格比。配合EM277PROFIBUS-DP 扩展从站模块，与 S7-200CPU 组成一个保护功能完备，通讯快捷的过程控制网络，与主站之间通过屏蔽双絞线传送数据。6RA70通过CBP2 通信模板与CPU上的 PROFIBUS-DP 接口相连，实现数据在PROFIBUS-DP网上快速准确的数据和信息传输。
（4）操作员站
图形软件采用WINCC监控软件，具有实时监控历史趋势图表和报表、故障信息显示、良好的人机界面、丰富的图形库、过程控制功能块、数学函数等功能。
3.3 软件组态
系统采用S7-400的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、调试和文档处理。PLC程序在计算机上编译完成后，下载到CPU 416—2 DP，并储存在CPU 416—2 DP中。从站的设备控制程序均存储在主站中，由主站执行。
4 结束语
综上所述，角钢连轧生产线控制系统采用的PROFIBUS-DP总线技术，将PLC与PLC，PLC与分布式I／O从站、PLC与6RA70全数字直流传动装置连接起来，主、从站之间的数据交换通过数字通信方式进行，实现快速、准确的控制。实践表明，由PROFIBUS-DP现场总线组成的轧机过程控制系统，具有通讯速度快、抗干扰能力强、可靠性高、控制精度高、方便安装、易于维护等优点，经济效益显著。随着现场总线及网络技术的不断发展、普及，这一技术将会更加广泛、深入应用于角钢连轧生产线控制系统，使企业自动控制水平迈上新台阶。
参考文献：
马刚.PROFIBUS-DP总线在广钢连轧厂的应用。
廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999.
关键词：PROFIBUS—DP；现场总线；生产线
Abstract: This paper uses a type of steel angle steel hot continuous rolling production line control system as an example, introduces the advanced angle production technology, describes the angle steel production line electrical system configuration angle, with the actual situation in the production line, introduced based on the PROFIBUS and DP field bus technology of the modern steel production line rolling mill control system software and hardware configuration, the master station, from the station and the composition of the use of programming software STEP7 on PROFIBUS - DP field bus configuration method. The angle steel hot continuous rolling production line to SIMATIC S7-400 PLC for the 6RA70, ET200M, from the station, the master station and between machine adopts industrial Ethernet connection, between master station and slave station by PROFIBUS - DP network connection, the whole system is a fully digital, networked system, greatly improving the enterprise automation control level, similar to the angle steel production line construction, renovation has a very high reference value.
Key words: PROFIBUS - DP; field bus; production line
中图分类号： TN805文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
角钢生产线工业是国家工业系统中一个重要的工业分支，是航天、军工、汽车、道路、桥梁、化工等不同行业最有力的支撑和保障。目前，我国的角钢生产线工业正处于一个快速发展和提高的时期，随着长尺冷却、在线矫直、冷锯锯切定尺工艺在角钢生产线中的应用，明显提高了产品质量，尤其是在PROFIBUS—DP现场总线技术越来越普遍的应用到角钢连轧生产线后，大大提高了角钢生产线的自动化控制水平，使企业取得了更好的经济效益。
现场总线技术是當今世界各国都在关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统将成为2l世纪自动化控制系统的主流。福来亚钢铁有限责任公司角钢连轧生产线是一条新建的角钢生产系统，其自动控制系统采用了西门子的过程现场总线PROFIBUS（Process Field．bus）网络，在硬件配置、软件编程上充分应用了PROFIBUS的资源，实现了工控机、PLC、远程I／O、直流调速装置、交流变频装置及现场智能仪表的通信连接，是目前较为先进的自动控制系统。
2 现场总线技术概述
PROFIBUS 是 Process Field Bus 的缩写，是目前国际上通用的现场总线标准之一。它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准，被广泛应用于工厂自动化现场级监控和现场设备层的数据通讯与控制。PROFIBUS提供了3种通信协议：PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。其中，PROFIBUS—DP是PROFIBUS中应用最广的通信方式。DP是Decentralized Periphery(分布式外部设备)的缩写，PROFIBUS—DP（简称为DP）主要用于设备级控制系统与分散式I/O设备的通讯。这种通信方式传输速度快、价格低廉，实现起来也比较简单。该总线的传输速率可由 9.6 Kbps 至 12 Mbps，每个DP从站的输入数据和输出数据最大为244B，使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离可达9.6Km,最多可以接127个从站。目前80%以上的PROFIBUS 应用基于ROFIBUS—DP。
PROFIBUS网络的硬件由主站、从站、网络部件和网络组态与诊断工具组成。PROFIBUS—DP设备可分为三种不同类型的站。
（1）一类DP主站（DPM1）：一类DP主站是系统的中央控制器，DPM1在预定的周期内与分布式的站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。典型的DPM1主站设备如集成了DP接口的PLC或插有PROFIBUS网卡的PC。
（2）二类DP主站（DPM2）：二类DP主站是DP网络中的编程、诊断和管理设备，在DP系统组态操作时作用，完成系统操作和监视目的。典型的DPM2主站设备如以PC为硬件平台的二类主站或操作员面板/触摸屏（OP/TP）。
（3）DP从站：DP从站是用于采集输入信息和发送输出信息的外围设备，它只与它的DP主站交换用户数据，可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。典型的DP从站设备如分布式I/O、PLC智能DP从站或具有PROFIBUS—DP接口的其他现场设备。
3 PROFIBUS—DP在角钢连轧生产线中的应用
3.1 角钢生产工艺介绍
福来亚钢铁有限责任公司的角钢连轧生产线的生产工艺为：坯料由加热炉加热后，由出炉辊道送入粗轧区域，由粗轧机K8、K7进行粗轧，粗轧后送精轧区域（由K6~K1组成）精轧，热锯飞剪进行倍尺分段剪切，冷床冷却，成排收集，冷锯定尺剪切，成品收集区冷却、收集及横移过跨，最后入库。工艺流程图如下图所示：
3.2 硬件组态
该角钢生产线自动控制系统分为两级：过程控制级和设备控制级。过程控制级负责生产管理和过程监控，设备控制级则对轧线上所有传动设备分区进行控制。该系统由2台上位机和3台S7-400系列PLC组成的3个PROFIBUS—DP主站构成过程控制级，通过工业以太网进行通信。每台PLC下设若干ET200M远程I／O站及西门子变流传动装置，它们之间通过PROFIBUS—DP现场总线网络进行通信，构成了本系统的设备控制级。系统框图如下图所示。
（1）主站：S7-400系统
主站的PLC均采用西门子S7-400系列，CPU选用416—2 DP。整个系统用了3台PLC，对应了3条PROFIBUS—DP网线。1号PLC完成在网络状态下轧制区设备及轧机的顺序控制和闭环控制； 2号PLC完成在网络状态下冷床和冷床I/O柜的控制；3号PLC完成在网络状态下飞剪的控制。
（2）分布式I/O从站
ET200M是一种模块化分布式的I／O装置，它通过接口模块IM153与PROFIBUS—DP现场总线相连。本系统用屏蔽双纹线分别将主站CPU的DP接口与各自控制区域内所有ET200M从站DP接口依次串接，用STEP7软件为主站和从站分配总线地址。本系统中3个主站的DP地址都是2。
在本系统中，对操作实时性要求不高的一般性操作在上位机上进行操作，上位机通过以太网与各PLC连接；对于急停、碎断、机架速度调整、合、分闸、轧机间逐移调节等需要快速响应的操作及允许合闸、合闸指示、故障指示等电控设备重要状态指示，直接将信号连入ET200的I/O模块，ET200M 分布式I/O通过PROFIBUS—DP现场总线与CPU构成总线型主从通讯网络。
（3）直流调速系统从站：6RA70系统
轧机主传动电机控制均采用以西门子6RA70为核心组成调节部分，以进口生产线生产的大功率晶闸管为核心组成功率部分，二者通过可靠的嫁接技术共同组成电机的调速装置，这样的装置性能可以达到国外先进水平，而价格却不贵，具有很高的性能价格比。配合EM277PROFIBUS-DP 扩展从站模块，与 S7-200CPU 组成一个保护功能完备，通讯快捷的过程控制网络，与主站之间通过屏蔽双絞线传送数据。6RA70通过CBP2 通信模板与CPU上的 PROFIBUS-DP 接口相连，实现数据在PROFIBUS-DP网上快速准确的数据和信息传输。
（4）操作员站
图形软件采用WINCC监控软件，具有实时监控历史趋势图表和报表、故障信息显示、良好的人机界面、丰富的图形库、过程控制功能块、数学函数等功能。
3.3 软件组态
系统采用S7-400的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、调试和文档处理。PLC程序在计算机上编译完成后，下载到CPU 416—2 DP，并储存在CPU 416—2 DP中。从站的设备控制程序均存储在主站中，由主站执行。
4 结束语
综上所述，角钢连轧生产线控制系统采用的PROFIBUS-DP总线技术，将PLC与PLC，PLC与分布式I／O从站、PLC与6RA70全数字直流传动装置连接起来，主、从站之间的数据交换通过数字通信方式进行，实现快速、准确的控制。实践表明，由PROFIBUS-DP现场总线组成的轧机过程控制系统，具有通讯速度快、抗干扰能力强、可靠性高、控制精度高、方便安装、易于维护等优点，经济效益显著。随着现场总线及网络技术的不断发展、普及，这一技术将会更加广泛、深入应用于角钢连轧生产线控制系统，使企业自动控制水平迈上新台阶。
参考文献：
马刚.PROFIBUS-DP总线在广钢连轧厂的应用。
廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999.