Profibus-DP和Ethernet构建的工控网在连铸机中的应用

O 引言
　　现场总线Profibus现场级一方面能满足生产过程中传感器／执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高管理之间的联系。将现场总线技术和以太网技术结合起来运用于工业控制系统中，可实现从控制级到现场级通信的一致。
　　济钢第三炼钢厂连铸区域就是利用Profibus—DP和Ethemet组建成了测控管一体化的工业控制网络。整个控制网络分为3层：第一层为现场控制层，采用PLC和Profibus现场总线进行控制；第2层为过程监控层，采用工业控制计算机和带以太网通信模块的PLC组成工业以太网，监控系统采用FactoryHnk软件；第3层为生产管理层。整个系统构成如图1所示。

1 现场控制层
　　现场总线Profibus的结构是透明的和开放的，已成为事实上的国际公认标准（现场总线Profibus是国际标准ⅢC 61158的组成部分TypeⅢ）。它由3部分组成：P～flbu$一DP（分散型外围设备）；Profibus-FMS（现场总线报文规范）；P 6bus—PA（过程自动化）。Profibus—DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用Profibus—DP可取代24VDC或4～20mA信号传输。Profibus—DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（眦）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，Profibus—DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
　　整个连铸区域分为4大主站及单体设备部分，每个主站均采用独立的西门子s7—400 P 控制。现场控制设备还有西门子ET200M分布式I／O、SIEMENS变频器和C7等现场智能设备。PLC和现场设备的通信均采用Pmfibus—DP。Profibus已集成在Simatic s7系统内部。分散连接的I／O外围设备通过DP协议由Step7组态工具全部集成在系统中，亦即在组态和编程阶段就把分散的I／O设备作为类似于在中心子机架或扩展机架中本地连接的I／O来对待。同样的道理适用于故障诊断和报警。Simatic s7 DP从站起着类似于集中插入的I／O模块的作用。Simatic s7提供集成的或插入的Profibus—DP接口用于连接有更复杂功能的现场设备（例如变频器、触摸屏等）。由于Profibus第1层、第2层的特性和内部系统s7的通信功能，可以将编程器（PG）、PC、HMI等设备与Simatic s7 Profibus—DP系统连接。
　　一个完整的Profibus—DP网络由以下几部分组成（图2）：主控器（PLC）；现场I／O模块（ET200），用于连接各种现场装置；其他智能装置，如变频器、触摸屏等；网络附件（交换机等）。它能够直接完成设备的顺序、联锁、闭环控制，实现过程参数的采集以及报警功能。[page]

　　以铸流PIE为例，它有3条Profibus—DP构成，CPU为CPU417—4DP，最多带有4个Profibus—DP接口供用户使用，如图3所示。

　　① Profibus—DP（1）
　　主站为（CPU417—4DP，从站为ET一200。主站与从站间的通信基于主一从原理，主站负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，在总线上向从站发送数据并向从站读取数据，只有当主站Strand PLC请求时总线上的DP从站才可能活动，才能与主站进行数据交换。也就是说，DP从站被DP主站按轮询表依次访问，主站与从站间的用户数据连续地交换而不考虑用户数据的内容。图4指出在DP主站上是怎样处理轮询表的。主站与从站间的一个报文循环由DP主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。

　　② Profibus—DP（2）
　　主站为CPU417—4DP，从站为Siemens公司的23台变频器。为了连接成Profibus系统，必须采用Profibus模板。这一模板安装在变频器的正面，通过RS一485串行接口与变频器进行通信。Profibus模板是一个可选件，用户采用这一选件后，可以通过Profibus—DP串行总线（SINECL2一P）对MicroMaster4进行控制。所有的变频器参数都可以通过串行链路进行访问，变频器的从站地址（参数P0918）必须正确设置，使它与Profibus主站上配置的从站地址相一致，总线上定义的每个变频器的地址必须是唯一的，这样，PIE 与变频器才能正常、准确地进行通信。[page]
　　③ Profibus—DP（3）
　　主站为CPU417—4DP，从站为Siemens公司的变频器，其通信过程及结构类似于（DP2）。
2 过程监控层
　　由工业控制计算机PC和PIE 加以太网通信模块（CP443—1）组成工业以太网，即组成过程监控层。采用客户机／服务器结构，根据现场需要可增an／删减操作站。为了保证系统的可靠性、安全性，服务器均采取双机热备，当前台运行的服务器出现故障时，后台运行的服务器能实时无影响地切换到前台。工控机利用FactoryLink组态软件实现对现场设备的监控，将现场第一线的数据传送到控制室，置于实时数据库进行控制及计算、参数动态实时显示、报警及历史曲线的显示和数据保存，并将实时数据库的数据送到服务器的数据库中保存和处理（图5）。

　　以太网技术的发展增强了通信的确定性。首先，在网络拓扑结构上，采用星形连接及交换式Hub，提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能，使数据冲撞及重发机会最小化；其次，快速以太网（100Mbps，1Gbps）的发展及网络冗余技术使以太网更适应于实时应用；另外，改进的通信协议克服了TCP／IP协议中的缓冲器满足发送及冲撞控制中允许“丢”包等缺点。光纤不受噪声干扰，适合使用于实时监控的高噪声现场环境。具有TCP／IP接口的现场设备（field device）可以无须透过现场的计算机，直接连接Intemet，实现远程监控（remote contro1）的功能。
　　从传感器到管理层的直接通信可实现整个工厂的联网，实现以太网上不同工业自动化设备间的互操作和互换。FacmryLink与PIE的通信是通过～P／IP协议进行的，因此必须在PIE的硬件组态上给以太网通信模块CP443—1分配II）地址，在上位机为FactoryLink软件安装S7I／O Driver，通过Simatic NET的COM S7为FactoryLink软件设置好正确的连接数据库文件。
3 生产管理层
　　通过网络可将生产、计划等进行统一组织、调度。采用通用～P／IP协议，通过访问服务器数据库可对数据库记录进行增加、修改或删除。也可直接通过访问服务器来了解现场的生产动态，在线监控生产设备状态，诊断设备故障及维护等，使生产处于动态控制状态中。
4 结束语
　　随着网际网络与信息技术的日渐成熟，工业界有越来越多的通信与自动化应用正逐渐形成采用以太网和TCP／IP协议作为主要通信接口的新趋势。它融现场总线技术、PLC技术、以太网技术、可视化人机接口技术及生产管理技术为一体，使系统稳定、可靠，降低投资成本。