PROFIBUS_DP技术在板坯连铸机系统中的应用

    2  PROFIBUS总线简介
    PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层, 第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三－六层未使用，第七层为应用层亦即用户接口层。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS设备的设备行为。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即：（1）PROFIBUS_DP（Decentralized Periphery）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；（2）PROFIBUS_PA（Process Automatic）专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范；（3）PROFIBUS_FMS（Fieldbus Message Specification ）用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。 
    3种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。但以PROFIBUS_DP的高速、高可靠性、低成本通信应用最为广泛，济钢三炼钢板坯连铸机系统中的网络通讯采用的就是PROFIBUS_DP总线。其特征及现场应用介绍如下。

    3  PROFIBUS_DP控制网络在连铸机中的应用
    3.1  连铸机系统总线的选取
    在种类繁多的现场总线中，PROFIBUS_DP以高速低成本通信的优势，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信，满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，使用PROFIBUS_DP可取代24VDC或4-20mA信号传输的通信需求。另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特别在现场“分散I/O”领域，大量的、各种各样的、可连接的现场设备，如：变频器、MP270、C7等都可连接使用。现场PROFIBUS_DP应用中采用RS-485双绞线作为传输介质，波特率为1.5M bit/s。

    3.2 连铸机系统PROFIBUS_DP总线的结构形式
    PROFIBUS_DP现场总线技术的存取控制，一方面同一级的可编程序控制器或PC之间的通信必须使每一个总线站（节点）在确定的时间范围内能获得足够的机会来处理它自己的通信任务。另一方面，复杂的PLC或PC与简单的分散的过程I/O外围设备之间的数据交换必须是快速而准确的。 
    （1）总线主-从程序。三炼钢连铸基础自动化系统有四大主PLC及结晶器液位、结晶其调宽和各单体设备PLC组成，各PLC即相互独立，又通过PROFIBUS_DP总线相互联系通讯，单就其四大主站单体而言，其中PLC作为主站，它负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，发送控制信息，读取从站的状态等，如图1。[page]

    DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理。也就是说，只有当主站STRAND PLC请求时，总线上的DP从站才可能活动。DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。图2指出在DP主站上是怎样处理轮询表的。DP主站与DP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混合总线存取控制方式。在自动化控制实际应用领域中，PROFIBUS_DP混合总线存取控制方式应用最为广泛，适用于制造业自动化、流程工业自动化以及交通电力等其他领域自动化。使用混合的总线存取控制机制可实现主动节点（如公用PLC、铸流PLC等）间通信的令牌传递程序和用于主动站（如公用PLC）与被动站（从站ET200M等）间通信的集中的主-从程序。
    结合现场实际需要，连铸机基础自动化PROFIBUS_DP总线采用混合总线存取控制方式（如图3），当一个主动节点公用PLC（总线站）获得了令牌，它就行使主站功能并在总线上与其他从站（ET200M、VVVF、C7等）和主站节点（如铸流PLC等）进行通信。在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织的。每个PROFIBUS节点有一个地址，而且此地址在整个总线上是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0到126之间。这就是说，一个总线系统最多可以有127个节点（总线站）。

    3.3 连铸机系统SIMATIC S7 PROFIBUS网络控制结构
    连铸机系统采用的现场总线——PROFIBUS_DP集成在SIMATIC S7系统内部。分散连接的I/O外围设备（ET200M、VVVF、C7等）通过DP协议由STEP7组态工具全部集成在系统中。这就是说，已在组态和编程阶段，把分散的I/O设备（如STRAND PLC各远程站RIO S_LC312、RIO S_LC316、RIO S_LC214等 ）作为类似于在中心子机架或扩展机架中的本地I/O来对待。起着类似于中心子机架的I/O模块的作用，起着扩展功能。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（如结晶器调宽MP270、操作面板C7等）。由于PROFIBUS第1层、第2层的特性和一贯执行的内部系统通信（S7功能），因此，可将编程装置（PG）、PC、HMI等设备与SIMATIC S7 PROFIBUS_DP系统直接连接通讯，进行监控和操作（图4）。[page]

    在图4中，整个网络上级控制有四台上位机OPS1、OPS2、OPS3、OPS4，这四台上位机用于工业现场,由它可以来实时监控现场设备运行状态，并可将设备运行情况通过曲线或文字的形式记录下来，同时操作人员可在HMI上进行远程控制。
    四台上位机通过以太网分别与四大主站（公共PLC、铸流PLC、仪表PLC、后部PLC）PLC进行通讯，实时监控现场设备的运行。从图中可以看出单独应用PROFIBUS_DP网可用于控制大中包系统、引锭卷扬系统、铸流系统、后部辊道系统等，总线构成主-从程序。在铸流PLC系统中，有一个主站，八个远程站（I/O），主站又通过PROFIBUS_DP网同结晶器振动PLC、结晶器液位控制PLC、拉矫驱动PLC进行通讯，总线构成混合总线存取控制方式。从而构成了连铸整个网络控制系统。为方便处理现场事故，在现场设有一台编程器（PG），它可以通过PROFIBUS_DP接口与在线PLC进行实时通讯，监控现场设备运行状况。接口采用的是9针D型连接器RS485协议用于总线站与总线的相互连接。

    4  结束语
    为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS_DP协议特别适用于可编程序控制器与现场级分散的I/O设备之间的通信。PROFIBUS_DP总线在板坯连铸机电气自动控制系统的应用，验证了PROFIBUS_DP总线在现场控制方面的稳定性和可靠性，不仅提高了自动控制水平，而且能大大提高生产率和降低停机时间，为稳产、高产打下坚实的基础。