劉國棟

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)在軋鋼設(shè)備中的應(yīng)用及診斷

劉國棟

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

基于Profibus網(wǎng)絡(luò)，以無縫鋼管生產(chǎn)線上的張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)為例，具體闡述Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分以及如何進(jìn)行Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)診斷。

Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)診斷 西門子 張力減徑機(jī)

軋鋼設(shè)備工藝動作多、設(shè)備分布范圍較廣，如果所有設(shè)備都使用硬線連接，則會導(dǎo)致電纜使用量龐大，同時通訊信號質(zhì)量和穩(wěn)定性無法保障。在現(xiàn)場總線越來越普及的今天，設(shè)備之間通常使用現(xiàn)場總線進(jìn)行連接，這樣不僅減少了電纜敷設(shè)量，而且提高了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。本文以張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)為例，對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及診斷進(jìn)行闡述。

1 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)

1.1 Profibus-DP介紹

PROFIBUS-DP通常使用RS-485物理層（物理層是指數(shù)字信號傳輸介質(zhì)）。PROFIBUS DP可以有多種不同的物理層，如RS-485、無線和光纖。RS-485是PROFIBUS最通用的物理層，它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度高和在強(qiáng)噪聲環(huán)境中的抗干擾能力強(qiáng)。

PROFIBUS-DP主要用于高速輸入/輸出設(shè)備和連接智能設(shè)備（如驅(qū)動系統(tǒng)）。PROFIBUS有一個大的數(shù)據(jù)包（244 byte），所以它能在一個數(shù)據(jù)包中處理來自遠(yuǎn)程輸入/輸出設(shè)備或驅(qū)動設(shè)備的信息。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸率能高達(dá)12 Mbits/s，這些信息會在很短的時間內(nèi)被發(fā)回控制器。PROFIBUS-DP總線的傳輸速率與DP網(wǎng)絡(luò)電纜長度有關(guān)，具體參數(shù)值見表1。

表1 DP網(wǎng)絡(luò)電纜長度與傳輸速率的關(guān)系

1.2 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)可以連接變頻器、ET200M模塊、智能儀表、編碼器等所有具有DP接口的設(shè)備。它不僅支持?jǐn)?shù)字量信號，而且支持模擬量信號，是現(xiàn)代工廠中非常好用的一種通訊協(xié)議。采用RS-485的Profibus-DP電纜作為硬件連接的網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計(jì)要求如下：節(jié)點(diǎn)必須是串級鏈，即電纜直接從一個設(shè)備連接至另一個設(shè)備，然后從此設(shè)備出來后又直接連接至另一個設(shè)備；每個網(wǎng)段必須有終端電阻；每個DP網(wǎng)段的從站數(shù)量不要超過125個；中繼器數(shù)量最多為9個；要根據(jù)網(wǎng)速設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)電纜的長度，具體參見西門子Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)相關(guān)手冊。遵循推薦的接地習(xí)慣：將所有屏蔽電纜都接地；在同一網(wǎng)段中使用一個接地電纜連接所有機(jī)柜；設(shè)計(jì)時保證高波特率但運(yùn)行時使用低波特率。

2 張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)

2.1 張力減徑機(jī)簡介

張力減徑機(jī)是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工序上的一臺設(shè)備，它將脫管后的荒管進(jìn)一步軋制成符合工藝要求的鋼管，主要由張減機(jī)主機(jī)座、軋輥機(jī)架、主傳動、換輥裝置等組成。本文以24機(jī)架為例進(jìn)行介紹。

2.2 張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)

張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)主要由變壓器、主傳動系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)、HMI系統(tǒng)、流體電控系統(tǒng)等組成，本文重點(diǎn)介紹構(gòu)成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部分。

2.3 張力減徑機(jī)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

整個張力減徑機(jī)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)主要由主PLC、主操作臺ET200M、現(xiàn)場操作臺ET200M、CU（控制單元）、編碼器等組成。所有設(shè)備都采用DP電纜一進(jìn)一出的方式串行連接。

2.3.1 張力減徑機(jī)主PLC組成

張減機(jī)主PLC由1塊CPU414-3DP模塊、3塊DI32*DC 24 V模塊、1塊DO32*DC 24 V模塊和1塊CP443-1模塊。CPU414-3DP做為整個自動化系統(tǒng)的核心主要負(fù)責(zé)輔助系統(tǒng)順序控制、單體設(shè)備順序控制、主傳動系統(tǒng)速度控制、聯(lián)鎖保護(hù)等。

2.3.2 CU（控制單元）

張減機(jī)主傳動系統(tǒng)總共使用12塊西門子SINAMICSCU320-2DP控制單元。CU320-2DP控制單元通過Profibus-DP電纜與PLC進(jìn)行連接，而CU320-2DP控制單元與SLM模塊、BLM模塊、電機(jī)模塊則通過DRIVE-CLiQ電纜連接。

2.3.3 ET200M

ET200M從站主要由IM153-1接口模塊、6ES7 321-1BL00-0AAO 數(shù) 字 量 輸 入 模 塊 、6ES7 322-1BL00-0AAO數(shù)字量輸出模塊等組成。DP電纜與IM153-1模塊相連接，通過DP網(wǎng)絡(luò)，此從站可以與PLC進(jìn)行DI/DO數(shù)據(jù)交換。

2.3.4 編碼器

張力減徑機(jī)電控系統(tǒng)中的編碼器主要是用于輥道高度調(diào)整、壓輥位置調(diào)整等的檢測，選用Profibus-DP接口的絕對值編碼器，PLC通過DP網(wǎng)讀取編碼器的實(shí)時位置，然后通過公式將編碼器所記錄的數(shù)據(jù)換算成輥道高度、壓輥高度等數(shù)據(jù)。表2為張減機(jī)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)站地址分配。

3 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)診斷

網(wǎng)絡(luò)診斷通常分為兩種，一種是對設(shè)備安裝、布線、站地址設(shè)置等的診斷；第二種是通過程序?qū)W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的診斷，自動判定DP從站的工作狀態(tài)。

表2 張減機(jī)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)站地址分配

3.1 設(shè)備安裝、布線、站地址設(shè)置等的診斷

3.1.1 檢查Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接線用到的工具

檢查Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接線用到的工具包括：示波器（最好為數(shù)字示波器，方便現(xiàn)場攜帶）；PB Connector（帶有A、B、RTS、M引出線的PB連接頭且?guī)G接口）；電纜（連接好DP插頭的Profibus-DP電纜，在用編程器調(diào)試網(wǎng)絡(luò)時使用）；一字、十字螺絲刀（Profibus-DP剝線刀）；編程器（安裝有Step7軟件以及Amprolyzer等診斷軟件）。

3.1.2 檢測步驟

3.1.2.1 總體檢驗(yàn)

查看所有DP從站是否按照圖紙要求設(shè)置DP站地址，DP電纜連接是否按照Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D實(shí)施，DP電纜編號是否與圖紙一致。

3.1.2.2 現(xiàn)場測試內(nèi)容

檢查DP電纜：查看使用的是Profibus-DP電纜還是其他電纜，電纜外皮是否破損、是否存在斷線，安裝是否符合相關(guān)規(guī)范。

DP接頭：檢查DP頭接線情況，進(jìn)線與出線是否正確?？偩€段兩終端的兩個接頭都應(yīng)將電纜連接在“In”端；檢查連接頭與站點(diǎn)的接口處的螺絲是否緊固；隨機(jī)選擇幾個Bus connector，打開外蓋，查看內(nèi)部接線及屏蔽層處理情況。

終端電阻：檢查終端電阻接線情況，開關(guān)是否置于“ON”。

屏蔽層：檢查Profibus電纜在進(jìn)柜與出柜處，屏蔽層接地是否正確。

接地檢測：各設(shè)備應(yīng)可靠接地，DP電纜屏蔽層也要接地。PE線越粗越好16 mm2以上。

電纜敷設(shè)：通信電纜與動力電纜嚴(yán)格分層敷設(shè)，信號電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)的干擾源（例如較大的用電設(shè)備、電源、變頻器等）。電纜長度同通訊波特率相關(guān)。

所連接的站點(diǎn)數(shù)：每個網(wǎng)段（物理連接）最多可以連接32個站（包括主站、從站以及中繼設(shè)備）；整個網(wǎng)絡(luò)可以連接127個設(shè)備；中繼器（診斷中繼器）的最多級聯(lián)9個。

3.1.3 示波器監(jiān)測

如果在硬件組態(tài)中通過在線/離線檢測發(fā)現(xiàn)有部分DP從站已經(jīng)成功組態(tài)但不在線，同時檢查站地址設(shè)置、DP網(wǎng)絡(luò)電纜連接又無法發(fā)現(xiàn)問題時，可以通過示波器檢測信號波形，通過波形情況判定是否存在斷線或干擾等問題。

3.2 通過程序?qū)W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的診斷

程序檢測Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)情況也有很多辦法，本文主要論述如何通過STEP7程序庫中的FC125進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷。FC125必須在OB1中進(jìn)行調(diào)用，調(diào)用FC125后，程序可以自動檢測到不在線和發(fā)生故障的DP從站。

3.2.1 FC125在OB1中的調(diào)用

以下為FC125在OB1中的調(diào)用程序：

3.2.1.1 FC125各參數(shù)解釋

CHECK_ACTIV：是否開始進(jìn)行DP網(wǎng)絡(luò)檢測的指令，0不開始，1開始。

EXTERNAL_DP_INTERFACE：DP主站接口選擇，0指CPU上的DP接口，1表示外部DP接口，如CP443-5等。

DP_MASTERSYSTEM：在硬件組態(tài)中DP master system的編號。

DATA_FIELD：從站狀態(tài)檢測后的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，128位。

SUM_SLAVES_DIAG：進(jìn)行診斷的從站的數(shù)量。

LIST_SLAVES_NOT_PRESENT：不在線DP從站，128位，每位數(shù)據(jù)對應(yīng)一個從站，0表示正常，1表示不在線。

LIST_SLAVES_ERROR：發(fā)生故障的DP從站，128位，每位數(shù)據(jù)對應(yīng)一個從站，0表示正常，1表示發(fā)生故障。

RETVAL：FC125執(zhí)行時的狀態(tài)值。

BUSY：FC125程序塊狀態(tài)，0表示程序未運(yùn)行，1表示程序正在運(yùn)行。

3.2.1.2 從站DP站地址在DATA_FIELD中的對應(yīng)關(guān)系

如圖1所示，對于本文所述DP診斷系統(tǒng)，DBDx即為DB100.DBDO～DB100.DBD4。而在存儲區(qū)中DP從站地址與DBX順序號高低相反，如從站地址1—8對應(yīng)DBX0.7～DBX0.0。

圖1 DP從站號與DATA_FIELD中各數(shù)據(jù)位對應(yīng)關(guān)系

3.2.2 通過FC125進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)診斷

各個從站工作正常時，在DATA_FIELD中的各個數(shù)據(jù)位返回值都為0；如某一個從站發(fā)生掉站故障，則DATA_FIELD中對應(yīng)數(shù)據(jù)位的值變?yōu)?。

以張減機(jī)現(xiàn)場操作臺ET200M（LCS01）為例，LCS01的DP從站地址為5，當(dāng)LCS01的DP通訊正常時，DB100.DBX0.3的值為0；當(dāng)LCS01發(fā)生掉站故障時，DB100.DBX0.3的值為1。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)診斷在HMI上的顯示

通過PLC與上位機(jī)的通訊程序，PLC實(shí)時將DATA_FIELD（即DB100.DBDO～DB100.DBD4）的數(shù)值發(fā)送給上位機(jī)。仍以張減機(jī)現(xiàn)場操作臺ET200M（LCS01）為例，當(dāng)DB100.DBX0.3值為0時，表示LCS01從站DP通訊正常，在HMI上LCS01的圖標(biāo)以綠色顯示；當(dāng)DB100.DBX0.3值為1時，表示LCS01從站發(fā)生丟失（掉站）故障，在HMI上LCS01的圖標(biāo)以紅色顯示。

通過簡單的顏色顯示，生產(chǎn)維護(hù)人員可以通過HMI網(wǎng)絡(luò)診斷畫面實(shí)時掌握DP從站的通訊狀態(tài)，極大的方便了生產(chǎn)操作和設(shè)備維護(hù)。

4 結(jié)語

使用STEP7程序庫自帶的FC125進(jìn)行DP網(wǎng)絡(luò)診斷，簡單高效，可以實(shí)時掌握每個DP從站的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。將Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)于HMI畫面里，然后通過PLC和HMI的通訊，將每個DP從站的狀態(tài)傳輸于上位機(jī)，并且通過不同顏色表示DP從站的狀態(tài)，此種方式方便生產(chǎn)維護(hù)人員了解DP從站的狀態(tài)，在使用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備里都可以推廣應(yīng)用。

（編輯：張偉）

Application and Diagnosis of Profibus-DP in Rolling Equipment

Liu Guodong
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024）

Based on Profibus network，taking sizing and reducing mill electronic control system of seamless steel pipe production line as an example，this paper elaborates main part of its Profibus-DP network，and ways of how to carry out Profibus-DP network diagnosis.

Profibus-DP，network diagnosis，SIEMENS，sizing and reducing mill

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.27

TG334.9

A

1672-1152（2015）06-0075-04

2015-09-27

劉國棟（1984—），男，現(xiàn)任太原重工股份有限公司技術(shù)中心軋鋼所副所長，工程師。E-mail：tzlgd@qq.com