现场总线在控制系统改造中的应用

工欲善其事，必先利其器。天津钢管公司为了提高钢管生产的质量和效率，决定对管加工厂的WMBPS(Weighting Measurement Banding Pinstamp Stencil)精整线机组进行改造。WMBPS系统是对轧制出来的钢管进行测长、称重、涂色环、打标和喷标的一套设备，它是对出厂前的钢管进行精整加工的一条生产线。该精整线机组是采用美国十年前的技术，PLC控制选用的是集中式I/O设计，数据采集和处理以及其他一些信息管理采用的是一种类似计算机主板的大型电路板控制。该系统设备陈旧；由于线缆繁多，走线复杂，所以维护困难；而且该系统中无上位机监控功能，程序运行可视化效果差；采用专用的通讯协议，无法与其他工位实现通讯，系统扩展性差；无数据库和人员管理功能，需要其他工位协助管理或人工管理，导致控制复杂化。以上种种缺点已表明原WMBPS系统已不能满足钢管自动化生产的要求。为提高企业生产管理现代化的程度，适应市场发展的要求，天津钢管公司要求我们对WMBPS精整线机组进行技术改造。 在原有设计中，主控室与各工位设备之间的线缆要经过地沟、线缆隧道等连接，长的线缆可达上百米，由于信号传输量大，为便于施工和维护，保证信号传输的稳定可靠，我们决定采用西门子的PROFIBUS现场总线控制方式。 1、现场总线的特点 现场总线技术是把单个分散的测量控制设备变成网络接点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 它的技术特点有： （1） 系统的开放型。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。在世界范围内，已有多于500家制造厂商能提供种类繁多的带有PROFIBUS-DP接口的现场设备。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 （2） 互可操作性和互用性。互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通；互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 （3） 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 （4） 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 （5） 对现场环境的适应性。作为工厂网络底层的现场总线，可支持双绞线、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2、PROFIBUS总线协议 PROFIBUS是Process Field Bus的缩写，是德国国家标准DIN9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化系统和分布式I/0站以及现场设备之间进行通讯。FMS意为现场信息规范，用于工业通讯分层中现场层和单元层的通讯任务，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器等。PA型则是用于过程自动化的总线类型。 PROFIBUS-DP的特点是最小化的响应时间和高抗干扰度，这种协议只使用了OSI的第一层（物理层）和第二层（数据链路层），第三层到第七层未加以描述，这种结构确保了数据传输的快速和有效。它可以替代价格昂贵的24V，4到20mA测量转换值的并行传输信号。由于我们这条生产线是用于总控室对现场设备的控制，而且厂方要求钢管测量的长度和重量精度较高，故要求数据传输、处理的速度非常快，所以我们选用PROFIBUS-DP型总线规范。 3、PROFIBUS在WMBPS改造中的应用 上位西门子监控PC机作为PROFIBUS总线上的一个主站，与另一个主站西门子PLC的CPU：CPU315-2DP进行数据交换，读取现场设备的工作信息，对生产情况进行详细的管理，如统计、查询、判别；打标、喷标内容实时动态跟踪相应钢管的型号、规格及参数，并以柱状图、折线图显示出来；实时工位显示，人员管理、保密管理。主站CPU315-2DP是整条总线上的控制核心，它负责与其他主站和从站的通讯，控制线上设备按用户程序规定的时序工作。现场打标柜和喷标柜中各有一个ET200M带着一定量的输入输出模块，构成总线上的两个从站，ET200M不具有控制功能，它负责与主站CPU315-2DP的通讯和模块的诊断，它们所连接的设备由主站CPU315-2DP通过总线进行控制。为了便于维护人员在线监控PLC程序运行和程序修改，另外还有一台维护PC机，通过MPI网络与CPU315-2DP进行通讯，实现PLC的在线监控、诊断和修改功能。MPI网络是多点通讯接口网络，是西门子PLC与上位机进行程序下载、监控的缺省网络接口。每条线上各站点的地址不能重复，CPU315-2DP既是PROFIBUS总线上的一个主站也是MPI网络上的一个站点。它们的网络拓扑结构如图1所示： 图1 网络拓扑结构图 PROFIBUS总线上主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间为主－从传送方式。上位监控PC机上装有CP5611卡， ET200M上有DP总线接口，可按照PROFIBUS总线协议完成通讯功能，各站点之间通讯只需要一根RS-485双绞电缆连接，传输波特率为1.5M～12Mbit/s，大大提高了信号传输的速度和系统的稳定性。 在系统设计中，上位监控PC机由西门子工控机实现生产线的实时监控、数据库管理、钢管参数设置和人员管理功能。由西门子S7-300系列PLC组成的主从站控制整条生产线的操作，使现场的设备按一定的时序和逻辑关系把上工位传送来的钢管进行测长、称重、打标和喷标操作后，传送到下工位，并将好坏管分别放置。测长油缸、称重传感器、TELESIS打标机、MARKTEC喷标头是各工序的执行部件。同时上位机还通过串口与各部件进行通讯。上位机根据PLC传送的测长光电管状态和编码器值计算出钢管的长度，称重仪表通过串口将称重传感器称出的钢管重量传给上位机。而且上位机将前面测出的长度、称出的重量、连带钢管标准、厂标、钢种、炉号、批号等信息按钢管的国际标准排列组合后发给TELESIS打标机和MARKTEC喷标机，打、喷出相应的字符和图标。每一根钢管完成测长、称重、打标、喷标操作后由打印机打印出该钢管的信息，并存到数据库，以便数据管理和查询。整条生产线设备的连接关系图如图2所示： 图2 设备连接关系图 如图所示，打标机、喷标机、步进梁、液压站，以及其他一些传感器、继电器等都挂在各自的从站上，不与PLC的主站进行直接的I/O信号连接，只需要在主从站之间用一根RS485双绞线连接。但控制时，所有的I/O点都像是直接连在主站上一样控制，不需要对通讯进行特定的编程。 4、结论与展望 PROFIBUS现场总线在天津WMPBS精整线机组上的应用，大大减少了改造的施工量，缩短了施工周期，从原有设备的拆除到新设备的安装、连通只用了四天时间，比原计划七天时间缩短了将近一半时间。同是由于采用总线连接方式，系统的结构简化，减少了设备之间的连线。每个主站与从站之间只需一根电源线和一根总线传输的信号线，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的准确性和可靠性。另外总线具有对网络的诊断功能，便于维护人员查错和维护。 随着企业信息化、自动化的提高，要求对工厂、车间的集中式管理程度提高，作为开放式的底层控制网络——现场总线必将得到更广泛的应用。它一方面将现场设备之间互联，另一方面又将现场设备的状态、信息发送到控制室或更高一级的控制终端，可实现整个生产线和车间内的信息共享，资源统筹调度。对于整个工厂或企业，现场总线如PROFIBUS还可以通过通信控制器直接挂接在工业以太网上，满足企业ERP、MRP、SAP等网络互联的要求。现在现场总线还可以通过网关、网桥等连接到INTERNET上，实现远程控制和资源全球共享。 参考资料 1、《现场总线技术及其应用》 阳宪惠主编 清华大学出版社 2、《SIEMENS工业通讯网络及现场总线部件产品目录》 2002.2 3、《SIMATIC STEP7 V5.1 编程手册》 4、《ET200M Distributed I/O Device Manual》 5、《SIMATIC S7-300 and M7-300 Programmable Controllers Module Specifications Reference Manual》