PROFIBUS—DP在高炉自动化系统中的应用

0 前言
　　随着网络的发展，现场总线（Process Field Bus简称Profibus）技术在新一代高炉自动控制系统中逐步推广使用。它使用一类传输介质（如具有位串传输的铜缆、光纤或无线等），用比特串传输，将分散的现场设备（如传感器、执行机构、驱动器、变送器等）连接到中央控制或管理系统。
　　在炼铁高炉自动化控制系统中，分为槽下配料和炉顶加料部份，槽下系统共25个仓、19个斗，共计阀门31个，炉顶12个阀，卷扬电机、探尺设备配有编码器。在电气设计方而，分布区域广、阀门多、煤气区域易燃易爆的特点不容忽视，凶此，我们采用各输入输出点（包括数字量、模拟量）进入站点模块，通过一根总线传人_丰控室PLC，以此控制各阀门及电机动作。本文以现场总线的角度出发，结合采用德国西门子PIC系统和图尔克Prnfibus—DP工业现场总线技术，描述高炉自动化系统的实现，并对当前现场总线故障诊断的敏感问题提出了一些解决方案。
1 PROFIBUS—DP总线通信原理及系统组成
　　PROFIBUS由二个兼容部分组成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。我们采用的PROFIBUS—DP是一种高速、低成本，用于没备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROF’IBUS可取代24VDC或4—20mA信号传输。它定义了第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和用户接口，第-1．1 现场总线物理层
　　IEC61158—2给出了现场总线物理层通用模型，可用图2示可表示。现场总线通信装置是由数据终端设备（DTE）和数据端接设备（DCE）组成。从图2可看出，现场总线的物理层包含了媒体相关子层与媒体无关子层两部分。
　　媒体相关子层负责处理不同传输媒体、不吲速率的信号转换问题。媒体无关子层与数据链路层相连，负责信号编码与解码，增加或减除前导码、定界符的工作。所以物理层的功能是用f实现现场设备与总线之间的连接，为现场设备对总线的发送和接收提供合乎规范的物理信号。

　　PROFIBUS—DP采用的是单独供电的总线设备，每站点有自己的稳压电源，如果网络节点电源不稳，通信若隐若现甚至彻底消失时，系统会自动启动旁路功能以避免对其他节点的影响。通信介质可采用双绞屏蔽电缆、同轴电缆、光纤，红外以及激光等，我们采用了双绞屏蔽电缆。通信网络电缆屏蔽层接地电阻宜小于1OΩ。在连接各站时，应确保数据线不要拧绞，电缆各个信号线相互之间的绝缘电阻宜大于200Ω，对于重要的场合，测试电缆的特性阻抗（推荐30kHz）、静电容量（推荐：1kHz）、耐压（DC200v）等参数非常必要。作为阻抗匹配元件，在总线的每个网段需要两个终端电阻。使用终端电阻的同的是应用信号的发射波原理减少信号衰减和变形。因此在每个网段的首尾节点，终端电阻或节点接头终端器要在“ON”位置，同时其他中间段节点应不能有终端电阻或节点接头终端器在“OFF”位置。当系统中需连接的站点数多于32时，使用中继器相连接。我们采用总线速率为1．5M的波特率，在一段中最大的电缆长度限制为200米，因此采用中继器进行信号放大以增加长度，但是串起来联结的中继器最多不能超过3个。
1．2  现场总线的数据链路层
　　现场总线数据链路层（DLU）位于物理层和应用层之间。DLL一般可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）两部分。LLC从其上层取得数据后，构造成帧，完成通信链路的建立、拆除及差错、流量控制等，而MAC完成网络存取控制。PROFIBUS现场总线基于令牌总线协议加主一从总线的介质存取方式，DP主站循环地与DP从站交换数据。站点数可达127个。它融合了IEEE802．4和集中式轮询协议的重要功能和优点，简单说这足一种多主站的协议，主站之间以令牌传输协议进行_I二作，持有令牌的站可轮询其它站（令牌和查询方式）。当主节点得到令牌后，允许它在一定的时间内与从节点或其它主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周的最长时间TrR（设定周期）是事先预定的，决定了各主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内，主节点有充足的时间完成通信任务，主节点与从节点之间的数据交换要尽町能快且简单地完成数据的实时传输。[page]
　　在炼铁高炉自动化控制系统中，利用总线遵循公开统一的技术标准，可实现设备互操作性和互换性。电振机的控制采用集空气开关、接触器、热继电器一体的电机启动器（5．5kw），室内控制恒内一排l4个启动器作为一个站点，这样只需4排1个控制柜就可完成所有42台电机的主网路及二次回路的控制，电机启动器的智能性，可以通过信号灯闪烁频率来报警。室内设有模拟屏，模拟屏为全现场各所有控制阀门的开关信号指示，其信号来源于总线上ET200站点的输出。现场炉顶及槽下阀门开关的信号传送人机旁箱内的图尔克模块，以站点形式挂在总线上．用于主卷扬判断料车方向及行程的编码器、探测料线深度的探尺编码器采用图尔克产品，也以站点形式拄在总线上。信号通过总线传送到主控室的PLC，总线各站点结点处以T形头联接，这样整个拓朴结构中。无论哪个站点出现故障不影响其它站点，为保证现场总线设备正常工作，每台现场总线设备，必须有一个唯一的网络地址和物理设备位号。当有站点m现故障时，通过韦控室的PLC可以诊断出具体站点，实现对各站点的监测。针对实际情况我们采用j条总线，S7400PLC控制，协议分别为MPI和Profibus。PLC接收到接近开关到位信号后，通过总线上的以ET200为站点的模块输出到模拟屏信号灯上。其总线结构示意如图3：

2 系统软硬件设计
　　系统硬件：由SIMATICS7—400PLC、ET-200M、数字量模拟量输入输出模块（DI／DO、AI／AO）、IF964一DP扩展卡、图尔克现场模块PDP—IM、丁作站（2台工控机）、Profibus—DP屏蔽电缆。控机作为上位机，通过现场总线接口卡CP5612相连到现场总线，在工控机上完成组态、运行、操作等功能。
      软件配置：在这个系统中，控制基本上由集中的PLC完成。
　　在PLC软件控制当中，我们要对外部的总线结构进行硬件组态，让系统识别总线结构，各个站点有自己的逻辑地址，分别挂在哪条总线上，采用的总线协议方式及速率、产品类型等进行具体组态设置。编程软件我们采用STEP7（5．2），对PLC进行硬件组态，使用厂家提供GSD文件，GSD（设备数据库文件）的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中。PLC程序在卜位机的编程工具STEP7（5,2）中组态后进行编译，编译通过后F载到CPU416-2DP，并存储其中，CPU416可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有1／O模块的状态字，控制硬件设备。
　　上位机监控软件为西门子公司的Wince6．0，它基于WIN—DOWS的对象链接和嵌入、部件对象模型和分布式部件对象模型技术，并创建一开放式接口，具有良好的图形界面和人机交互性，系统在Windows2000下运行，通迅画而如图4：

　　利用总线，在监控画面中我们实现了功能如下：
　　（1）控制操作：并住中心控制室能对被控没备进行在线实时控制，如启停阀门设备，调节上料种类，实现定仓、设定料类重量等。并能够在现场限位开关发生故障时，模拟到位信号，使上料正常进行。在线设置PIC的某些参数等。上位机是总线上一个站点，与PLC的进行实时通迅。[page]
　　（2）显示功能：在画面中通过编程实现模拟显示整个高炉系统各阀门实际动作状况，各称量斗实际重量显示。各阀门位置指示用不同颜色指示开位、关位、正在开或关等，以及现场的仪表温度、压力、状态参数。
　　（3）数据管理：依据不同运行参数的变化和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。用户归档记录每料实际的料类，每料车的重量，上料时间等，从中得出一些有用的经验参数，改进丁艺，使生产效益越来越好。
　　（4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、温度等）测量值超过给定范嗣或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生异常时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。通过画面闪烁报警，并用文字提示，对快速确认故障，排除故障起到很好作用。利用总线模块诊断功能，可直观看到现场站点故障报警状态。
3 总线诊断方式
　　在高炉自动化系统中，各站点分散于现场煤气区域，一旦站点出现故障，即使一个站点也将会严重影响上料，造成减风、休风，因此快速故障诊断尤为重要。结合实践，这里介绍3种故障诊断方法。
3．1使用FB125程序对系统中分布式设备进行在线诊断

　　FB125是一个中断驱动功能块，它必须在OB1，OB82和OB86中分别被调用。可以对系统进行_二级诊断：故障站点、故障模块、故障通道。并且给出详细的报错信息，同时数据仔储区可以作为接口被其它程序读取和调用（如WINCC），更直观的找出故障从站和错误信息。其跟随的数据块中部分重要信息如表。
3．2 用BT200测试装置（6ES7 181一OAA01一OAAO）
　　在安装阶段，可用BT200测试装置测试PROFIBUS—DP电缆，能够快速分辨出线路中断还是屏蔽中断，是线路之间还是线路与屏蔽层之间的短路。在数据线中出现断线或短路时，确定故障位置，并能检测出可能造成故障的反射。根据实际情况确定安装电缆长度，超jIJ规定距离可增加中继器进行信号放大。也可以检查站的接线，用BT200检查从站／主站的RS485接口，检查从站的可访问性，列出可访问的从站及其具体编址。这可事先测试特定总线段的可操作性，从而缩短，投产运行时间。在H常运行故障时，这些功能用于故障查找，操作容易且准确。借助于可选日志生成软件包，每次测试都可保存在BT200中，并传送到PC。然后即可以报告形式打印测试结果。这就意味着可快速简便地对测试报告进行编辑。
3．3 利用OB块把CPU中的硬件的信息读出来
　　0B86为机架故障组织块，当扩展机架（不是CPU318）、DP主站系统、或分布式I／O中从站故障时（当到来和离去事件时），CPU的操作系统调用OB86。我们在OB86组织块中编写程序．把CPU中的故障代码读m放入数据库中，根据数据库中的代码意义，可诊断出总线上站点故障。如当参数OB86一FLT ID的故障代码为B#16#C8时，参数OB86一MDLADDR的内容为DP主站的逻辑基地址，参数OB86_Z23的内容为相应的DP从站的地址。把OB86一Z23中的内容存人DB数据块中，便可通过在WINCC在画面上体现出来。
4 结束语
　　在高炉自动化系统中，生产条件特殊复杂，设备地域分散多点多面，造成了电气自动控制系统故障率高，维护量大的缺点。而该网在奉项目的运用中避免了大量点到点的电缆敷设，降低了线路敷没的难度和施工的复杂性，其实时性远远高于其它局域网，闲而特别适合用于工业现场。
参考文献
[1]刚宪惠，徐用懋．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社．1999。
[2]周悦，等．儿种现场总线的通信介质访问控制方式[J]．工业仪表与自动化装置，2001。
[3]Simatic S7 v5．2编程手册。
[4]Simatic wince v6手册。