西门子PLC和Profibus—DP总线技术在粗轧机系统中的应用.pdf

7 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第6期 西 门子 P LC和 P r o fi b u s DP总 线技 术 在粗轧机 系统 中的应 用 曹跃进， 陈新运 西安工程大学 电子信 息学院， 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 介绍了一种基于 P r o fi b u s D P总线控制技术在粗轧机控制 系统的应用 ， 结合 实际． 7 -- 程 ， 介绍了基 于西 门子 P L C和 P r o fi b u s现场 总线的某厂粗轧机 控制 系统软、 硬件 组 态的 实现 以及 Wi n C C监 控 系统 。 关键词 P r o fi b u s D P ； 组态； Wi n C C监控 系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 6 0 0 7 2 0 3 Ap p l i c a t i o n o f S i e me n s PLC a n d Pr o fibu sDP fie l db us i n c o n t r o l s y s t e m o f r o u g h mi l l C A O Y u e j i n ， C HE N X i n y u n C o l l e g e 0 ， E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g， X i a n P o de c h n i c U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a Abs t r a c t Th e pa p e r i n t r o d uc e s t he a p p l i c a t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n Pr o fib usDP fie l d b u s i n r o u g h m i l l ， a n d c o mb i n i n g w i t h a n a c t u a l p r o j e c t ， d e s c r i b e t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s o ft a n d h a r d w a r e c o n fi g u r a t i o n i n c o n t r o l s y s t e m o f r o u g h mi l l b a s e d o n S i e me n s P L C a n d P r o f i b u s D P fi e l d b u s a n d t h e c o n - - t r o l a n d s u p e r v i s i o n s y s t e ms f o r W i nCC． Ke y wo r d s P r o fi b u sD P；c o n fi g u r a t i o n；c o n t r o l a n d s u p e r v i s i o n s y s t e ms f o r Wi n C C 0 引言 某厂粗轧机系统由传动、 压下、 润滑、 稀油等几 个部分组成 ， 在控制 上采用整体控制 ， 实现设 备运 行、 人员操作的可靠、 安全、 简单化。利用 P r o fi b u s D P总线技术 J ， 把各个分散 的不 同功能 的泵站、 操作台、 操作箱整合为一个 s 7 3 0 0控制系统是解 决轧机系统控制的最好方法。在控制系统 中 s 7 3 0 0主站、 各个 E T 2 0 0 M分站 、 触摸屏是整个粗轧机 系统的控制核心部分。主要用来收集和传输现场检 测信号， 对各个泵站的参数 如压力、 温度、 液位等 进行精确控制 。通过上位机监控系统 ， 操作员实时 了解各站的运行参数并进行相应的工艺操作。 - l P r o fi b u s ． D P 嘲囱 囱 豳 国 豳 豳 豳 l ～ 7号数字传动 图 1 某轧机 P r o fi b u s D P过程控制网络结构 1 P r o fi b u s D P在粗轧机控制系统中的应用 1 ．2 系统硬件组态 1 ． 1 P r o fi b u s网络结构 图 1所示为某轧机过程控制 中的 P r o fi b u s D P 网络结构。 收稿 日期 2 0 1 20 5 2 4 作者简介 曹跃 进 1 9 5 7 ， 男 ， 陕西西安人 ， 副教授 ， 主要从事 电 气传动及控制系统， 计算机应用技术， 工业通讯网络的研究工作。 粗轧机系统 由 l 台上位机 D P M2 、 1个 P r o fi ． b u s D P主站 D P M1 、 P r o fi b u s ～D P从站及现场设 备组成； P r o fi b u s D P总线将所有主站和从站连接 成一个完整的过程控制 网。 l台上位机 主站采用研华工控机 ， 通 过 以太 网 和西门子通信模块 C P 3 4 3使工控机与现场总线相 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与 自动化装置 7 3 连 。这样工业 P C机与现场总线网就连接成为能完 成组态、 运行 、 操作等功能的完整 的控制网络系统。 1 个 P r o fi b u s D P总线主站即为 C P U 3 1 5 2 D P 的 s 7 3 0 0 P L C， C P U 3 1 52 D P是西 门子公 司推 出 的一款适合 于中等规模控制系统 的 P L C， 其可扩展 性好， 通信能力强。C P U 3 l 5 2 D P带 2个通信接 口 一个符合 E N 5 1 7 0标 准的 P r o fi b u sD P接 口和 一 个 MP I 接 口。通过这 2个接 口可以实现 P r o fi b u s 、 工业 以太 网系统和 MP I等通信 。P r o fi b u s D P 接 口使用九针 D型插头 。 P r o fi b u s D P从站包括 1 采用西 门子 6 R A 7 0系列直 流调速装 置的直 流传动系统 6个 开卷传动装置 2个 、 卷取机传动装 置 2个 、 主机传动装置 2个 、 采用西门子 MM4 4 0全 数字交流变频装置的交流传动系统 矫直机传动装 置 1 个 ， 交直流传动装置通过 C B P通信板与 P r o fi - b u s D P 现场总线连网， 大大减少了电缆使用量， 降 低了建设成本 ， 还为系统提供 了更大 的灵活性和扩 展性 。并且通过 中央控制单元 P L C将所有传 动点 连接在 P r o fi b u s 现场总线上 ， 采用 网络数 字速 度 给定和脉冲编码器速度反馈， 构成全数字传动系统。 一 方面迅速响应操作员发 出的操作指令 ， 另一方面 与传动设备进行高速数据通信， 以便 P L C根据传送 上来 的电动机电流 、 电压 的实际大小及 时作 出必要 的处理。 2 机柜控制系统 6个 电磁 阀柜 、 润滑泵站柜 、 左操作箱、 右操作箱、 开卷操作台、 主操作 台各 1 个 ， 均采用分布式 I ／ O模块 E T 2 0 0 M， 配合 P r o fi b u s D P接 口， 与主站之间通过屏蔽双绞线传送数据。 I／ O模块下的电磁阀、 气动阀和传感器等连接到现 场设备 ， I ／ 0模块按主／ 从模块向现场设备提供输出 数据并向主站或上位机馈送数据。将接近开关、 操 作按钮、 编码器、 电磁阀、 泵站电机等现场设备分组 连接至开卷操作台、 主操作台、 左右操作箱、 电磁阀 柜、 润滑泵站柜等分布式 I ／ O中， 完成现场设备控制 及设备间联锁控制。 3 现场总线数显表 8个 ， 用来显示系统需要 的 左右卷卷径、 速度、 张力、 电流等参数。 4 E v i e w触摸屏 2个， 分别用在左右操作箱来 设置或显示操作员需要的辊缝、 厚度、 张力、 速度、 电 流、 卷径等参数并操作机前与机后的分段冷却。 系统硬件组态首先启动 S T E P 7 ， 按照向导生成 一 个项 目， 并在该项 目下点击右键插入 S I M A T I C 3 0 0 s t a t i o n 。双 击 Ha r d w a r e选 项 进 入 H w c o n fi g窗 口， 在 C a t a l o g中按照硬件实际安装秩序和订货号插 入机架、 电源、 C P U 、 I ／ O模块等进行硬件主站组态， 在插入 C P U的同时会弹出 P r o fi b u s 组态界面， 新建 P r o fi b u s D P网络并按软件组态的要求进行参数设 置 即可 。 然后是 D P 从站的组态。例如在 C a t a l o g中P r o fi b u s D P S I MO V E R T目录下选择 MI C R O MA S T E R 4 子 目录下的 0 P K W， 6 P Z D P P O 4 ， 并按照软件组 态的要求进行站号地址设置即可， 这样就组态好 了 采用西门子 MM4 4 0全数字交流变频装置 的交流传 动系统 即矫直机传动装置 ， 如图 2中 D P网下的 3 所示。6个采用西 门子 6 R A 7 0系列直流调速装 置的直流传动系统的组态在 C a t a l o g中P r o fi b u s D P S I MO R E G目录下 选择正 确 的过程数 据对象 P P O 5 ， 并按 照软件组 态 的要 求进行 站号地址 设置 即 可 ， 组态后如图 2中的 4 ～ 9 所示。然后是 6个 分布式 I ／ O模块 E T 2 0 0 M的组态 ， 在 C a t a l o g中 P r o fi b u s D P D P I ／ O s l a v e s目录下进行组态 ， 如图 2中 的 1 0 ～ 1 5 所示 。现场总线数码显示表组态如 图 2中 1 6 一 2 0 和 2 3 ～ 2 5 所示 。E v i e w触 摸屏的组态如图 2中 2 1 和 2 2 所示 。 系统硬件组态如图 2所 示。 1 ． 3 系统软件组态 Wi n C C工作站与 S 73 0 0 P L C之间 的数 据通 信硬件连接建立后， 还需要在软件方面进行配置。 该 系 统 采 用 S I M A T I C S 7 3 0 0 的 编 程 工 具 S TEP7l 6 - 7 ] ，完成硬件组态 、 参数设 置、 P L C程 序编 写 、 测试 和调试 ， 在 主站 S 73 0 0 P L C上 ， 要对 D P 进行组态 ， 通过 S T E P - ／ 软件包结合 P r o fi D r i v e的定 义程序来进行站号设定 ， 主站 P L C设为 2 ， 设定 P r o fi b u s D P主站通信速率 为 1 8 7 ． 5 k b i t ／ s 。组 态的 关键是正确地选择 P r o fi b u s D P的方式 ， 即 P P O的 类型。在从站上， 同样要正确地组态通信参数。从 站站号依次设为 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9 ， 1 0等。从站为分 布式 I ／ O模块 E T 2 0 0 M时， 不需要单独编程， 只需将 模块的 B U S开关设置成与站号地址一致即可 。 1 ． 4 Wi n C C监控系统 上位机软件采用 S I M A T I C Wi n C C组态软件 ， 该软件是一个基于多任务 、 多平 台、 实 时 好、 开放 性好的集成软件包， 具有良好的开放性和灵活性， 组 态简便、 高效， 内置所有 S C A D A功能。提供了适用 于工业 的图形 显示 、 消息、 归档 以及报 表的功能模 板， 也提供了实时过程监控、 报警和报警管理、 历史 趋势查询、 多级安全管理、 方便的系统扩展、 网络等 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与自动化装置 9 9 大电压、 大电流下运行， 使本身的温度也迅速升高， 导致损坏。 根据现场情况及上述分析 ， 电压互感器损坏的 原因应该为铁磁谐振所致。 4 铁磁谐振的发生 1 对于铁磁谐振 电路 ， 在相同的电源电势作用 下 回路可能不只一种稳定的工作状态。电路到底稳 定在哪种工作状态要看外界冲击引起的过渡过程的 情况。 2 电压互感器 非线性铁磁特性是产生铁 磁谐 振的根本原因， 但铁磁元件的饱和效应本身也限制 了过电压的幅值 。此外回路损耗也使谐振过电压受 到阻尼限制。当回路电阻大于一定数值时就不会出 现强烈的铁磁谐振过 电压 。 3 对于串联谐振 电路来说 ， 铁磁谐振可在很大 的范围内发生。 4 铁磁谐振对 电压互感器 的正 常运行 带来危 害。铁磁谐振的发生应有如下 3 个条件 ①铁磁式电压互感器非线性效应是产生铁磁谐 振的主要原 因； ② 电压互感器感抗为容抗 的 1 0 0倍 以内， 即参 数匹配在谐振范围； ③要有激发条件， 如电压互感器突然合闸， 外界 对系统的干扰或系统操作过电压等。 5 铁磁谐振常用的消除办法 根据上述对配 电系统铁磁谐振特性的分析 ， 就 不难找到解决的办法 ， 通常的解决办法有 1 在电压互感器一次侧中性点加装阻尼电阻。 该阻尼电阻内部为大容量非线性碳化硅电阻片及散 热片并组装于瓷套 内， 其特性是在低压下使消谐器 呈高电阻使谐振在初始阶段不易发生。当出现过电 压时， 它的非线性电阻下降， 使其不影响接地保护器 正常工作。 2 在电压互感器开 口三角形侧并联 消谐器 ， 该 消谐器主要用于电力系统铁磁谐振的抑制 ， 当发生 谐振时， 装置的鉴频系统 自动投入 ， 消谐电阻吸收谐 振能量 ， 消除铁磁谐振 。 3 在电压互感开 口三角形侧并联灯泡 、 电阻丝 或直流电容器 ， 这些方法在 国内应用不多。 6 结束语 在 山东 日照钢铁公 司 T R T机组发生 电压互 感 器爆裂故障后 ， 采用上述第 2种方法 ， 即在电压互感 器开 口三角形侧并联消谐器 ， 起到 了很好的消谐作 用 ， 有效地保护了 T R T机组及用户局域 电网的安全 运行 ， 提高了发电量 ， 也提高了经济效益。 上接第 7 4页 2 结论 经过软 、 硬件的组态后 ， 就形成 了整个粗轧机系 统的 P r o fi b u s D P通信网络 ， 通过主站对从站 的通 信控制实现了轧制过程的自 动控制。系统使用西门 子通信模块 C P 3 4 3 ， 通信距离有限制， 如果 P L C柜到 主操作台的电缆沟距 离较 长， 会存在与工控机通信 不上 的问题。另外现场安装过程 中， 要 注意现场各 类干扰源以及接地系统对总线通信的影响。该粗轧 机系统将总线技术与西 门子 P L C相结合控 制现场 设备， 组成了实时、 可靠的全集成 自动化控制系统， 满足各种工艺需求 ， 对于生产工业 自动化发展具有 积极意义。实践表明， 该系统具有简单实用 、 运行稳 定可靠且操作维护方便等优点， 为企业取得了良好 的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 雷霖． 现场总线控制网络技术[ M] ． 北京 电子工业出 版社 ， 2 0 0 4 ． 2 ] S I E M E N S I n c ． P r o fi b u s S p e c i f c a t i o n E N 5 0 1 7 0 V o l u m2 [ z ] ． G e r a m y S I E ME N S I n c ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] Mi k e S p e a r ． F r o m F i e l d b u s t o E t h e me t [ J ] ． P r o c e s s E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 8 5 5 3 1 3 2 ． [ 4]H E F a n g ，T O N G We i m i n g ． E s t i ma t i o n t o t h e T i m e P a r a me t e r s o f P r o f b u s N e t w o r k S y s t e m『 J ] ． I E E E C o n f e r - 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