Profibus-dp在聚酯薄膜生產(chǎn)線中的應(yīng)用

李海華

(儀化東麗聚酯薄膜有限公司，江蘇儀征 211900)

1 Profibus-dp現(xiàn)場總線簡介

1.1 Profibus-dp 概述

Profibus-dp是一種高速低成本、用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。它與Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)共同組成了Profibus標(biāo)準(zhǔn)。Profibus的DP即Decentralized Periphery是分布式外部設(shè)備的縮寫，它是Profibus中應(yīng)用最廣泛的一種通信方式。

1.2 Profibus-dp 通訊模型

Profibus參考模型是根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的第一層、第二層和應(yīng)用層建立的，由于工業(yè)上的特殊需要省略了3～6層，其中，Profibus-dp使用了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應(yīng)用層)。這種精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送，特別適合可編程控制器與現(xiàn)場分散的I/O設(shè)備之間的通訊。

Profibus-dp物理層與ISO/OSI參考模型的第1層相同，物理層的主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理鏈接，采用RS-485協(xié)議，半雙工方式。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)。

2 BOPET薄膜生產(chǎn)工藝簡介

雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二醇脂(BOPET)是目前發(fā)展最快的塑料薄膜之一，其生產(chǎn)原理是將聚酯切片與添加劑按照一定比例混合在一定溫度下，通過螺桿擠出機(jī)(EXT)擠出，熔融狀的熔體經(jīng)過計量泵(PUMP)精確計量，由T型膜頭擠出，經(jīng)過急冷輥快速冷卻鑄成窄而厚的厚片，再經(jīng)過縱向拉升(MDO)和橫向拉升(TDO)最終收卷成膜。BOPET薄膜生產(chǎn)線［1］如圖1所示。

圖1 BOPET薄膜生產(chǎn)線示意

3 薄膜生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)配置

3.1 網(wǎng)絡(luò)配置說明

筆者所在廠的薄膜1#號生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示。3臺上位機(jī)與 PLC、PLC與 PLC之間通PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊，Profinet完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線術(shù)。但是由于目前國內(nèi)現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，Profinet完全進(jìn)入現(xiàn)場級還有一定的障礙，它還不能完全替代現(xiàn)場總線，因此，兩者結(jié)合較為經(jīng)濟(jì)實用。該廠1#線正是采用Profinet和Profibus相結(jié)合的結(jié)構(gòu)布局，實踐應(yīng)用證明，這種設(shè)計實現(xiàn)了二者的無縫集成。筆者主要研究Profibus-dp的通訊應(yīng)用，所以對PROFINET不展開討論。4臺S7300系列PLC分別通過4條Profibusdp單主現(xiàn)場總線與其下掛的從站通訊，其從站包括ET200M、變頻器等。同時DP從站也可以是支持Profibus協(xié)議的非西門子的產(chǎn)品，但在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時要將設(shè)備的GSD文件安裝到STEP7硬件庫中。

圖2中Profibus總線1和2主要用于連接現(xiàn)場就近安裝的遠(yuǎn)程I/O模塊ET200M，用于現(xiàn)場一些開關(guān)量和模擬量點(diǎn)的采集與控制;Profibus總線3用于圖1中收卷設(shè)備的A、B收卷軸、壓輥、導(dǎo)向輥等驅(qū)動變頻器DP從站連接;Profibus總線4共連接16個DP從站用于控制圖1中主生產(chǎn)線從螺桿擠出機(jī)到PRS所有變頻器及遠(yuǎn)程I/O模塊ET200M。下面以Profibus現(xiàn)場總線4為例重點(diǎn)介紹其與從站的組態(tài)及通信設(shè)置。

圖2 生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 Profibus-dp主、從站配置及編程

在Profibus(4)現(xiàn)場總線(見圖3)中，遠(yuǎn)程I/O模塊ET200M主要用于采集現(xiàn)場開關(guān)量和模擬量輸入輸出數(shù)據(jù)，最大的一臺螺桿擠出機(jī)電機(jī)采用了西門子6RA70全數(shù)字型直流調(diào)速裝置，冷鼓、縱拉、橫拉、牽引驅(qū)動電機(jī)都采用西門子6SE70矢量控制交流變頻器。共配置16個DP從站。下面分別介紹DP主站與變頻器和遠(yuǎn)程I/O通訊配置。

3.2.1 DP主站與變頻器通訊配置

3.2.1.1 數(shù)據(jù)通信格式

DP主站和從站間通訊的數(shù)據(jù)可分為2個部分:

a)過程數(shù)據(jù)(PZD)

過程數(shù)據(jù)主要包括命令字、傳動狀態(tài)，給定速度和實際速度等。這類數(shù)據(jù)在變頻器的任何刷新周期內(nèi)被連續(xù)刷新。

b)現(xiàn)場數(shù)據(jù)(PKW)

這類數(shù)據(jù)是保存在傳動EEPROM中的參數(shù)。寫這類數(shù)據(jù)時，變頻器先進(jìn)行兼容性檢測，確認(rèn)正確后，數(shù)據(jù)被寫入。讀這類數(shù)據(jù)時，傳動將返回一個相關(guān)數(shù)據(jù)。

此外，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)由報文頭和報文尾組成。Profibus-dp的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如表1所示:

表1 Profibus-dp數(shù)據(jù)傳輸機(jī)構(gòu)

PKW由參數(shù)號PKE、參數(shù)地址IND和參數(shù)值PWE 3個字段組成，過程數(shù)據(jù)PZD由控制字、狀態(tài)字、給定值、反饋值等字段組成［2］。

3.2.1.2 協(xié)議說明

在Profibus標(biāo)準(zhǔn)中，可以在主站和從站間交換的數(shù)據(jù)總稱為PPO(Parameter-Process data Object)［2］。為了優(yōu)化Profibus總線的通信周期時間，從而與不同從站的任務(wù)相匹配，用戶可以選擇不同的協(xié)議，每個協(xié)議所允許交換的數(shù)據(jù)的數(shù)目是不同的。具體地說，有5種類型的PPO可供選擇，如表2所示:

表2 5種類型的PPO

同時應(yīng)注意，每種類型的PPO又包括1個Master輸入PPO和一個Master輸出PPO。

3.2.1.3 GSD 文件的導(dǎo)入

在進(jìn)行硬件組態(tài)之前，必須將變頻器的GSD文件導(dǎo)入Step-7的硬件組態(tài)工具中。GSD文件又叫電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件，是可讀的ASCII碼文本文件，包括通用的和設(shè)備有關(guān)的通信技術(shù)規(guī)范。為了將不同廠家生產(chǎn)的Profibus產(chǎn)品集成在一起使用，設(shè)備的生產(chǎn)廠家必須以GSD文件的方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)，如I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、傳輸速率、時間監(jiān)視等。

GSD文件可分為3個部分:

a)總規(guī)范:包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時間間隔、總線插頭指定信號。

b)與DP有關(guān)的規(guī)范:包括適用于主站的各項參數(shù)，如允許從站個數(shù)、上裝/下裝能力。

c)與DP從站有關(guān)的規(guī)范:包括了與從站有關(guān)的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。

在Step-7中導(dǎo)入 GSD文件的方法是:在 SIMATIC管理器中打開硬件組態(tài)工具HW Config中執(zhí)行菜單命令“OPTION→INSTALL NEW GSD”，在出現(xiàn)的對話框中打開要安裝的GSD文件所在的文件夾，即可以安裝GSD文件。安裝完成后，在“Hardware Catalog”窗口的Profibus-dpAdditional Field Devices文件夾，可以找到剛才安裝的GSD文件對應(yīng)的DP從站，并可將其用于硬件組態(tài)。

3.2.1.4 硬件組態(tài)

導(dǎo)入設(shè)備的GSD文件后，就可以在SIMATIC Manager環(huán)境下進(jìn)行硬件組態(tài)。硬件組態(tài)時應(yīng)把PLC設(shè)置為Master。具體的設(shè)置方法是:在Step-7 hardware中進(jìn)行基本的PLC的硬件設(shè)置，如機(jī)架、CPU、電源、輸入輸出點(diǎn)等。然后右鍵單擊DP所在的位置，在出現(xiàn)的菜單中選擇Add Master System，會出現(xiàn)Profibus-dp設(shè)置的對話框，可以設(shè)置站地址、信的波特率等參數(shù)。

配置完成后，在CPU的DP口會出現(xiàn)一根軌道，這就是DP總線?？梢栽谏厦鎾焖枰膹恼?。在DP口雙擊，在出現(xiàn)的 Operating Mode選項中 DP Master前打勾，即可把CPU設(shè)為主站。

在HW Config右側(cè)窗口Profibus DPAdditional Field DevicesGeneralProfibus per azionamenti路徑下找到SPDM的GSD文件并添加為DP從站。在這里根據(jù)自身的控制要求選擇PPO4(0PKW，6PZD)。硬件組態(tài)圖如圖3所示:

圖3 硬件組態(tài)示意

3.2.1.5 通信程序設(shè)計

裝置調(diào)整完后，最后通過通信程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器的數(shù)據(jù)交換，周期性讀取驅(qū)動器的狀態(tài)值和速度值，以及將控制字和給定值寫入到驅(qū)動器中。

下面以圖3中地址為4的從站——螺桿擠出機(jī)的直流驅(qū)動器舉例說明通信程序的編寫方法［3］。編寫程序前，先在Step-7開發(fā)環(huán)境中新建一個通信數(shù)據(jù)DB塊，DB塊的長度應(yīng)大于或等于所選通信協(xié)議占用的字節(jié)長度，以便與通信數(shù)據(jù)對應(yīng)。DB塊中的數(shù)據(jù)也應(yīng)按照通信協(xié)議的規(guī)定注明每一位的含義。建立好的數(shù)據(jù)通訊塊見表3所示。

表3 DB6數(shù)據(jù)通訊塊

PROFIBUS總線4上的螺桿擠出機(jī)直流驅(qū)動器的邏輯I/O地址分別為I Address:288-299;Q Address:256-267。分別定義 DB6.DBW0和 DB6.DBW14塊對應(yīng)Q的首地址256(W#16#100)和I的首地址288(W#16#120)。利用組織塊OB1調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14(DPRD_DAT)用于讀Profibus從站的數(shù)據(jù)和SFC15(DPWR_DAT)，將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入Profibus-DP從站。表4和表5分別為SFC14(DPRD_DAT)和 SFC15(DPWR_DAT)的參數(shù)說明［3］。

表4 SFC 14“DPRD_DAT”參數(shù)

表5 SFC 15“DPWR_DAT”參數(shù)

最終編寫的程序見圖4(PLC與變頻器通訊程序)所示，通訊建立完成后DB塊中的數(shù)據(jù)直接可以出現(xiàn)在Step-7的程序中。

3.2.2 Profibus-dp 與 ET200M 配置

因為薄膜生產(chǎn)線縱向深而且控制點(diǎn)較分散，所以ET200M高密度配置的模塊化、分布式I/O站非常適合現(xiàn)場使用，同時ET200M的I/O模塊從DI/DO到AI/AO，有DC24V、AC220V的輸入輸出，各種模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(4～20 Ma)電偶、電阻信號模塊全系列，兼容性、互換性強(qiáng)。

該廠薄膜一號線4臺 DP主站共配置4臺ET200M從站(見圖2)，通過IM153-1接口模塊與Profibus-dp現(xiàn)場總線連接，其中Profibus-dp現(xiàn)場總線1的DP從站ET200M主要用于現(xiàn)場擠出機(jī)機(jī)筒、熔體管線和膜頭部分的熱電偶、熱電阻、熔體壓力等模擬量信號的采集及相關(guān)模擬量和開關(guān)量控制信號的輸出;Profibus-dp現(xiàn)場總線2的DP從站ET200M主要用于現(xiàn)場冷鼓、MDO縱拉、TDO橫拉部分的熱電阻、熱媒調(diào)節(jié)閥等模擬量信號采集及相關(guān)模擬量和開關(guān)量控制信號輸出;Profibus-dp現(xiàn)場總線4的DP從站ET200M主要用于現(xiàn)場從擠出機(jī)至牽引機(jī)主驅(qū)動器開關(guān)量控制信號的采集及輸出，見圖5所示。

主站與ET200M從站配置較簡單，其步驟如下:

a)新建一項目，輸入項目名稱。在此項目之下插入一S7 300的站，雙擊HARDWARE，進(jìn)入“HW Config”窗口。依次插入UR、PS、CPU等模塊。在放入CPU模塊的同時，按要求新建一Profibus網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)為CPU300定義網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)為2;Profibus網(wǎng)絡(luò)的屬性設(shè)置在“Network setting”選項卡中設(shè)置;

b)在組態(tài)好的DP系統(tǒng)中掛上ET200M從站，同時會彈出“屬性-Profibus”對話框，在“常規(guī)”標(biāo)簽中“節(jié)點(diǎn)/主站系統(tǒng)”中的Profibus項，出現(xiàn)“屬性-Profibus接口”對話框，在其“參數(shù)”標(biāo)簽中設(shè)定ET200M的地址(注意設(shè)定地址須和ET200M硬件上撥碼數(shù)字相同，且不能和其它站沖突);

圖4 PLC與變頻器通訊程序

圖5 Profibus-dp現(xiàn)場總線4的從站ET200M

c)組態(tài)ET200M的硬件I/O。這時可以根據(jù)需要從IM153-1欄下進(jìn)行硬件組態(tài)，如:AI是模擬量輸入，DI/DO是開關(guān)量輸入輸出等并設(shè)定I/O點(diǎn)的地址，編程時訪問這些點(diǎn)時直接用I區(qū)和Q區(qū)，實際使用時ET200M所帶的I/O模塊就好像集成在CPU主機(jī)架上一樣，編程非常簡單。

4 結(jié)語

雖然現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)大有普及之勢，但是由于目前國內(nèi)現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)完全進(jìn)入現(xiàn)場級還有一定的障礙，它還不能完全替代現(xiàn)場總線。由于Profibus-DP現(xiàn)場總線的開放性、實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，可靠性高，專用于自動化控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進(jìn)行通信使用，所以其在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛。

［1］周志敏，紀(jì)愛華.Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］吳作明，杜明星.STEP7軟件應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2009.