PROFIBUS 網絡在連鑄機鑄流控制系統的應用

韓軍亮

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

PROFIBUS 是Process Field Bus 的簡稱，是按ISO/OSI 參考模型制訂的現場總線標準。PROFIBUS（PROCESS FIeld BUS）網絡通信的本質是RS485 串口通信，按照不同的行業應用，主要有三種通信行規：DP（Decentralized Peripherals），FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）行規。其中DP 通信的方式在OSI 參考模型中主要使用第1、2、7 層，因此PROFIBUS-DP 網絡的通信速度較快，且報文簡單，被廣泛應用于工業現場總線控制。

1 京唐連鑄機鑄流系統網絡現狀分析

首鋼京唐煉鋼部4 臺板坯連鑄機鑄流控制系統采用西門子S7-400 系列PLC 控制，該系統的主站與從站之間通過PROFIBUS-DP 實現遠程通信。坯連連鑄機鑄流系統主要控制連鑄機引錠桿車系統、卷揚系統、調寬系統、扇形段輥道等設備，該系統采用西門子S7-400 系列PLC 控制，主要有PLC01 主柜、LCS03、LCS04、LCS09、REM11、LCS51、MCD32 等遠程I/O 控制柜。該系統的主站與從站之間通過PROFIBUS-DP 實現遠程通信，鑄流系統原有網絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 鑄流系統原有網絡拓撲圖

投產運行5 年后板坯連鑄機鑄流控制系統多次發生DP 網閃斷故障造成鑄機斷澆影響生產，給企業帶來巨大經濟損失。針對連鑄機1 鑄流加持輥網絡的閃斷等故障現象，用DP 網絡監測工具PROFITRACE 進行現場測試，測試結果45 號從站電源波形如圖2 所示，31—45 號從站電源棒圖如圖3 所示。

圖2 45 號從站電源波形圖

圖3 31—45 號從站電源棒圖

通過檢測工具提供的詳實全面的數據，可以確認：第一，該網絡31—45 號從站工作電壓過低，存在安全隱患（正常應為5 V）；第二，從波形圖來看，越往后振蕩趨勢越明顯，該網絡存在電磁干擾，網絡信號衰減嚴重且故障點具有隱蔽性，不易查找。

根據西門子《PROFIBUS-DP 網絡設計使用規范》對連鑄機的鑄流系統DP 網絡進行一次徹底排查，認為鑄流系統的網絡主要存在以下6 項問題：

（1）PLC 主柜到REM11、LCS09、MCD32 及切割輥道變頻器的DP 線纜太長，120 m 左右，長度超過100 m，信號傳輸過程中出現干擾和信號衰減。投產初期新的DP 電纜未暴露問題，但隨著電纜使用時間越長老化越嚴重，信號傳輸質量變差越容易出故障。

（2）夾持輥及切割輥道變頻器在信號傳輸過程中經常出現干擾。主要是變頻器在運轉過程中會對網絡產生電磁干擾信號。

（3）變頻柜內DP 從站之間、REM11 柜內DP 從站之間DP 線長度小于1 m，違反了1 m 線規則，即若網絡通信波特率大于1.5 MBps 時，PROFIBUS-DP 網段上各設備（主站、從站、中繼器、有源終端電阻、光電耦合器等）之間通信長度不得小于1 m。

（4）LCS03 與LCS09 之間的DP 線纜違反了布線規則，即信號線與電源線之間布線間距應大于10 cm，實際情況不符合要求。

（5）變頻柜內38 個DP 從站之間違反了設備數量規則，PROFIBUS-DP 每一總線段上允許接入設備數量最大為32 個。

（6）PLC01 柜內A300 處、LCS51 觸摸屏處以及REM11 柜內A400 處違反終了端電阻規則。即PROFIBUS-DP 網絡總線段兩端需要設置有源終端電阻，終端電阻供電可由設備自身提供，但是要求此設備不能斷電，為方便設備斷電維護或移除可添加專用有源終端器。

通過統計排查，每臺鑄機的鑄流系統存在6 種，共計96 項隱患。這些隱患使鑄流系統的DP 網絡存在不穩定性，嚴重威脅鑄機穩定生產。

2 鑄流系統DP 網絡改造方案

針對鑄流系統存在的問題，并根據該問題的緊迫性，改造的可行性，并兼顧經濟效益，確定網絡優化方案如下：

（1）傳輸距離超過100 m 的DP 線纜更換為光纖。改造主要涉及主柜到REM11，LCS09，MCD32，切割輥道變頻器，夾持輥變頻器共六根，光纖通信具有抗干擾和減少信號衰減。

（2）夾持輥變頻器之間的通信介質由DP 線纜改為光纖跳線，提高抗電磁干擾性。將變頻器之間的DP 線套上金屬軟管，增強抗EMI（電磁干擾，Electromagnetic Interference)能力。

（3）改變原來的網絡結構，將變頻器DP 線用中繼器分段，長度超過50 m 的主站到從站之間或者從站之間加裝中繼器（Repeater）進行信號放大，中繼器電源用UPS 供電，減少網絡閃斷影響面積，增強抗干擾能力。

（4）對不符合1 m 線規則及設備數量規則的DP 網絡隱患，利用檢修時間用現有設備及材料將現有的DP 線換下，換上新的符合規則的DP 線纜。

（5）整改不符合終端電阻規則及布線間距規則的網段。

另外，對安裝到設備上的所有DP 接頭進行重新檢查，按照西門子標準制作，屏蔽層一定要剝開并與DP 頭的屏蔽殼接觸，測量DP 頭阻值，對性能下降不符合要求的進行更換。

4 結束語

充分利用檢修時間和生產間隙，歷時5 個月時間完成4 臺鑄機鑄流系統的網絡優化改造工作，解決原來工程階段網絡安裝中存在的不規范問題，加強總線系統的整體抗干擾性能。同時網段上的劃分使得網絡結構更加清晰簡潔，有利于故障點的判斷，降低網絡故障影響范圍。另外，通過工程改造鍛煉，現場維護工程師積累經驗，提高運行維護能力，縮短排故時間，也總結出一套對于現場運維非常具有指導意義的DP 網管理辦法。網絡優化后運行至今大大減少因網絡閃斷故障造成的鑄機停機事故，保障煉鋼工序生產穩定運行，給企業帶來巨大經濟效益。