基于PROFIBUS-DP現場總線技術的智能化打包機控制系統

羅庚興

LUO Geng-xing

（廣東松山職業技術學院，韶關 512126）

0 引言

韶關某鋼鐵廠高線分廠的二高線是2008年3月改造成功的一條全新的現代化的高速線材生產線，二高線精整區主要設備有集卷站、打包機、稱重站、卸卷站和PF輸送鏈等。其中打包機由一套S7-300 PLC及遠程I/O站點實現控制，HMI采用西門子MP27710″Key實時監控，網絡采用PROFIBUS-DP光纖實現各站點間的信息通訊。改造后的打包機控制系統結構簡單，減少了系統安裝費用并且易于維護；實時監控打包機的狀態，及時了解和處理打包機故障，同時維修人員對設備進行監控和及時發現設備所存在的隱患，及時采取有效措施，對避免事故的擴大化和設備維護造成很大的麻煩。大大減少了設備的運行和維護成本。

1 系統拓撲結構及配置

打包機是一套非常復雜的機電液一體化的全自動控制的設備。打包機的PLC系統是由一套S7317-2PN/DP和七套ET200S及一套MP277組成，其拓撲結構如圖l所示。根據打包機工藝流程和生產過程對控制、管理的要求確定直接控制層和操作監控層的設備配置。

1.1 直接控制層的設備配置

直接控制層的主要設備是控制站，其應用功能是輸入、輸出、運算和控制。共設計了一個PLC主站，七臺遠程分布式I/O站，合計約273個點。

DP主站是控制中心。本系統DP主站選用CPU 317-2 PN/DP（訂貨號：6ES7317-2EK14-0AB0）。主站DP =2，有一塊4MB的MCC卡、一個MPI/DP口和一個PROFINET口。DP口用于連接到DP耦合器，與其他從站進行通信。NET口通過RJ45雙絞線連接到編程單元PC。

ET-200S是一款按位模塊化、防護等級為IP20，同時支持PROFBUS和PROFINET現場總線的分布式I/O從站。可以連接包括數字量、模擬量、高速計數器、步進、電機啟動器和變頻器在內的所有模塊。

圖1 打包機DP網絡拓撲圖

A101、A201、A202、A203、A204、A205這六個從站，均選用6ES7151-1AB02-0AB0 ET 200S IM 151 光纖接口模板，可擴展63個模塊。A11從站選用6ES7151-7AB00-0AB0 ET 200S IM 151 帶CPU 光纖接口模板，集成24KB工作內存。

A101從站，DP=11，用于主控臺的本地控制和用戶接口。A201從站，DP=21，用于線庫、升降臺、壓板I/O箱的控制。A202從站，DP=22，用于打包單元1&2、便攜面板、公共功能I/O箱的控制。A203從站，DP=23，用于打包單元3&4、便攜面板、公共功能I/O箱的控制。A204從站，DP=24，用于喂線單元1-4、本地控制單元1-4、公共功能I/O箱的控制。A205從站，DP=25，用于壓板、線導架I/O箱的控制。A11從站，DP=8，有一塊64KB的MCC卡，用于液壓站單元PLC的本地控制及與主控臺接口。

1.2 操作監控層的設備配置

操作監控層的主要設備是HMI，其應用功能是操作命令的輸入、運行狀態的輸出和故障信息的監視等等。HMI選用西門子公司的6AV6643-0DD01-1AX1 MP27710″Key多功能面板，該面板操作方便、性能優越，有6MB用戶存儲器，64K色，分辨率640×480，36個功能鍵，可以用作直接按鍵，集成有1×RS422/485、2×USB1.1、1×Ethernet接口。

1.3 通信網絡的設備配置

主站PLC與監控HMI和OBT光纖終端之間采用PROFIBUS-DP銅電纜實現通信，這部分的信號主要在主控室內，受現場的干擾較輕。選用6ES7972-0AA01-0XA0 DP中繼器實現通訊信號的耦合。現場采集的輸入信號和主站發出的控制信號由各從站集散，這部分信號分布在打包機上和液壓站，受現場干擾比較嚴重，因此選用光纖來傳輸信號。OBT光纖轉換器選用西門子公司的6GK1500-3AA00。

2 PROFIBUS-DP通信功能的設計

主從站之間的通信數據交換信號主要有：通信正確信號、急停信號、液壓泵的啟停、運行、封鎖和故障信號，循環泵和加熱器的啟停、運行、封鎖和故障信號，油位、油溫高低檢測信號，油溫值，等等，這些信息均通過PROFIBUSDP網絡傳輸。DP網絡采用屏蔽雙絞銅線或光纖兩種傳輸電纜。在總線的兩端為了防止浪涌，接有終端電阻，實際使用時，應注意將位于中間節點的接頭終端電阻置于OFF位置。

2.1 網絡的組態設計

2.1.1 組態CPU 317主站

在STEP7中創建打包機控制系統的項目“PCMH”，在項目下生成一個S7-300的站。進入HW Con fig界面，在2號槽插入CPU 317-2 PN/DP。考慮打包機控制系統的通訊距離在200m以內，設置PROFIBUS的傳輸速率為1.5Mbps，行規為DP。在電纜選項卡中，設置光纖電纜的OBT數目為1，電纜長度0.1km。在MPI/DP的屬性窗口的“工作模式”選項卡中，選擇該站為DP主站。完成主站系統的組態。

2.1.2 組態ET200S從站

在主站硬件組態界面的硬件目錄下的“PROFIBUS-DPET200S”文件夾，選擇接口模塊6ES7151-7AB00-0AB0 IM153-1 F0 Standard，拖曳圖標“”到PROFIBUS(1):DP總線上，設置該從站的地址為11；標識欄設為A101。選中從站11，從硬件目錄下的“IM153-1 F0”文件夾中，按訂貨號依次插入電源模塊、數字量I/O模塊等，完成從站11的組態。用同樣的方法，完成從站A201到A205的硬件組態。在組態時，STEP 7自動分配DP從站的輸入/輸出地址，就像訪問主站內部的輸入/輸出模塊一樣，DP主站的CPU通過這些地址直接訪問他們。

2.1.3 組態ET200S /CPU智能從站

ET200S IM151-7是智能從站。先在項目下插入一個S7-300的站點，取名“液壓站”。從硬件目錄下的“PROFIBUS-DPET200S”文件夾中，拖曳IM 151-7 CPU F0（訂貨號6ES7151-7AB00-0AB0）到硬件組態界面。然后從4號槽開始依次插入1個電源模塊、9個數字量輸入模塊、1個模擬量輸入模塊和7個數字量輸出模塊。將該站地址設為8，并設置為DP從站。編譯保存組態數據。在主站硬件組態界面，從“PROFIBUS-DPConfigured Station”文件夾中，拖曳圖標“”到PROFIBUS(1):DP總線上。“DP 從站屬性”窗口，“連接”選項卡中，選中IM151/CPU F0，點擊“連接”按鈕，將該站連接到DP網路中。

編譯保存主站的組態數據。組態好的PROFIBUS-DP網絡如圖2所示。

圖2 組態好的PROFIBUS網絡

2.2 主站與智能從站主從通訊方式的組態

DP主站不是直接訪問智能DP從站的輸入/輸出信號，而是訪問CPU的輸入/輸出地址空間的傳輸區，由智能從站的CPU處理該地址區與實際的輸入/輸出之間的數據交換。主站與智能從站之間的數據交換是由PLC的操作系統周期性自動完成的，不需要用戶編程。

主從站之間的通信連接和數據交換區組態如表1所示。路徑：DP從站→“組態”→“新建”→對話框，按表1的內容設置通信模式、輸入輸出地址、交換區長度和單位等參數。

表1 DP主從通信地址的組態

3 HMI監控界面開發

WinCC flexible 是一種前瞻性的面向機器的自動化概念的HMI 軟件，它具有舒適而高效的設計。WinCC flexible 綜合了下列優點：直接的處理方式、透明性和靈活性。

HMI 是人(操作員)與過程(機器/設備)之間的接口，采用西門子MP27710″Key實時監控，主要完成以下任務。

1）設備控制畫面：雖然S7-300能實現在現場總線上的數據采集和控制信號的輸出，且具有一些控制算法，但復雜的控制功能仍然需要在上位機上實現人工控制，在界面中點擊相應設備按鈕即可對設備如變頻器、變流器等進行單獨控制；

2）信息顯示畫面：主要顯示當前運行狀態信息，如電機的速度、變頻器的運行頻率以及一些故障信息；

3）實時報警處理：對系統實時采集的數據進行判斷，發出報警信號，并按技術要求進行處理、自動進行相應設備控制；

4）報表打印及數據曲線顯示等。

圖3 打包機主控畫面

打包機的實時監控畫面共18幅。設備控制畫面有打包機主控畫面（如圖3所示）、4個打包頭控制畫面和液壓站控制畫面等。信息顯示畫面有打包頭狀態畫面、打包頭工作過程畫面、打包頭設置畫面、打包機狀態畫面、打包機工作過程畫面、壓實設置畫面、與PF線通信狀態畫面和PROFIBUS通信信號狀態畫面等。實時報警畫面有打包頭故障顯示畫面、壓實過程故障顯示畫面和液壓站幫助畫面等。

4 結束語

韶關某鋼鐵廠二高線打包機自動控制系統經過改造后，采用了先進的CPU 317-2PN/DP和PROFIBUS-DP網絡結構，系統更加緊湊，PLC運行環境得到了有效改善，維護和故障處理更加方便，使高線廠精整區的完全生產自動化成為現實。自打包機投入使用以來，打包機扭結失敗率小于0.3%，對于最大盤卷整個過程大約32s。打包后的線卷最小長度大約為600mm，大大方便了盤卷的儲藏、運輸，提高了產品的包裝質量和作業率，消除了產品包裝上的質量異議。

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