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[摘 要]在对现场总线技术做一般性介绍的基础上，着重介绍和分析了板坯连铸机电控系统中基于Profibus现场总线技术的通讯原理及整个系统的构成，说明了PLCS7-400主站和从站之间的硬件和软件组态方案。
[关键词]现场总线；Profibus；控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）27-0617-01
1 前言
炼钢部板坯连铸机生产工艺是把钢水通过中间包、结晶器、二冷室、扇形段等设备冷却凝固成铸坯，为了完成从钢水到板坯的自动控制功能，整个自动控制系统按照分散控制系统组成，这是一个二级分布式计算机控制系统，分为过程控制级和基础自动化级。基础自动化级配备六台PLC，分别为公用PLC、铸流PLC、辊道PLC、软压下PLC、二冷水PLC、结晶器振动PLC，控制系统采用西门子S7-400系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过DP链接器将总线仪控设备接入工业控制网络。过程控制级由二级计算机构成，通过工业以太网与基础自动化级的PLC相连。
2 Profibus总线技术
2.1 Profibus总线技术概述
Profibus是Process Field bus 的缩写，是一种国标性的开放式现场总线标准，首先成为德国标准DIN19254，接着成为欧洲标准EN50170，最后成为国际电工委员会（IEC）的现场总线标准IEC61158。Profibus的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础，只是对第3层到第6层进行简化，因此它的标准适应性强。Profibus是西门子SIMATIC S7系统内部的集成部分，SIMATIC S7提供集成的Profibus-DP接口用于连接有更复杂功能的现场设备。由于Profibus 第1层、第2层的特性和一贯执行的内部系统通信（S7功能），可以将编程装置（PG），PC（个人计算机），HMI（人机接口）等设备与SIMATIC S7 Profibus-DP系统连接。
2.2 Profibus-DP总线设备类型和数据通信
Profibus-DP协议是为自动化制造工厂中分散I/O和现场设备所需要的高速数据通信而设计。DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，也就是说，只有当主站请求时总线上的DP从站才能活动。DP从站被DP主站按轮询表依次访问，DP主站与DP从站间的用户数据可以连续地交换而不需要考虑用户数据的内容。DP主站之间的通信采用令牌通信方式，其存取控制采用令牌法，能满足实时性的要求。
按Profibus-DP协议，通信作业的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应方。所有1类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服务级别处理，与此相反，有DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权”报文服务级别。DP从站可将当前正出现的诊断中断或状态事件通知给DP主站，仅在此刻，可通过将Data Exchange的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。数据的传输是非连接的1对1或1对多连接（仅控制命令和交叉通信）。本项目的PLC主站与其他主站之间采用1对多连接方式传送数据。
3 现场总线（Profibus）系统的建立
3.1 现场总线（Profibus）系统组成
在此次应用中，现场总线（Profibus）系统由6台S7-400 PLC主站、72个从站组成，主站之间的连接导线采用屏蔽双绞电缆，数据传输符合RS485标准。现场总线的传输介质采用同轴电缆，最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成。在数据线A和B的两端均加接总现终端器。Profibus的总线终端器包含一个下拉电阻（与数据基准电位DGND相连接）和一个上拉电阻（与供电电压VP相连接），几乎在所有标准的Profibus总线上都有组合了所需要的总线终端器，而且可以由跳线开关来启动。
3.2 硬件组态
本项目的现场总线（Profibus）系统由西门子的STEP7软件进行硬件组态。6台S7-400 PLC作为主站Master，72个站作为从站Slave。公用PLC，站号为1，带了11台从站；铸流PLC，站号为2，带了34台从站；辊道PLC，站号为3，带了14台从站；软压下PLC，站号为4，带了7台从站；振动PLC，站号位5，没有带从站；二冷水PLC，站号为6，带了6台从站。
3.2.1 组态主站系统
（1）新建项目：在STEP7软件中创建一个新项目，从弹出的菜单中选择“INSERT NEW OBJECT”→“SIMATIC 400 STATION”，插入S7-400站。
（2）组态硬件：双击“HARDWARE”选项，进入“HW CONFIG”窗口，依次插入机架、电源、CPU等。
（3）设置该站参数：用鼠标点击“项目”对象，打开快捷菜单选择“INSERT NEW OBJECT” →“PROFIBUS”将会生成网络对象PROFIBUS（1），在自动打开的网络组态工具NETPRO中，有红色的MPI网络线，紫色的PROFIBUS网络线和CPU416-2DP的图标，双击PROFIBUS网络线，在出现的对话框中打开“NETWORK SETTINGS”选项卡点击“OK”按钮确认系统的默认参数。双击机架中“DP”所在的行，在打开的对话框的“OPERATIONG MODE”选项卡中，选择该站为DP主站，点击“GENERAL”选项卡中的“PROPERTIES”按钮，在“PROPERTIES”选项卡中设置站地址，点击“OK”按钮确认，主站系统组态完成。
3.2.2 组态从站系统
把西门子变频器Master Drive作为从站进行组态。选择“VECTOR CONTROL CUVC”，连接到DP网络上，定义PROFIBUS站地址，然后组态Master Drive的通信区，通信区与应用有关，因需读写Master Drive参数，则需要PKW数据区，PKW数据区在本项目中为PIW512-527，PQW512-527。 接着选择“NO DEFAULT”模式，选择PZD数据的连续性为“ENTIRE LENGTH”，不可改变。
4 生产应用情况
板坯连铸机基于Profibus现场总线技术的电控系统已于2008年投入运行，至今系统运行稳定、可控。全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，实现了参数远程设定、采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善了管理状况。
5 结论
使用现场总线控制的PLC除了具有PLC的抗干扰能力强、编程易学易用等优点外，还具有数据传输可靠地现场总线优势。运用了Profibus现场总线的控制方式，简化了系统数据通信的实现方式，提高了系统通信的可靠性和准确性。在国内钢铁工业向高精度、连续化、自动化快速发展过程中，正在取代常规的模拟控制。
参考文献
[1] 廖常初.大中型PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2004年.
[2] 王卫兵.PLC系统通信扩展与网络互连技术.北京：机械工业出版社， 2005年.
[关键词]现场总线；Profibus；控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）27-0617-01
1 前言
炼钢部板坯连铸机生产工艺是把钢水通过中间包、结晶器、二冷室、扇形段等设备冷却凝固成铸坯，为了完成从钢水到板坯的自动控制功能，整个自动控制系统按照分散控制系统组成，这是一个二级分布式计算机控制系统，分为过程控制级和基础自动化级。基础自动化级配备六台PLC，分别为公用PLC、铸流PLC、辊道PLC、软压下PLC、二冷水PLC、结晶器振动PLC，控制系统采用西门子S7-400系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过DP链接器将总线仪控设备接入工业控制网络。过程控制级由二级计算机构成，通过工业以太网与基础自动化级的PLC相连。
2 Profibus总线技术
2.1 Profibus总线技术概述
Profibus是Process Field bus 的缩写，是一种国标性的开放式现场总线标准，首先成为德国标准DIN19254，接着成为欧洲标准EN50170，最后成为国际电工委员会（IEC）的现场总线标准IEC61158。Profibus的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础，只是对第3层到第6层进行简化，因此它的标准适应性强。Profibus是西门子SIMATIC S7系统内部的集成部分，SIMATIC S7提供集成的Profibus-DP接口用于连接有更复杂功能的现场设备。由于Profibus 第1层、第2层的特性和一贯执行的内部系统通信（S7功能），可以将编程装置（PG），PC（个人计算机），HMI（人机接口）等设备与SIMATIC S7 Profibus-DP系统连接。
2.2 Profibus-DP总线设备类型和数据通信
Profibus-DP协议是为自动化制造工厂中分散I/O和现场设备所需要的高速数据通信而设计。DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，也就是说，只有当主站请求时总线上的DP从站才能活动。DP从站被DP主站按轮询表依次访问，DP主站与DP从站间的用户数据可以连续地交换而不需要考虑用户数据的内容。DP主站之间的通信采用令牌通信方式，其存取控制采用令牌法，能满足实时性的要求。
按Profibus-DP协议，通信作业的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应方。所有1类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服务级别处理，与此相反，有DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权”报文服务级别。DP从站可将当前正出现的诊断中断或状态事件通知给DP主站，仅在此刻，可通过将Data Exchange的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。数据的传输是非连接的1对1或1对多连接（仅控制命令和交叉通信）。本项目的PLC主站与其他主站之间采用1对多连接方式传送数据。
3 现场总线（Profibus）系统的建立
3.1 现场总线（Profibus）系统组成
在此次应用中，现场总线（Profibus）系统由6台S7-400 PLC主站、72个从站组成，主站之间的连接导线采用屏蔽双绞电缆，数据传输符合RS485标准。现场总线的传输介质采用同轴电缆，最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成。在数据线A和B的两端均加接总现终端器。Profibus的总线终端器包含一个下拉电阻（与数据基准电位DGND相连接）和一个上拉电阻（与供电电压VP相连接），几乎在所有标准的Profibus总线上都有组合了所需要的总线终端器，而且可以由跳线开关来启动。
3.2 硬件组态
本项目的现场总线（Profibus）系统由西门子的STEP7软件进行硬件组态。6台S7-400 PLC作为主站Master，72个站作为从站Slave。公用PLC，站号为1，带了11台从站；铸流PLC，站号为2，带了34台从站；辊道PLC，站号为3，带了14台从站；软压下PLC，站号为4，带了7台从站；振动PLC，站号位5，没有带从站；二冷水PLC，站号为6，带了6台从站。
3.2.1 组态主站系统
（1）新建项目：在STEP7软件中创建一个新项目，从弹出的菜单中选择“INSERT NEW OBJECT”→“SIMATIC 400 STATION”，插入S7-400站。
（2）组态硬件：双击“HARDWARE”选项，进入“HW CONFIG”窗口，依次插入机架、电源、CPU等。
（3）设置该站参数：用鼠标点击“项目”对象，打开快捷菜单选择“INSERT NEW OBJECT” →“PROFIBUS”将会生成网络对象PROFIBUS（1），在自动打开的网络组态工具NETPRO中，有红色的MPI网络线，紫色的PROFIBUS网络线和CPU416-2DP的图标，双击PROFIBUS网络线，在出现的对话框中打开“NETWORK SETTINGS”选项卡点击“OK”按钮确认系统的默认参数。双击机架中“DP”所在的行，在打开的对话框的“OPERATIONG MODE”选项卡中，选择该站为DP主站，点击“GENERAL”选项卡中的“PROPERTIES”按钮，在“PROPERTIES”选项卡中设置站地址，点击“OK”按钮确认，主站系统组态完成。
3.2.2 组态从站系统
把西门子变频器Master Drive作为从站进行组态。选择“VECTOR CONTROL CUVC”，连接到DP网络上，定义PROFIBUS站地址，然后组态Master Drive的通信区，通信区与应用有关，因需读写Master Drive参数，则需要PKW数据区，PKW数据区在本项目中为PIW512-527，PQW512-527。 接着选择“NO DEFAULT”模式，选择PZD数据的连续性为“ENTIRE LENGTH”，不可改变。
4 生产应用情况
板坯连铸机基于Profibus现场总线技术的电控系统已于2008年投入运行，至今系统运行稳定、可控。全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，实现了参数远程设定、采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善了管理状况。
5 结论
使用现场总线控制的PLC除了具有PLC的抗干扰能力强、编程易学易用等优点外，还具有数据传输可靠地现场总线优势。运用了Profibus现场总线的控制方式，简化了系统数据通信的实现方式，提高了系统通信的可靠性和准确性。在国内钢铁工业向高精度、连续化、自动化快速发展过程中，正在取代常规的模拟控制。
参考文献
[1] 廖常初.大中型PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2004年.
[2] 王卫兵.PLC系统通信扩展与网络互连技术.北京：机械工业出版社， 2005年.