基于PROFIBUS-DP现场总线技术的智能化打包机控制系统

罗庚兴

LUO Geng-xing

（广东松山职业技术学院，韶关 512126）

0 引言

韶关某钢铁厂高线分厂的二高线是2008年3月改造成功的一条全新的现代化的高速线材生产线，二高线精整区主要设备有集卷站、打包机、称重站、卸卷站和PF输送链等。其中打包机由一套S7-300 PLC及远程I/O站点实现控制，HMI采用西门子MP27710″Key实时监控，网络采用PROFIBUS-DP光纤实现各站点间的信息通讯。改造后的打包机控制系统结构简单，减少了系统安装费用并且易于维护；实时监控打包机的状态，及时了解和处理打包机故障，同时维修人员对设备进行监控和及时发现设备所存在的隐患，及时采取有效措施，对避免事故的扩大化和设备维护造成很大的麻烦。大大减少了设备的运行和维护成本。

1 系统拓扑结构及配置

打包机是一套非常复杂的机电液一体化的全自动控制的设备。打包机的PLC系统是由一套S7317-2PN/DP和七套ET200S及一套MP277组成，其拓扑结构如图l所示。根据打包机工艺流程和生产过程对控制、管理的要求确定直接控制层和操作监控层的设备配置。

1.1 直接控制层的设备配置

直接控制层的主要设备是控制站，其应用功能是输入、输出、运算和控制。共设计了一个PLC主站，七台远程分布式I/O站，合计约273个点。

DP主站是控制中心。本系统DP主站选用CPU 317-2 PN/DP（订货号：6ES7317-2EK14-0AB0）。主站DP =2，有一块4MB的MCC卡、一个MPI/DP口和一个PROFINET口。DP口用于连接到DP耦合器，与其他从站进行通信。NET口通过RJ45双绞线连接到编程单元PC。

ET-200S是一款按位模块化、防护等级为IP20，同时支持PROFBUS和PROFINET现场总线的分布式I/O从站。可以连接包括数字量、模拟量、高速计数器、步进、电机启动器和变频器在内的所有模块。

图1 打包机DP网络拓扑图

A101、A201、A202、A203、A204、A205这六个从站，均选用6ES7151-1AB02-0AB0 ET 200S IM 151 光纤接口模板，可扩展63个模块。A11从站选用6ES7151-7AB00-0AB0 ET 200S IM 151 带CPU 光纤接口模板，集成24KB工作内存。

A101从站，DP=11，用于主控台的本地控制和用户接口。A201从站，DP=21，用于线库、升降台、压板I/O箱的控制。A202从站，DP=22，用于打包单元1&2、便携面板、公共功能I/O箱的控制。A203从站，DP=23，用于打包单元3&4、便携面板、公共功能I/O箱的控制。A204从站，DP=24，用于喂线单元1-4、本地控制单元1-4、公共功能I/O箱的控制。A205从站，DP=25，用于压板、线导架I/O箱的控制。A11从站，DP=8，有一块64KB的MCC卡，用于液压站单元PLC的本地控制及与主控台接口。

1.2 操作监控层的设备配置

操作监控层的主要设备是HMI，其应用功能是操作命令的输入、运行状态的输出和故障信息的监视等等。HMI选用西门子公司的6AV6643-0DD01-1AX1 MP27710″Key多功能面板，该面板操作方便、性能优越，有6MB用户存储器，64K色，分辨率640×480，36个功能键，可以用作直接按键，集成有1×RS422/485、2×USB1.1、1×Ethernet接口。

1.3 通信网络的设备配置

主站PLC与监控HMI和OBT光纤终端之间采用PROFIBUS-DP铜电缆实现通信，这部分的信号主要在主控室内，受现场的干扰较轻。选用6ES7972-0AA01-0XA0 DP中继器实现通讯信号的耦合。现场采集的输入信号和主站发出的控制信号由各从站集散，这部分信号分布在打包机上和液压站，受现场干扰比较严重，因此选用光纤来传输信号。OBT光纤转换器选用西门子公司的6GK1500-3AA00。

2 PROFIBUS-DP通信功能的设计

主从站之间的通信数据交换信号主要有：通信正确信号、急停信号、液压泵的启停、运行、封锁和故障信号，循环泵和加热器的启停、运行、封锁和故障信号，油位、油温高低检测信号，油温值，等等，这些信息均通过PROFIBUSDP网络传输。DP网络采用屏蔽双绞铜线或光纤两种传输电缆。在总线的两端为了防止浪涌，接有终端电阻，实际使用时，应注意将位于中间节点的接头终端电阻置于OFF位置。

2.1 网络的组态设计

2.1.1 组态CPU 317主站

在STEP7中创建打包机控制系统的项目“PCMH”，在项目下生成一个S7-300的站。进入HW Con fig界面，在2号槽插入CPU 317-2 PN/DP。考虑打包机控制系统的通讯距离在200m以内，设置PROFIBUS的传输速率为1.5Mbps，行规为DP。在电缆选项卡中，设置光纤电缆的OBT数目为1，电缆长度0.1km。在MPI/DP的属性窗口的“工作模式”选项卡中，选择该站为DP主站。完成主站系统的组态。

2.1.2 组态ET200S从站

在主站硬件组态界面的硬件目录下的“PROFIBUS-DPET200S”文件夹，选择接口模块6ES7151-7AB00-0AB0 IM153-1 F0 Standard，拖曳图标“”到PROFIBUS(1):DP总线上，设置该从站的地址为11；标识栏设为A101。选中从站11，从硬件目录下的“IM153-1 F0”文件夹中，按订货号依次插入电源模块、数字量I/O模块等，完成从站11的组态。用同样的方法，完成从站A201到A205的硬件组态。在组态时，STEP 7自动分配DP从站的输入/输出地址，就像访问主站内部的输入/输出模块一样，DP主站的CPU通过这些地址直接访问他们。

2.1.3 组态ET200S /CPU智能从站

ET200S IM151-7是智能从站。先在项目下插入一个S7-300的站点，取名“液压站”。从硬件目录下的“PROFIBUS-DPET200S”文件夹中，拖曳IM 151-7 CPU F0（订货号6ES7151-7AB00-0AB0）到硬件组态界面。然后从4号槽开始依次插入1个电源模块、9个数字量输入模块、1个模拟量输入模块和7个数字量输出模块。将该站地址设为8，并设置为DP从站。编译保存组态数据。在主站硬件组态界面，从“PROFIBUS-DPConfigured Station”文件夹中，拖曳图标“”到PROFIBUS(1):DP总线上。“DP 从站属性”窗口，“连接”选项卡中，选中IM151/CPU F0，点击“连接”按钮，将该站连接到DP网路中。

编译保存主站的组态数据。组态好的PROFIBUS-DP网络如图2所示。

图2 组态好的PROFIBUS网络

2.2 主站与智能从站主从通讯方式的组态

DP主站不是直接访问智能DP从站的输入/输出信号，而是访问CPU的输入/输出地址空间的传输区，由智能从站的CPU处理该地址区与实际的输入/输出之间的数据交换。主站与智能从站之间的数据交换是由PLC的操作系统周期性自动完成的，不需要用户编程。

主从站之间的通信连接和数据交换区组态如表1所示。路径：DP从站→“组态”→“新建”→对话框，按表1的内容设置通信模式、输入输出地址、交换区长度和单位等参数。

表1 DP主从通信地址的组态

3 HMI监控界面开发

WinCC flexible 是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI 软件，它具有舒适而高效的设计。WinCC flexible 综合了下列优点：直接的处理方式、透明性和灵活性。

HMI 是人(操作员)与过程(机器/设备)之间的接口，采用西门子MP27710″Key实时监控，主要完成以下任务。

1）设备控制画面：虽然S7-300能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，且具有一些控制算法，但复杂的控制功能仍然需要在上位机上实现人工控制，在界面中点击相应设备按钮即可对设备如变频器、变流器等进行单独控制；

2）信息显示画面：主要显示当前运行状态信息，如电机的速度、变频器的运行频率以及一些故障信息；

3）实时报警处理：对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理、自动进行相应设备控制；

4）报表打印及数据曲线显示等。

图3 打包机主控画面

打包机的实时监控画面共18幅。设备控制画面有打包机主控画面（如图3所示）、4个打包头控制画面和液压站控制画面等。信息显示画面有打包头状态画面、打包头工作过程画面、打包头设置画面、打包机状态画面、打包机工作过程画面、压实设置画面、与PF线通信状态画面和PROFIBUS通信信号状态画面等。实时报警画面有打包头故障显示画面、压实过程故障显示画面和液压站帮助画面等。

4 结束语

韶关某钢铁厂二高线打包机自动控制系统经过改造后，采用了先进的CPU 317-2PN/DP和PROFIBUS-DP网络结构，系统更加紧凑，PLC运行环境得到了有效改善，维护和故障处理更加方便，使高线厂精整区的完全生产自动化成为现实。自打包机投入使用以来，打包机扭结失败率小于0.3%，对于最大盘卷整个过程大约32s。打包后的线卷最小长度大约为600mm，大大方便了盘卷的储藏、运输，提高了产品的包装质量和作业率，消除了产品包装上的质量异议。

[1]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005:335-338,108-111.

[2]罗庚兴,宁玉珊.大中型PLC应用技术[M].北京:北京师范大学出版集团,2010.

[3]SIEMENS公司.WinCC flexible 2008 Compact/Standard/Advanced系统手册[K],07/2008.

[4]王岸.S7系统在高线自动打包机中的应用[J].甘肃冶金,2010,32(05):160-163.

[5]宁玉珊,陈章泉,罗庚兴.双边剪夹送辊全数字直流调速装置通讯设计及实现[J].南方金属,2007,156(03):18-21.

[6]徐希康,黄显华,王德堂,王金泉,王公华,郑本光.基于PROFIBUS网络结构的全数字矿井直流提升电控系统[J].工矿自动化,2002(6):26-28