Profibus-DP在饲料厂PLC系统中的改造应用
2015-01-21辉任有志王
■刘 辉任有志王 璐
(1.河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050000；2.河北工程技术高等专科学校，河北沧州 061000)
近些年，我国的饲料工业发展迅速，同时饲料的生产工艺以及制造设备也取得了很大进步。自动化程度较高的制造设备替代了原来的陈旧设备，而饲料生产线的控制特点为各加工设备的顺序控制。PLC控制在这些现代化的饲料加工设备控制中凸显了强大的作用[1-2]。一些饲料厂为了扩大规模，节约开支，就会分步的扩建车间或扩充设备。这样，就带来了各车间中存在不同的PLC的问题，而主控室中还要实时监控生产线上的各项数据和参数，甚至不同的PLC之间还要进行数据交换。某饲料厂经过多次扩建，PLC种类不同，现在厂家根据发展需要，对该厂的控制系统进行升级再造，在原有设备的基础上，进行不同品牌PLC的通讯配置及与上位机的远程通讯[3]。
1 改造方案
1.1 原控制系统
原控制系统如图1所示，每个子系统已经成为了信息孤岛。各个系统之间没有数据共享，每个上位机只能单独完成对应的功能，这样既浪费了资源又增加了操作员的管理难度。
图1 原控制系统网络
1.2 改造后的控制系统
基于生产过程控制系统为最主要的控制系统的原因，并参照各PLC协议信息，决定以Profibus-DP协议来实现不同品牌间PLC之间的通讯。使用Profi⁃bus-DP协议改造的控制系统如图2所示。
图2 改造后控制系统网络
2 PLC之间的通讯
实现不同品牌PLC之间的通讯的前提是支持相同的通信协议，并且考虑到现有PLC不可能进行更换，选用现场所有PLC都支持的Profibus-DP为最优方案。改造过程中运用已有串行数据接口，对于所组Profibus-DP网络，需要对欧姆龙CP1H进行模块组建，CP1H扩展CJ高功能模块需通过CP1W-EXT01，支持DP网络再扩展CJ1W-PRM21或者CJ1WPRT21。本系统选取Profibus-DP从站接口模块CJ1W-PRT21，并依据使用手册设置通信参数与站地址，Siemens 315-2DP作为主站，这样就构成了主从通讯结构。
2.1 Profibus-DP
PROFIBUS由Siemens公司推出，并于1999年12月被批准为国际标准。Profibus-DP协议是一种经过优化的、高速廉价的通信连接，专门为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信而设计。Profibus-DP只是用了ISO/OSI的第1层和第2层，并定义了用户接口层，未使用3～7层，这种结构保证了数据传输的快速有效[4]。RS485传输是PROFIBUS-DP最常用的一种传输技术，其传输速率范围为9.6 Kbps～12 Mbps，是一种高速的数据传输。这是一种差动信号传输，它使用平衡链路，每个信号都是用一对专用的导线对，其中一根导线上的电压是另一根的导线上的电压取反，信号以这两根信号线上的电压之间的压差进行传送。总线连接器为Siemens公司的D型9针插头，无论是选用哪种电缆，都要在开始和末尾接入终端电阻[5]。
2.2 通讯模式
Profibus-DP通信采用半双工方式，编码方式为 NRZ码（即不归零码）编码方式，一个字符在PROFIBUS总线上按11位传输，1起始位0，8位数据位，1个奇偶校验位和1个停止位1。最低有效位（LSB）被第一个发送，最高有效位（MSB）被最后发送。其传输信号如图3所示。数据线A与B之间为恒定正差分电压时代表“1”，负差分电压时代表“0”。总线上没有数据传输时，空载电位为“1”，起始位可使之变为“0”。在位持续期间，二值信号“0”或“1”不改变[6]。
图3 非归零码信号
2.3 硬件组态
生产数据统计系统CP1H的硬件组态是在Sie⁃mens的编程软件STEP7里完成的。首先，需在HW Config界面安装CJ1W-PRT21的GSD驱动文件，OC_0602.GSD。接下来的组态工作与平时的组态步骤一样，点击“PRT21-PROFIBUS-DP”设备，并拖动至左侧的Profibus-DP网络中，并将其编号为4#站(2#～3#站已占用)，完成了生产统计系统CP1H的硬件组态[7]。同样，粮食检测系统CP1H的组态与上述步骤一致。并且CPU315-2DP已经给这些PLC分配好了地址变量。
2.4 通信流程
Siemens 315-2DP不断读取CP1H的数据，比如说打包计数系统，315-2DP将获得的各种饲料的成品袋数等数据上传至工控机，以便操作人员在组态软件中实时了解生产信息。315-2DP与CP1H的具体通信流程如图4所示。
图4 315-2DP与CP1H通讯流程
读写CP1H数据的部分程序如图5所示。
3 PLC与上位机通信
主站315-2DP与上位机通信，上位机组态系统采用Wincc，同为Siemens公司的产品，不仅兼容性好，而且配置简便。315-2DP有2个DP接口，一个DP口，一个MPI接口。所以，Wincc与315-2DP的通讯方式依旧选用MPI网络。进入Wincc与Step7界面设置一些通讯参数如MPI网络地址、波特率、CPU所处机架号和槽号等[8]。
4 结语
将Profibus-DP网络技术应用于饲料厂各车间PLC的通讯，解决了各车间数据不能共享的问题，并且提高了整体网络的扩展性，在下次设备扩充时，仍有接入已有网络系统的能力。这种网络扩容速度快成本低，各层之间互不影响，是一套切实可行的改造方案，在现在激烈的市场竞争下，为饲料企业节约了开发资金，维护了企业的利益[9-10]。
