Profibus-DP网络在轧钢设备中的应用及诊断

刘国栋

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

生产实践·应用技术

Profibus-DP网络在轧钢设备中的应用及诊断

刘国栋

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

基于Profibus网络，以无缝钢管生产线上的张力减径机电控系统为例，具体阐述Profibus-DP网络的主要组成部分以及如何进行Profibus-DP网络诊断。

Profibus-DP 网络诊断 西门子 张力减径机

轧钢设备工艺动作多、设备分布范围较广，如果所有设备都使用硬线连接，则会导致电缆使用量庞大，同时通讯信号质量和稳定性无法保障。在现场总线越来越普及的今天，设备之间通常使用现场总线进行连接，这样不仅减少了电缆敷设量，而且提高了信号传输的质量和稳定性。本文以张力减径机电控系统为例，对Profibus-DP网络的应用及诊断进行阐述。

1 Profibus-DP网络

1.1 Profibus-DP介绍

PROFIBUS-DP通常使用RS-485物理层（物理层是指数字信号传输介质）。PROFIBUS DP可以有多种不同的物理层，如RS-485、无线和光纤。RS-485是PROFIBUS最通用的物理层，它的优点是传输速度高和在强噪声环境中的抗干扰能力强。

PROFIBUS-DP主要用于高速输入/输出设备和连接智能设备（如驱动系统）。PROFIBUS有一个大的数据包（244 byte），所以它能在一个数据包中处理来自远程输入/输出设备或驱动设备的信息。因为数据传输率能高达12 Mbits/s，这些信息会在很短的时间内被发回控制器。PROFIBUS-DP总线的传输速率与DP网络电缆长度有关，具体参数值见表1。

表1 DP网络电缆长度与传输速率的关系

1.2 Profibus-DP网络设计

PROFIBUS-DP网络可以连接变频器、ET200M模块、智能仪表、编码器等所有具有DP接口的设备。它不仅支持数字量信号，而且支持模拟量信号，是现代工厂中非常好用的一种通讯协议。采用RS-485的Profibus-DP电缆作为硬件连接的网络，其设计要求如下：节点必须是串级链，即电缆直接从一个设备连接至另一个设备，然后从此设备出来后又直接连接至另一个设备；每个网段必须有终端电阻；每个DP网段的从站数量不要超过125个；中继器数量最多为9个；要根据网速设计网络电缆的长度，具体参见西门子Profibus-DP网络相关手册。遵循推荐的接地习惯：将所有屏蔽电缆都接地；在同一网段中使用一个接地电缆连接所有机柜；设计时保证高波特率但运行时使用低波特率。

2 张力减径机电控系统

2.1 张力减径机简介

张力减径机是热轧无缝钢管生产工序上的一台设备，它将脱管后的荒管进一步轧制成符合工艺要求的钢管，主要由张减机主机座、轧辊机架、主传动、换辊装置等组成。本文以24机架为例进行介绍。

2.2 张力减径机电控系统

张力减径机电控系统主要由变压器、主传动系统、基础自动化系统、HMI系统、流体电控系统等组成，本文重点介绍构成Profibus-DP网络系统的部分。

2.3 张力减径机Profibus-DP网络系统

整个张力减径机Profibus-DP网络主要由主PLC、主操作台ET200M、现场操作台ET200M、CU（控制单元）、编码器等组成。所有设备都采用DP电缆一进一出的方式串行连接。

2.3.1 张力减径机主PLC组成

张减机主PLC由1块CPU414-3DP模块、3块DI32*DC 24 V模块、1块DO32*DC 24 V模块和1块CP443-1模块。CPU414-3DP做为整个自动化系统的核心主要负责辅助系统顺序控制、单体设备顺序控制、主传动系统速度控制、联锁保护等。

2.3.2 CU（控制单元）

张减机主传动系统总共使用12块西门子SINAMICSCU320-2DP控制单元。CU320-2DP控制单元通过Profibus-DP电缆与PLC进行连接，而CU320-2DP控制单元与SLM模块、BLM模块、电机模块则通过DRIVE-CLiQ电缆连接。

2.3.3 ET200M

ET200M从站主要由IM153-1接口模块、6ES7 321-1BL00-0AAO 数 字 量 输 入 模 块 、6ES7 322-1BL00-0AAO数字量输出模块等组成。DP电缆与IM153-1模块相连接，通过DP网络，此从站可以与PLC进行DI/DO数据交换。

2.3.4 编码器

张力减径机电控系统中的编码器主要是用于辊道高度调整、压辊位置调整等的检测，选用Profibus-DP接口的绝对值编码器，PLC通过DP网读取编码器的实时位置，然后通过公式将编码器所记录的数据换算成辊道高度、压辊高度等数据。表2为张减机Profibus-DP网络站地址分配。

3 Profibus-DP网络诊断

网络诊断通常分为两种，一种是对设备安装、布线、站地址设置等的诊断；第二种是通过程序对网络状态的诊断，自动判定DP从站的工作状态。

表2 张减机Profibus-DP网络站地址分配

3.1 设备安装、布线、站地址设置等的诊断

3.1.1 检查Profibus-DP网络接线用到的工具

检查Profibus-DP网络接线用到的工具包括：示波器（最好为数字示波器，方便现场携带）；PB Connector（带有A、B、RTS、M引出线的PB连接头且带PG接口）；电缆（连接好DP插头的Profibus-DP电缆，在用编程器调试网络时使用）；一字、十字螺丝刀（Profibus-DP剥线刀）；编程器（安装有Step7软件以及Amprolyzer等诊断软件）。

3.1.2 检测步骤

3.1.2.1 总体检验

查看所有DP从站是否按照图纸要求设置DP站地址，DP电缆连接是否按照Profibus-DP网络拓扑图实施，DP电缆编号是否与图纸一致。

3.1.2.2 现场测试内容

检查DP电缆：查看使用的是Profibus-DP电缆还是其他电缆，电缆外皮是否破损、是否存在断线，安装是否符合相关规范。

DP接头：检查DP头接线情况，进线与出线是否正确。总线段两终端的两个接头都应将电缆连接在“In”端；检查连接头与站点的接口处的螺丝是否紧固；随机选择几个Bus connector，打开外盖，查看内部接线及屏蔽层处理情况。

终端电阻：检查终端电阻接线情况，开关是否置于“ON”。

屏蔽层：检查Profibus电缆在进柜与出柜处，屏蔽层接地是否正确。

接地检测：各设备应可靠接地，DP电缆屏蔽层也要接地。PE线越粗越好16 mm2以上。

电缆敷设：通信电缆与动力电缆严格分层敷设，信号电缆应尽可能远离强的干扰源（例如较大的用电设备、电源、变频器等）。电缆长度同通讯波特率相关。

所连接的站点数：每个网段（物理连接）最多可以连接32个站（包括主站、从站以及中继设备）；整个网络可以连接127个设备；中继器（诊断中继器）的最多级联9个。

3.1.3 示波器监测

如果在硬件组态中通过在线/离线检测发现有部分DP从站已经成功组态但不在线，同时检查站地址设置、DP网络电缆连接又无法发现问题时，可以通过示波器检测信号波形，通过波形情况判定是否存在断线或干扰等问题。

3.2 通过程序对网络状态的诊断

程序检测Profibus-DP网络各站点情况也有很多办法，本文主要论述如何通过STEP7程序库中的FC125进行网络诊断。FC125必须在OB1中进行调用，调用FC125后，程序可以自动检测到不在线和发生故障的DP从站。

3.2.1 FC125在OB1中的调用

以下为FC125在OB1中的调用程序：

3.2.1.1 FC125各参数解释

CHECK_ACTIV：是否开始进行DP网络检测的指令，0不开始，1开始。

EXTERNAL_DP_INTERFACE：DP主站接口选择，0指CPU上的DP接口，1表示外部DP接口，如CP443-5等。

DP_MASTERSYSTEM：在硬件组态中DP master system的编号。

DATA_FIELD：从站状态检测后的数据存储区，128位。

SUM_SLAVES_DIAG：进行诊断的从站的数量。

LIST_SLAVES_NOT_PRESENT：不在线DP从站，128位，每位数据对应一个从站，0表示正常，1表示不在线。

LIST_SLAVES_ERROR：发生故障的DP从站，128位，每位数据对应一个从站，0表示正常，1表示发生故障。

RETVAL：FC125执行时的状态值。

BUSY：FC125程序块状态，0表示程序未运行，1表示程序正在运行。

3.2.1.2 从站DP站地址在DATA_FIELD中的对应关系

如图1所示，对于本文所述DP诊断系统，DBDx即为DB100.DBDO～DB100.DBD4。而在存储区中DP从站地址与DBX顺序号高低相反，如从站地址1—8对应DBX0.7～DBX0.0。

图1 DP从站号与DATA_FIELD中各数据位对应关系

3.2.2 通过FC125进行的网络诊断

各个从站工作正常时，在DATA_FIELD中的各个数据位返回值都为0；如某一个从站发生掉站故障，则DATA_FIELD中对应数据位的值变为1。

以张减机现场操作台ET200M（LCS01）为例，LCS01的DP从站地址为5，当LCS01的DP通讯正常时，DB100.DBX0.3的值为0；当LCS01发生掉站故障时，DB100.DBX0.3的值为1。

3.2.3 网络诊断在HMI上的显示

通过PLC与上位机的通讯程序，PLC实时将DATA_FIELD（即DB100.DBDO～DB100.DBD4）的数值发送给上位机。仍以张减机现场操作台ET200M（LCS01）为例，当DB100.DBX0.3值为0时，表示LCS01从站DP通讯正常，在HMI上LCS01的图标以绿色显示；当DB100.DBX0.3值为1时，表示LCS01从站发生丢失（掉站）故障，在HMI上LCS01的图标以红色显示。

通过简单的颜色显示，生产维护人员可以通过HMI网络诊断画面实时掌握DP从站的通讯状态，极大的方便了生产操作和设备维护。

4 结语

使用STEP7程序库自带的FC125进行DP网络诊断，简单高效，可以实时掌握每个DP从站的联网状态。将Profibus-DP网络拓扑图设计于HMI画面里，然后通过PLC和HMI的通讯，将每个DP从站的状态传输于上位机，并且通过不同颜色表示DP从站的状态，此种方式方便生产维护人员了解DP从站的状态，在使用Profibus-DP网络的设备里都可以推广应用。

（编辑：张伟）

Application and Diagnosis of Profibus-DP in Rolling Equipment

Liu Guodong
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024）

Based on Profibus network，taking sizing and reducing mill electronic control system of seamless steel pipe production line as an example，this paper elaborates main part of its Profibus-DP network，and ways of how to carry out Profibus-DP network diagnosis.

Profibus-DP，network diagnosis，SIEMENS，sizing and reducing mill

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.27

TG334.9

A

1672-1152（2015）06-0075-04

2015-09-27

刘国栋（1984—），男，现任太原重工股份有限公司技术中心轧钢所副所长，工程师。E-mail：tzlgd@qq.com