Profibus-dp在聚酯薄膜生產線中的應用

李海華

(儀化東麗聚酯薄膜有限公司，江蘇儀征 211900)

1 Profibus-dp現場總線簡介

1.1 Profibus-dp 概述

Profibus-dp是一種高速低成本、用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。它與Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)共同組成了Profibus標準。Profibus的DP即Decentralized Periphery是分布式外部設備的縮寫，它是Profibus中應用最廣泛的一種通信方式。

1.2 Profibus-dp 通訊模型

Profibus參考模型是根據IEEE802標準委員會制定的局域網標準的第一層、第二層和應用層建立的，由于工業上的特殊需要省略了3～6層，其中，Profibus-dp使用了第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和第7層(應用層)。這種精簡的結構保證了數據的高速傳送，特別適合可編程控制器與現場分散的I/O設備之間的通訊。

Profibus-dp物理層與ISO/OSI參考模型的第1層相同，物理層的主要功能是利用物理傳輸介質為數據鏈路層提供物理鏈接，采用RS-485協議，半雙工方式。根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質。

2 BOPET薄膜生產工藝簡介

雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二醇脂(BOPET)是目前發展最快的塑料薄膜之一，其生產原理是將聚酯切片與添加劑按照一定比例混合在一定溫度下，通過螺桿擠出機(EXT)擠出，熔融狀的熔體經過計量泵(PUMP)精確計量，由T型膜頭擠出，經過急冷輥快速冷卻鑄成窄而厚的厚片，再經過縱向拉升(MDO)和橫向拉升(TDO)最終收卷成膜。BOPET薄膜生產線［1］如圖1所示。

圖1 BOPET薄膜生產線示意

3 薄膜生產線網絡配置

3.1 網絡配置說明

筆者所在廠的薄膜1#號生產線系統結構見圖2所示。3臺上位機與 PLC、PLC與 PLC之間通PROFINET工業以太網通訊，Profinet完全兼容工業以太網和現有的現場總線術。但是由于目前國內現場總線技術的廣泛應用，Profinet完全進入現場級還有一定的障礙，它還不能完全替代現場總線，因此，兩者結合較為經濟實用。該廠1#線正是采用Profinet和Profibus相結合的結構布局，實踐應用證明，這種設計實現了二者的無縫集成。筆者主要研究Profibus-dp的通訊應用，所以對PROFINET不展開討論。4臺S7300系列PLC分別通過4條Profibusdp單主現場總線與其下掛的從站通訊，其從站包括ET200M、變頻器等。同時DP從站也可以是支持Profibus協議的非西門子的產品，但在網絡組態時要將設備的GSD文件安裝到STEP7硬件庫中。

圖2中Profibus總線1和2主要用于連接現場就近安裝的遠程I/O模塊ET200M，用于現場一些開關量和模擬量點的采集與控制;Profibus總線3用于圖1中收卷設備的A、B收卷軸、壓輥、導向輥等驅動變頻器DP從站連接;Profibus總線4共連接16個DP從站用于控制圖1中主生產線從螺桿擠出機到PRS所有變頻器及遠程I/O模塊ET200M。下面以Profibus現場總線4為例重點介紹其與從站的組態及通信設置。

圖2 生產線系統結構

3.2 Profibus-dp主、從站配置及編程

在Profibus(4)現場總線(見圖3)中，遠程I/O模塊ET200M主要用于采集現場開關量和模擬量輸入輸出數據，最大的一臺螺桿擠出機電機采用了西門子6RA70全數字型直流調速裝置，冷鼓、縱拉、橫拉、牽引驅動電機都采用西門子6SE70矢量控制交流變頻器。共配置16個DP從站。下面分別介紹DP主站與變頻器和遠程I/O通訊配置。

3.2.1 DP主站與變頻器通訊配置

3.2.1.1 數據通信格式

DP主站和從站間通訊的數據可分為2個部分:

a)過程數據(PZD)

過程數據主要包括命令字、傳動狀態，給定速度和實際速度等。這類數據在變頻器的任何刷新周期內被連續刷新。

b)現場數據(PKW)

這類數據是保存在傳動EEPROM中的參數。寫這類數據時，變頻器先進行兼容性檢測，確認正確后，數據被寫入。讀這類數據時，傳動將返回一個相關數據。

此外，數據傳輸結構由報文頭和報文尾組成。Profibus-dp的數據傳輸結構如表1所示:

表1 Profibus-dp數據傳輸機構

PKW由參數號PKE、參數地址IND和參數值PWE 3個字段組成，過程數據PZD由控制字、狀態字、給定值、反饋值等字段組成［2］。

3.2.1.2 協議說明

在Profibus標準中，可以在主站和從站間交換的數據總稱為PPO(Parameter-Process data Object)［2］。為了優化Profibus總線的通信周期時間，從而與不同從站的任務相匹配，用戶可以選擇不同的協議，每個協議所允許交換的數據的數目是不同的。具體地說，有5種類型的PPO可供選擇，如表2所示:

表2 5種類型的PPO

同時應注意，每種類型的PPO又包括1個Master輸入PPO和一個Master輸出PPO。

3.2.1.3 GSD 文件的導入

在進行硬件組態之前，必須將變頻器的GSD文件導入Step-7的硬件組態工具中。GSD文件又叫電子設備數據文件，是可讀的ASCII碼文本文件，包括通用的和設備有關的通信技術規范。為了將不同廠家生產的Profibus產品集成在一起使用，設備的生產廠家必須以GSD文件的方式提供這些產品的功能參數，如I/O點數、診斷信息、傳輸速率、時間監視等。

GSD文件可分為3個部分:

a)總規范:包括了生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監視時間間隔、總線插頭指定信號。

b)與DP有關的規范:包括適用于主站的各項參數，如允許從站個數、上裝/下裝能力。

c)與DP從站有關的規范:包括了與從站有關的一切規范，如輸入/輸出通道數、類型、診斷數據等。

在Step-7中導入 GSD文件的方法是:在 SIMATIC管理器中打開硬件組態工具HW Config中執行菜單命令“OPTION→INSTALL NEW GSD”，在出現的對話框中打開要安裝的GSD文件所在的文件夾，即可以安裝GSD文件。安裝完成后，在“Hardware Catalog”窗口的Profibus-dpAdditional Field Devices文件夾，可以找到剛才安裝的GSD文件對應的DP從站，并可將其用于硬件組態。

3.2.1.4 硬件組態

導入設備的GSD文件后，就可以在SIMATIC Manager環境下進行硬件組態。硬件組態時應把PLC設置為Master。具體的設置方法是:在Step-7 hardware中進行基本的PLC的硬件設置，如機架、CPU、電源、輸入輸出點等。然后右鍵單擊DP所在的位置，在出現的菜單中選擇Add Master System，會出現Profibus-dp設置的對話框，可以設置站地址、信的波特率等參數。

配置完成后，在CPU的DP口會出現一根軌道，這就是DP總線。可以在上面掛所需要的從站。在DP口雙擊，在出現的 Operating Mode選項中 DP Master前打勾，即可把CPU設為主站。

在HW Config右側窗口Profibus DPAdditional Field DevicesGeneralProfibus per azionamenti路徑下找到SPDM的GSD文件并添加為DP從站。在這里根據自身的控制要求選擇PPO4(0PKW，6PZD)。硬件組態圖如圖3所示:

圖3 硬件組態示意

3.2.1.5 通信程序設計

裝置調整完后，最后通過通信程序實現PLC與變頻器的數據交換，周期性讀取驅動器的狀態值和速度值，以及將控制字和給定值寫入到驅動器中。

下面以圖3中地址為4的從站——螺桿擠出機的直流驅動器舉例說明通信程序的編寫方法［3］。編寫程序前，先在Step-7開發環境中新建一個通信數據DB塊，DB塊的長度應大于或等于所選通信協議占用的字節長度，以便與通信數據對應。DB塊中的數據也應按照通信協議的規定注明每一位的含義。建立好的數據通訊塊見表3所示。

表3 DB6數據通訊塊

PROFIBUS總線4上的螺桿擠出機直流驅動器的邏輯I/O地址分別為I Address:288-299;Q Address:256-267。分別定義 DB6.DBW0和 DB6.DBW14塊對應Q的首地址256(W#16#100)和I的首地址288(W#16#120)。利用組織塊OB1調用系統功能SFC14(DPRD_DAT)用于讀Profibus從站的數據和SFC15(DPWR_DAT)，將相關數據寫入Profibus-DP從站。表4和表5分別為SFC14(DPRD_DAT)和 SFC15(DPWR_DAT)的參數說明［3］。

表4 SFC 14“DPRD_DAT”參數

表5 SFC 15“DPWR_DAT”參數

最終編寫的程序見圖4(PLC與變頻器通訊程序)所示，通訊建立完成后DB塊中的數據直接可以出現在Step-7的程序中。

3.2.2 Profibus-dp 與 ET200M 配置

因為薄膜生產線縱向深而且控制點較分散，所以ET200M高密度配置的模塊化、分布式I/O站非常適合現場使用，同時ET200M的I/O模塊從DI/DO到AI/AO，有DC24V、AC220V的輸入輸出，各種模擬量標準信號(4～20 Ma)電偶、電阻信號模塊全系列，兼容性、互換性強。

該廠薄膜一號線4臺 DP主站共配置4臺ET200M從站(見圖2)，通過IM153-1接口模塊與Profibus-dp現場總線連接，其中Profibus-dp現場總線1的DP從站ET200M主要用于現場擠出機機筒、熔體管線和膜頭部分的熱電偶、熱電阻、熔體壓力等模擬量信號的采集及相關模擬量和開關量控制信號的輸出;Profibus-dp現場總線2的DP從站ET200M主要用于現場冷鼓、MDO縱拉、TDO橫拉部分的熱電阻、熱媒調節閥等模擬量信號采集及相關模擬量和開關量控制信號輸出;Profibus-dp現場總線4的DP從站ET200M主要用于現場從擠出機至牽引機主驅動器開關量控制信號的采集及輸出，見圖5所示。

主站與ET200M從站配置較簡單，其步驟如下:

a)新建一項目，輸入項目名稱。在此項目之下插入一S7 300的站，雙擊HARDWARE，進入“HW Config”窗口。依次插入UR、PS、CPU等模塊。在放入CPU模塊的同時，按要求新建一Profibus網絡。系統為CPU300定義網絡上的節點為2;Profibus網絡的屬性設置在“Network setting”選項卡中設置;

b)在組態好的DP系統中掛上ET200M從站，同時會彈出“屬性-Profibus”對話框，在“常規”標簽中“節點/主站系統”中的Profibus項，出現“屬性-Profibus接口”對話框，在其“參數”標簽中設定ET200M的地址(注意設定地址須和ET200M硬件上撥碼數字相同，且不能和其它站沖突);

圖4 PLC與變頻器通訊程序

圖5 Profibus-dp現場總線4的從站ET200M

c)組態ET200M的硬件I/O。這時可以根據需要從IM153-1欄下進行硬件組態，如:AI是模擬量輸入，DI/DO是開關量輸入輸出等并設定I/O點的地址，編程時訪問這些點時直接用I區和Q區，實際使用時ET200M所帶的I/O模塊就好像集成在CPU主機架上一樣，編程非常簡單。

4 結語

雖然現在工業以太網技術大有普及之勢，但是由于目前國內現場總線技術的廣泛應用，工業以太網完全進入現場級還有一定的障礙，它還不能完全替代現場總線。由于Profibus-DP現場總線的開放性、實時性好，數據傳輸速度快，系統實現簡單，可靠性高，專用于自動化控制系統和設備分散的I/O之間進行通信使用，所以其在工業控制中應用非常廣泛。

［1］周志敏，紀愛華.Profibus現場總線系統設計與應用［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］吳作明，杜明星.STEP7軟件應用技術基礎［M］.北京:北京航空航天大學，2009.