浅谈PROFIBUS现场总线在钢厂控制领域中的应用

浅谈PROFIBUS现场总线在钢厂控制领域中的应用
摘要：在钢厂的控制领域中，应用PROFIBUS现场总线是集成化控制的需要。

本文就PROFIBUS现场总线在钢厂控制领域的应用进行分析，着重对转炉投料系统进行研究，以供参考。

关键词：现场总线；钢厂控制；Profibus-DP;变频器
引言
现场总线(FCS)技术作为一种新型技术，对工业发展起着非常重要的作用，已经广泛应用于化工、冶金、石油等行业。

在电力行业中，作为连接生产现场显示仪表、控制设备、变频器等自动化装置的通信网络，FCS在设计、安装、投运等方面具很大的优越性，在钢厂自动控制领域中具有广阔前景。

FCS控制系统比常规传统DCS(分散控制系统)系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。

可以说，建设现代化的数字钢厂离不开现场总线技术。

转炉炼钢投料控制系统中辅原料的加入时间、加入量对钢的纯度、硬度、品种的控制有着重要的作用，因此转炉辅原料配料的及时、准确性显得尤为重要。

一、投料系统工艺及构成
辅原料投料系统共10个辅原料仓，每个仓都有2台电振机；该系统采用Profibus-DP现场总线通讯方式，10台变频器作为从站通过Profibus-DP现场总线连接到系统主站西门子S7-400PLC。

二、PROFIBUS技术概述
（一）、PROFIBUS协议模型和ISO/OSI协议模型的关系
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准以OSI作为参考模型。

但省略了3～6层，同时又增加了服务层。

PROFIBUS－DP使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。

这种结构确保了数据传输的快速和有效进行。

用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。

（二）、PROFIBUS技术的体系结构
PROFIBUS技术由三个兼容的部分构成，它们分别是：（1）PROFIBUS-DP，是主站和从站间采用轮循的通讯方式，主要适用于自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率可以达到12M，并且能够连接智能马达控制器、执行结构、远程I/O、阀门定位器、人机界面HMI和变频器等智能设备；（2）ROFIBUS-PA，是电源和通信数据通过总线并进行传输，主要适用于面向过程自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率为31.25kb/s，并且能够连接现场智能仪表；（3）
ROFIBUS-FMS，其定义了主站和主站间的通讯模型，主要适用于自动化系统中车间级和系统级的过程数据交换。

三、控制组态
（一）、闭环控制
闭环控制用于需要稳定、定量的工艺参数的控制。

万一测量单元故障，控制器回路自动切换至手动，且于控制室进行事故报警。

可从控制室操作员站选择调整调节回路参数（PID参量常数值），授权级别保护进入调整的状态。

调整装置有一定点跟踪状态，如被选定，且当调节器位于手动模式／串环，定点将跟踪该测量值。

工艺中流量、液位、温度、压力、PH、电位的控制大都采用闭环控制，闭环控制通过CFC组态来实现。

（二）、开环控制
开环控制用于控制像电机,开关阀及电磁阀等独立的设备。

能实现电机的远程／就地控制，手动、自动的切换，运行状态、电流、功率、转速等显示。

能实现开关阀及电磁阀的开、关操作，实现全开、全关状态的显示。

开环控制通过CFC组态来实现。

（三）、顺序控制
顺序控制采用SFC组态来实现，用于执行一组逻辑控制和程序流控制（像条件的跳变和重复）。

带有详尽的用户界面用于程序运行监督及一个逐步控制的规定。

如高低酸反应器送氧气程序，洗氯反应器的洗氯程序等。

（四）、保护、联锁、限位值控制
保护、联锁、限位值控制功能通过软件执行，通过CFC组态来实现，用于设备的保护和工艺流程的稳定。

如各大功率电机设备都包含有安全保护和工艺联锁，当安全保护时，就地启动不起作用。

四、电振机变频控制的实现。

（一）、硬件配置
①根据电机参数及变频范围(0～50Hz)，选用ABBACS-550-01变频器。

变频器的通讯接口通过适配器与PROFIBUSDP网络连接，它将传动单元连接到一个PROFIBUS网络。

②依系统工艺控制要求，PLC选择西门子S7-400，选择带PROFIBUS网络接口的CPU416-2DP，方便与PROFIBUSDP网络连接。

③使用模块上的旋码开关设置站地址，在需要位置设置终端电阻，ACS550的SLOT2插槽内插入RPBA-01适配器模块。

（二）、PLC软件组态及程序设计
①将设备ABBRPBA-01组态到PROFIBUS-DP网络上时，将变频器适配器的模块型号为PPOTYPE3，该型号设置有4个字用于通讯传输数据，Operation mode选择VENDORSPECIFIC也就是ABB Drives。

②PLC的编程由STEP7软件实现。

在S7-400的“硬件组态”功能中配置Profibus-DP的网络，即将ABB变频器的ABB_0812.GSD文件导入STEP7的编程环境中。

③转速控制的实现：通过上位设置电机的转速来调整电振机的速度，根据PROFIBUS-DP适配器手册说明，±20000(十进制)对应着变频器最大限幅参数11.05，设定的速度或者频率存在正反两个方向。

本设计投料系统电机额定转速为1460r/min,速度计算公式为:(设定转数/1460)*20000，将计算值传送给变频器速度给定参数QW550。

④设置用于通讯的PLCI/O地址。

如本系统所生成通讯I/O地址为I48-I51/Q48-Q51。

表1是变频器与PLC通讯所对应的PLC的I/O地址。

变频器的状态字经过PROFIBUS-DP网络写入PLC的I48-I51；变频器的控制字是根据PLC内部程序，将控制字写入PLC的输出口Q48-Q51，经过PROFIBUSDP网络传送给变频器ACS550-01的控制字，控制字由现场总线控制器发送给传动单元，传动单元根据控制字的位编码指示进行相应动作，从而控制系统的运行。

表1用于通讯的PLC的I/O地址分配表
（三）、传动控制参数设置
变频器的PROFIBUS-DP通讯启动及参数设定ACS550和现场总线适配器模块RPBA-01之间的通讯可以通过总线刷新参数51.27激活。

在实现通讯之后，根据控制电机的名牌参数及控制要求，对变频器关键参数11组、16组、51组、98组做相应修改。

总之，PROFIBUS现场总线在钢厂控制领域中仍存在诸多问题，如国际上还没有就现场总线标准达成共识，现场总线标准较多；现在支持现场总线标准的智能终端设备还较少；支持现场总线标准的智能现场设备造价昂贵；投资方、建设单位和施工单位等缺乏对现场总线技术深入了解的技术人员；PROFIBUS现场总线的参数不易设置等问题的制约严重影响了PROFIBUS现场总线在钢厂中的实
际应用。

结束语
总而言之，该系统结构简单，抗干扰性强，减少了系统的运行和维护费用；自投料系统试运行以来，系统运行稳定、可靠，充分说明了工业现场总线PROFIBUS技术具有良好的推广价值。

参考文献
[1]西门子公司PROFIBUS-DP适配器模块[Z].
[2]西门子公司．S7－400硬件冗余系统配置教程［K］.。