中图分类号：ＴＱ１７２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７—０３８９（２０１０）０４—６０—０４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线 在水泥自动化生产线中的应用 张还，李胜多，于艳，赵丽清（青岛农业大学机电工程学院，山东青岛２６６１０９） 摘要：全面介绍了ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线技术在水泥熟料生产线自动化控制中的应用。其中简要介绍了水泥熟料自动化 生产线的工艺过程、系统配置和控制策略，较详细地介绍并分析了ＰＲＯＦＩＢＵＳ～ＤＰ现场总线技术的协议、传输技术及控制系统 中基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线的网络通信的实现过程。 关键词：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ；现场总线控制系统；水泥熟料生产线；数字通信 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＰＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ Ｚｈａｎｇ Ｈｕａｎ，Ｌｉ Ｓｈｅｎｇｄｕｏ，Ｙｕ Ｙａｎ，Ｚｈａｏ Ｌｉｑｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱＡＵ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６１０９，Ｃｈｉ－ ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔ ｃｌｉｎｋｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｒｏｕｎｄｌｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ，ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏ・ ｃｏｌ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ；ＦＣＳ；ｃｅｍｅｎｔ ｃｌｉｎｋｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ；ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ０前言 本文以湖北某水泥集团公司 窑水泥熟料自动 化生产线电气控制系统的设计为背景，详细地介绍 近年来我国水泥工业保持持续快速发展的势 了ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现 总线拱 哇 钱中的应用。 头，到２００８年全国水泥总产量已达到１４亿ｔ。随着 水泥工业生产中自动化、节能化和大型化新型技术 １水泥熟料生产线控制系统的总体设计和硬件组成 应用的普及，越来越多的自动化设备，如传感器、控 １．１水泥熟料生产线的工艺过程 制器、驱动器等应用到水泥生产的控制现场中来。 水泥熟料生产线的工艺过程见图１，可见，一条 因此，通信和数据流高速传输的实现就成为现场电 水泥熟料生产线由一系列连续而且复杂的工艺过程 气传动和控制中一个关键环节。现场总线技术现已 组成，其控制过程的复杂性具体表现在以下几个方 经常地用于现场自动化设备之间实现双向、高速、全 面：多变量、多参数系统，影响传动系统的因素很多， 数字化的实时通信。目前，现场总线存在着各种各 例如张力、速度、电流、电压、负载等；交流电动机的 样的网络标准，这些网络大多是严格保密且互不兼 非线性；负载的不确定性等。 容的；而ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线标准是一种开放的、不 １．２控制系统的体系结构 依赖于生产厂家的通信系统标准，现已经成为德国 根据水泥熟料生产线的工艺过程、设备特点和 国家标准ＤＩＮ１９２４５和欧洲标准ＥＮ５０１７０。ＰＲＯＦＩ— 控制要求；我们进行了控制体系结构的综合比较和 ＢＵＳ作为一种成熟的现场总线已经广泛地应用于过 分析，确定了在窑尾预热器、窑头篦冷机等热工测控 程自动化、加工工业及其它自动化控制场合。 点集中的区域及原料立磨、原料调配秤等数据量较 广一一一一一一一一一一一一一一一一Ｉ广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一１ 未葬ｌ＿＿＇１砉薯 分解Ｈ煅烧Ｈ糍 嚣 图１水泥熟料生产线的工艺过程 一６０一 水 工 大的配套设备中采用现场总线方案。这样就可以充 分发挥现场总线技术的优势和特点，减少大量隔离 器、端子柜、Ｉ／Ｏ模块、电缆和电缆桥架，提高信号的 测量、传送和控制精度，增强控制系统运行的可靠 性、稳定性和安全性。采用ＰＬＣ作为现场的主控制 器，通过其ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线接口引出ＰＲＯ ＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线与现场的各现场总线控制设备相 连。上位机选用工控机，通过ＰＬＣ相应接口与上位 本系统采用功能强大、软件功能丰富的Ｓ７—３００ 系列ＰＬＣ￥７３１５—２ＤＰ作为控制核心并作为ＰＲＯＦＩ． ＢＵＳ—ＤＰ网络的主站，由远程分布式Ｉ／Ｏ ＥＴ２００Ｍ、变 频器、人机界面等组成ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线网 络的各个从站。交流变频器采用西门子公司具有高 性能矢量控制技术的ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４系列变频调 速器中的ＭＭ４４０，用于窑尾喂料等电气传动点的驱 动和控制。ＭＭ４４０系列变频器的低速高转矩输出 工控机相连，上位机部分使用ＴＣＰ／ＣＰ通信协议，以 和良好的动态性能能够很好满足生产线喂料的传动 便实现车问级与厂级、公司级的上层网络连接，将工 控制，变频器带有ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ通信功能的ＰＲＯ． 业以太网作为控制层的主干网，它作为企业局域网 ＦＩＢＵＳ模板。工控机选用研华公司ＩＰＣ ６１０作为现 的组成部分接入企业的ｌｎｔｒａｎｅｔ。这样，就可以将水 场的操作站和工程师站。上位机监控组态软件使用 泥企业的现场设备层、控制层、管理层集成起来，进 了ＷＯＮＤＥＲＷＡＲＥ公司的组态软件ＩＮＴＯＵＣＨ。利 行分散控制、集中控制和信息综合处理。水泥工业 用在上位机安装的组态软件可以实现与下位机 自动化生产线的网络体系结构如图２所示，可见，整 （Ｓ７—３００ ＰＬＣ）和底层网络（ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线 个水泥自动化生产线是一个比较典型的现场总线控 网络）的双向、高速数据通信，通过ＩＮＴＯＵＣＨ组态软 制系统（ＶＣＳ），可以实现整个水泥工业生产的管控 件还能够实现关键工艺参数的设定、工艺流程、图表 一体化。 显示和故障报警等。另外工控机通过在它的ＰＣＩ扩 １．３水泥熟料生产线控制系统的硬件设计 展槽加装工业以太网卡ＣＰ１６１３，可实现与上一级网 络工业以太网的连接。对应于生料系统控制和回 转窑控制由两台￥７３１５—２ＤＰ ＰＬＣ分别进行控制，该 控制系统的硬件组成框图，见图３。 ２ ＰＲｏＦＩＢＵＳ现场总线网络通信的实现 工业以太网 ２．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ的协议结构和传输技术 ２．１．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ的协议结构 现场监控 ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议根据应用特点分为ＰＲＯＦＩ— ＢＵＳ—ＤＰ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ和ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＰＡ三个 互相兼容的模块，ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议的结构是根据 ＩＳ０７４９８国际标准以开放式系统互联网络（ＯＳＩ，即 现场总线设备 Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）作为参考模型的。 图２水泥工业自动化生产线的网络结构 ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ使用第１层，第２层和用户接 操作站／工程师站 ＥＴ２ＯＯＭ配料 ＥＴ２００Ｍ原料磨 ＥＴ２００Ｍ煤磨 ＥＴ２００Ｍ篦冷机 ＥＴ２００Ｍ窑尾 触摸屏 变频器 图３水泥熟料生产线控制系统的硬件组成 水滩工程 卜 口，而第３层到第７层则没有描述，这种流体型结构 确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像 （ＤＤＬＭ。ｄｉｒｅｃｔ ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｍａｐｐｅｒ）提供易于进入第２ 层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不 同设备可以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 ＲＳ一４８５传输技术或光纤。 线采用带屏蔽的铜芯双绞线作为传输介质，传输速 率为３ Ｍｂｉｔ／ｓ。在两个ＰＬＣ主机架上分别插装了多 块３２通道ＤＩ模块、３２通道ＤＯ模块可实现窑头、窑 尾各开关量、模拟量的检测和控制功能。在控制点 比较集中的部分，配置了多个远程分布式Ｉ／Ｏ模块 ＥＴ２００Ｍ，现场Ｉ／Ｏ信号直接输入Ｉ／Ｏ模块，ＣＰＵ通过 ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络可像操作普通Ｉ／Ｏ一样对 ２．１．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ的传输技术 ＥＴ２００Ｍ进行操作。ＥＴ２００Ｍ主要用于窑头、窑尾现 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用 场温度及压力变送器、流量计信号的采集、检测、电 的传输技术。既要考虑一些总的要求（传输的可靠， 机启停、状态检测和普通的逻辑控制、顺序控制等。 传输的距离和高速）又要考虑一些简便而又费用不 下面以ＭＭ４４０为例，介绍其与ＰＬＣ基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ 大的机电因素。当涉及过程自动化时，数据和电源 现场总线的通信。 的传送必须在同一根电缆上。由于单一的传输技术 ２．３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ通信协议的报文结构 不可能满足所有的要求，因此ＰＲＯＦＩＢＵＳ提供以下 变频器ＭＭ４ｄ０与ＰＬＣ通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络 三种类型：ＤＰ和ＦＭＳ的ＲＳ一４８５传输，ＰＡ的 进行总线通信，必须加插ＰＲＯＦＩＢＵＳ模板。变频器 ＩＥＣ１１５８—２传输和光纤（ＦＯ）传输。ＤＰ／ＦＭＳ使用 通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ模板上的９针ＳＵＢ—Ｄ型总线插座可 ＲＳ一４８５，这是工程实践中使用最广泛的传输技术， 以很方便地连接到ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线网络中 网路拓扑使用线性总线，两端带有有源的总线终端 去。ＰＬＣ通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络传送控制字和读 电阻。传输速率从９．６Ｋｂｉｄｓ到ｌ２Ｍｂｉｄｓ，传输介质 取状态字实现对各个驱动器的驱动和控制。例如， 采用带屏蔽的双绞电缆，对抗干扰要求不高时也可 周期性报文的灵活配置，在传动装置之间直接通信， 取消屏蔽。每段网最多３２个站，使用中继器则可以 操作屏ＯＰ作为ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ主站等。ＰＬＣ与变频 扩展到多达１２７个站。 器的通信是通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ模板传送周期数据中的 ２．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络主站、从站的通信功能 参数过程数据对象（ＰＰＯ，即Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ 在本水泥熟料生产自动化控制系统中，西门子 Ｏｂｊｅｃｔ）来实现的。ＰＰＯ包含参数通道（ＰＫＷ）和过 ￥７３１５—２ＤＰ ＰＬＣ作为ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络主站。通 程通道（ＰＺＤ）两个有用用户数据传输部分。参数通 过其ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ接口连接了变频器、远程分布 道ＰＫＷ通常为４个字，过程通道ＰＺＤ为２～１０个字 式Ｉ／Ｏ ＥＴ２００Ｍ和人机界面（触摸屏）等。通过ＰＲＯ． 且优先级高于参数通道。ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ通信协议 ＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络，完成电气传动点的速度设定、速度 的报文结构，见图４。 调整以及工作运行状态监视等功能。ｓ７—３００ ＰＬＣ ＰＫＷ区允许参数值的读、写和参数描述的读 内置了ＭＰＩ和ＤＰ通信接口，ＭＰＩ接口和加装了 出，如最大频率、基本频率、加／减速时间等。ＰＬＣ通 ＣＰ５６１１通信处理器的上位机可以构成了ＭＰＩ网络， 过这种方式可以设置和监控变频器的参数。ＰＺＤ区 而ＤＰ接口则可以使ＰＬＣ直接上ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总 包含了从ＰＬＣ到变频器的信号，如过程控制所需的 线网络。在总线传输方式上，ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总 控制字和设定值等；或从变频器到ＰＬＣ的状态字和 ＰＫｗ一参数识别标记；ＰｚＤ一过程数据；ＰＫＥ一参数识别；ＩＮＤ一标号；ＰｗＥ一参数值 图４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ协议的报文结构 一６２一 水 工程 实际值，如电流反馈值、速度反馈值等。西门子公司 的变频传动概要定义了５种ＰＰＯ类型（ＰＰＯ１～ ＰＰＯ５），ＭＩｃＲ０ＭＡｓＴＥＲ４系列变频器仅支持ＰＰＯ１ 和ＰＰ０３。 器与西门子ＰＬＣ基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线网络的双 向数字、高速、实时通信。具体的通信程序限于篇幅 这里不再给出。 ３结语 ２．４ ＰＬＣ与变频器ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ通信的实现 ２．４．１ ＳＴＥＰ７中变频器的硬件组态 （１）由于在水泥熟料生产线控制系统的设备层 采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线技术，相对于原有的集 打开西门子编程环境ＳＴＥＰ７进人硬件组态 （Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ）界面，在目录（Ｃａｔａｌｏｇ）中选择 中控制方式本系统主要有以下优点：现场信号电缆、 接线端子排大量减少，减轻了接线、查线的负担，方 便了线路的维护；由于所有的测控信息通过总线通 信来实现，全数字通信取代了模拟信号的传输，提高 了系统的控制精度；现场层的部分设备具有自我控 ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４将其添加到ＰＲＯＦＩＢＵＳ～ＤＰ总线 网络中并为之分配唯一的总线地址。用户数据结构 ＰＰＯ类型选择ＰＰ０３（０ＰＫＷ，２ＰＺＤ）并可为每个ＤＰ 从站设定其过程映像输入、输出通道的地址。 ２．４．２变频器的通信参数设定 实现ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４变频器与ＰＬＣ的通信还 须设定变频器与总线通信相关的系统参数。这些参 数主要有：Ｐ７００（选择命令源）＝６（ＣＯＭ链路的通信 板设置）；Ｐ１０００（频率设定值的选择）＝６（通过ＣＯＭ 制功能，ＰＬＣ只需要协调从站设备之间的工作，减轻 了主控制器ＰＬＣ的程序负担；ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总 线标准已经是流行的工业标准之一，只要符合该协 议具有相应接口的现场设备都可接入该系统，方便 了系统的维护和扩展，从而使系统的开放性和可维 护性增强。 链路的通信板设定）；Ｐ９１８（总线地址）等。总线地 址可以由用户输入设定（设定值为１～１２５），也可由 ＰＲＯＦＩＢＵＳ模板上的ＤＩＰ拨码开关来设定。并且 ＤＩＰ开关设定的值不为０的话由ＤＩＰ开关设定的值 优先。应注意的是，由Ｐ９１８设定的地址或由ＤＩＰ开 关设定的地址必须同硬件组态中给变频器分配的总 线地址一致。 ２．４．３变频器与ＰＬＣ总线通信程序的编写 通信程序的编写主要包括：读取变频器的状态 （２）本水泥熟料生产线控制系统投入运行后， 系统运行安全、稳定、可靠，能够满足水泥工业生产 所需的各项工艺技术指标，取得了比较明显的经济 效益和社会效益。 参考文献 【１】张还，李胜多．可编程序控制器原理及过程控制【Ｍ】．北 京：电力工业出版社．２００８：２１３—２２６ 字提取其中的故障位来确定变频器的工作状态；故 障的确认复位；在非故障及急停状态下联动线启动 后置位启动标志位；启动标志位置位后写变频器运 行参数，变频器运行后读变频器运行参数等。 通过以上步骤就可实现ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４变频 【作者简介】张还（１９７４一），男，硕士研究生，讲师，毕业于 武汉理工大学。研究方向为现场总线和电气传动技术。 （编辑：沈新）（收稿日期：２００９—０８—０４） （上接第５２页） （２）进料口由原来的螺栓连接改为活动连接， 例如采用砂封形式（如图３）。 进料溜槽 ４结语 （１）通过上述措施改造后，２台ＦＵ２７０拉链机运 行平稳，安全可靠；而且所采取的上述改造方法简单 砂 又易操作，因而节约了维修时问和维修费用。 （２）以上案例，是拉链机在输送高温物料上容 进口法兰 易出现的典型故障类型。同样遇到该问题的几家水 机壳 泥厂，也都采用了我公司改造方法，效果显著，故值 得推广。 （编辑：刘翠荣）（收稿日期：２０１０－０３—２３） 图３螺栓连接采用砂封形式 水淀工疆 一６３—
