PROFIBUS 网络在连铸机铸流控制系统的应用

韩军亮

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

PROFIBUS 是Process Field Bus 的简称，是按ISO/OSI 参考模型制订的现场总线标准。PROFIBUS（PROCESS FIeld BUS）网络通信的本质是RS485 串口通信，按照不同的行业应用，主要有三种通信行规：DP（Decentralized Peripherals），FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）行规。其中DP 通信的方式在OSI 参考模型中主要使用第1、2、7 层，因此PROFIBUS-DP 网络的通信速度较快，且报文简单，被广泛应用于工业现场总线控制。

1 京唐连铸机铸流系统网络现状分析

首钢京唐炼钢部4 台板坯连铸机铸流控制系统采用西门子S7-400 系列PLC 控制，该系统的主站与从站之间通过PROFIBUS-DP 实现远程通信。坯连连铸机铸流系统主要控制连铸机引锭杆车系统、卷扬系统、调宽系统、扇形段辊道等设备，该系统采用西门子S7-400 系列PLC 控制，主要有PLC01 主柜、LCS03、LCS04、LCS09、REM11、LCS51、MCD32 等远程I/O 控制柜。该系统的主站与从站之间通过PROFIBUS-DP 实现远程通信，铸流系统原有网络拓扑图如图1 所示。

图1 铸流系统原有网络拓扑图

投产运行5 年后板坯连铸机铸流控制系统多次发生DP 网闪断故障造成铸机断浇影响生产，给企业带来巨大经济损失。针对连铸机1 铸流加持辊网络的闪断等故障现象，用DP 网络监测工具PROFITRACE 进行现场测试，测试结果45 号从站电源波形如图2 所示，31—45 号从站电源棒图如图3 所示。

图2 45 号从站电源波形图

图3 31—45 号从站电源棒图

通过检测工具提供的详实全面的数据，可以确认：第一，该网络31—45 号从站工作电压过低，存在安全隐患（正常应为5 V）；第二，从波形图来看，越往后振荡趋势越明显，该网络存在电磁干扰，网络信号衰减严重且故障点具有隐蔽性，不易查找。

根据西门子《PROFIBUS-DP 网络设计使用规范》对连铸机的铸流系统DP 网络进行一次彻底排查，认为铸流系统的网络主要存在以下6 项问题：

（1）PLC 主柜到REM11、LCS09、MCD32 及切割辊道变频器的DP 线缆太长，120 m 左右，长度超过100 m，信号传输过程中出现干扰和信号衰减。投产初期新的DP 电缆未暴露问题，但随着电缆使用时间越长老化越严重，信号传输质量变差越容易出故障。

（2）夹持辊及切割辊道变频器在信号传输过程中经常出现干扰。主要是变频器在运转过程中会对网络产生电磁干扰信号。

（3）变频柜内DP 从站之间、REM11 柜内DP 从站之间DP 线长度小于1 m，违反了1 m 线规则，即若网络通信波特率大于1.5 MBps 时，PROFIBUS-DP 网段上各设备（主站、从站、中继器、有源终端电阻、光电耦合器等）之间通信长度不得小于1 m。

（4）LCS03 与LCS09 之间的DP 线缆违反了布线规则，即信号线与电源线之间布线间距应大于10 cm，实际情况不符合要求。

（5）变频柜内38 个DP 从站之间违反了设备数量规则，PROFIBUS-DP 每一总线段上允许接入设备数量最大为32 个。

（6）PLC01 柜内A300 处、LCS51 触摸屏处以及REM11 柜内A400 处违反终了端电阻规则。即PROFIBUS-DP 网络总线段两端需要设置有源终端电阻，终端电阻供电可由设备自身提供，但是要求此设备不能断电，为方便设备断电维护或移除可添加专用有源终端器。

通过统计排查，每台铸机的铸流系统存在6 种，共计96 项隐患。这些隐患使铸流系统的DP 网络存在不稳定性，严重威胁铸机稳定生产。

2 铸流系统DP 网络改造方案

针对铸流系统存在的问题，并根据该问题的紧迫性，改造的可行性，并兼顾经济效益，确定网络优化方案如下：

（1）传输距离超过100 m 的DP 线缆更换为光纤。改造主要涉及主柜到REM11，LCS09，MCD32，切割辊道变频器，夹持辊变频器共六根，光纤通信具有抗干扰和减少信号衰减。

（2）夹持辊变频器之间的通信介质由DP 线缆改为光纤跳线，提高抗电磁干扰性。将变频器之间的DP 线套上金属软管，增强抗EMI（电磁干扰，Electromagnetic Interference)能力。

（3）改变原来的网络结构，将变频器DP 线用中继器分段，长度超过50 m 的主站到从站之间或者从站之间加装中继器（Repeater）进行信号放大，中继器电源用UPS 供电，减少网络闪断影响面积，增强抗干扰能力。

（4）对不符合1 m 线规则及设备数量规则的DP 网络隐患，利用检修时间用现有设备及材料将现有的DP 线换下，换上新的符合规则的DP 线缆。

（5）整改不符合终端电阻规则及布线间距规则的网段。

另外，对安装到设备上的所有DP 接头进行重新检查，按照西门子标准制作，屏蔽层一定要剥开并与DP 头的屏蔽壳接触，测量DP 头阻值，对性能下降不符合要求的进行更换。

4 结束语

充分利用检修时间和生产间隙，历时5 个月时间完成4 台铸机铸流系统的网络优化改造工作，解决原来工程阶段网络安装中存在的不规范问题，加强总线系统的整体抗干扰性能。同时网段上的划分使得网络结构更加清晰简洁，有利于故障点的判断，降低网络故障影响范围。另外，通过工程改造锻炼，现场维护工程师积累经验，提高运行维护能力，缩短排故时间，也总结出一套对于现场运维非常具有指导意义的DP 网管理办法。网络优化后运行至今大大减少因网络闪断故障造成的铸机停机事故，保障炼钢工序生产稳定运行，给企业带来巨大经济效益。