淺析DCS與PLC通信

彭 凱

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽，414002）

科技的進步、現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷促進自動化控制技術(shù)和通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。工廠自動化水平和電子通信水平得到進一步的提高，越來越多的現(xiàn)代化企業(yè)廣泛應(yīng)用DCS系統(tǒng)完成生產(chǎn)線的控制和操作，由于生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)廠商不同，需要整合其他控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)DCS對整個生產(chǎn)線所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測控制和操作。本文就岳陽林紙股份有限公司岳陽分公司化機漿事業(yè)部化機漿2#線PRC工段（以下簡稱化機漿2#線）的控制系統(tǒng)，介紹DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)如何實現(xiàn)通信。

1 控制系統(tǒng)介紹

化機漿2#線為岳陽林紙2001年引進的奧地利安德里茨（Andritz）公司PRC-APMP制漿生產(chǎn)線。PM8紙機為美卓（現(xiàn)維美德）紙機，兩條生產(chǎn)線的DCS均采用METSO DNA系統(tǒng)。

化機漿2#線有5臺盤磨機，分別為一段高濃磨、二段高濃磨、雙盤磨及渣漿磨，其控制均由安德里茨的Refiner Commander盤磨PLC控制系統(tǒng)控制。一、二段高濃磨的控制系統(tǒng)為西門子PLC S7-400；雙盤磨及渣漿磨的控制系統(tǒng)為西門子PLC S7-300。

DCS與PLC之間數(shù)據(jù)交換是采用Profibus DP通信協(xié)議。由于DCS和PLC系統(tǒng)均為通信主站，故通信是通過DP/DP耦合器來實現(xiàn)的。DCS與PLC通信對于化機漿2#線至關(guān)重要。一段盤磨PLC與DCS系統(tǒng)間通信具體介紹如下。

2 硬件組態(tài)

2.1 DCS系統(tǒng)側(cè)硬件組態(tài)

DCS側(cè)有一臺LINK站，LINK站下掛7個DP/DP耦合器用于盤磨控制系統(tǒng)通信。DP1、DP2用于和一段高濃磨通信；DP3、DP4用于和二段高濃磨通信；DP5用于和3#雙盤磨通信，DP6用于和4#雙盤磨通信、DP7用于和渣漿磨通信。

DCS側(cè)DP1組態(tài)116字節(jié)（bytes）（16×7+4）輸入和128字節(jié)（bytes）（16×8）輸出；DCS側(cè)DP2組態(tài)180字節(jié)（bytes）（16×11+4）輸入和64字節(jié)（bytes）（16×4）輸出。

2.2 PLC側(cè)硬件組態(tài)

盤磨PLC S7-400控制系統(tǒng)，由遠程I/O從站，Profibus現(xiàn)場總線和觸摸屏組成。S7-400系統(tǒng)使用是CPU 416-2，它集成了Profibus DP接口，連接到ET200S的遠程I/O模塊。通過DP/DP耦合器連接到DCS系統(tǒng)?，F(xiàn)場觸摸屏通過MPI連接到CPU上。CPU下掛兩個DP/DP耦合器，DP3（對應(yīng)于DCS側(cè)DP1）、DP4（對應(yīng)于DCS側(cè)DP2）。耦合器DP3 PLC側(cè)組態(tài)硬件地址從PQW512到PQW627共58字（words）=116字節(jié)（bytes）（16×7+4）輸出，組態(tài)硬件地址從PIW512到PIW639共64字（words）=128字 節(jié)（bytes）（16×8）輸入。耦合器DP4 PLC側(cè)輸出組態(tài)硬件地址PQW640到PQW767和PQW768到PQW819共90（=64+26）字（words）=180字節(jié)（bytes）輸出，耦合器DP4 PLC側(cè)輸入組態(tài)硬件地址PIW640到PIW703共32字（words）=64字節(jié)（bytes）輸入。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

以下根據(jù)《Andritz盤磨控制系統(tǒng)手冊S3000-Re?vision 0》對程序?qū)崿F(xiàn)進行介紹。

3.1 PLC側(cè)DP1對程序塊DP_COUPLING（FB76）的調(diào)用

接口方框圖如圖1所示。

圖1 接口方框圖Fig.1 Block schematic of interface

3.2 數(shù)據(jù)傳輸工作原理

3.2.1 數(shù)據(jù)從S7到DP/DP耦合器傳送①過程數(shù)據(jù)寫入作為連續(xù)數(shù)據(jù)庫的DB500中。

②寫數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)位X.0作為一個“HEAT?BEAT”信號（2 s間隔）；數(shù)據(jù)位X.1是一個“AL?WAYS ON”的信號。

③寫入數(shù)據(jù)區(qū)域復(fù)制到用于連接DP/DP-耦合器的S7 PLC的輸出Axxx外圍區(qū)域。字節(jié)被交換（低字節(jié)和高字節(jié)交換）。

3.2.2 數(shù)據(jù)從DP/DP耦合器到S7傳送

從用于連接DP/DP-耦合器的S7 PLC的輸入Exxx外圍區(qū)域讀取數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)被交換（低字節(jié)和高字節(jié)交換）。

檢查數(shù)據(jù)位X.0（“HEATBEAT”）信號和數(shù)據(jù)位X.1（“ALWAYS ON”）信號，如果沒有檢測到脈沖信號或者“ALWAYS ON”信號為0，則為通信總線故障，默認的數(shù)據(jù)就會送到讀數(shù)據(jù)區(qū)域。

3.3 功能塊介紹

圖2為功能塊。

圖2 功能塊Fig.2 Function block of interface

輸入Inputs：

PIW_BEG：硬件組態(tài)中的輸入起始地址

PIW_RANGE：從DP/DP耦合器中讀數(shù)據(jù)“字”的數(shù)量（最大244字節(jié)）

PQW_BEG：硬件組態(tài)中的輸出起始地址

PQW_RANGE：DP/DP耦合器中寫入數(shù)據(jù)“字”的數(shù)量（最大244字節(jié)）

TAKE_DEF：如果為1-則復(fù)制默認值

NO_FUNCT：如果為1-則沒有數(shù)據(jù)交換建立連接

DB_NAME：數(shù)據(jù)塊名稱（例如：DB500）

DB_D_BEG：默認值數(shù)據(jù)塊起始地址（按字節(jié)算）

DB_I_BEG：讀入數(shù)據(jù)起始地址（按字節(jié)算）DB_Q_BEG：寫出數(shù)據(jù)起始地址（按字節(jié)算）SWAP_BYTE：交換高低字節(jié)

輸出Outputs：

FIX_DP：來自發(fā)送站的數(shù)據(jù)位X.1（“ALWAYS ON”）信號

HEARTBEAT_IN：來自發(fā)送站的位X.0（脈沖信號）

HEARTBEAT_OUT：數(shù)據(jù)位X.0（脈沖信號）發(fā)送給其他站

BUS_FAULT：檢測到通信總線故障

3.4 PLC側(cè)具體程序?qū)崿F(xiàn)

與上文中PLC側(cè)硬件組態(tài)一致，輸入地址從PIW512開始，長度為64個字（Words）；輸出地址從PQW512開始，長度為58個字（Words）。所有輸入輸出的數(shù)據(jù)均存放在DB500里，對應(yīng)輸入地址從DB500.DBX300.0開始，對應(yīng)輸出地址從DB500.DBX0.0開始。

PLC側(cè)DP2調(diào)用了程序塊DP_COUPLING，與PLC側(cè)硬件組態(tài)一致，輸入地址從PIW640開始，長度為32個字（Words）；輸出地址從PQW640開始，長度為90個字（Words）。所有輸入輸出的數(shù)據(jù)均存放在DB500里，對應(yīng)輸入地址從DB500.DBX1300.0開始，對應(yīng)輸出地址從DB500.DBX1000.0開始。

4 DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)通信實例

4.1 數(shù)據(jù)由PLC傳送給DCS實例

圖3為DCS輸入塊。如圖3所示，一段磨功率信號20EI-4108為輸入信號，其通信地址為：Profibus I/O 2:2:82，“Profibus I/O”為現(xiàn)場總線輸入/輸出，第1個數(shù)字“2”為FBC地址，即DCS系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制器FBC地址；第2個數(shù)字“2”表示對應(yīng)的DP/DP耦合器DCS側(cè)的地址，也就是DP2；第3個數(shù)字“82”，表示第82個字節(jié)；Profibus I/O 2:2:82表示現(xiàn)場總線控制器FBC所帶的DP2從站的第82個字節(jié)。DNA scale為一段磨功率量程0～22.7 MW對應(yīng)的輸入字的量程0～27648。

圖3 DCS輸入塊Fig.3 Input block of DCS

一段磨功率信號在PLC側(cè)對應(yīng)為輸出信號，由于上文DP2中“對應(yīng)輸出地址從DB500.DBX1000.0開始”，所以其對應(yīng)的地址就應(yīng)該在1000的起始地址上加82，即DB500.DBW(1000+82)也就是DB500.DBW1082。

4.2 數(shù)據(jù)由DCS送給PLC實例

DCS程序里，側(cè)喂料功率信號20EI-4004為輸出信號，其通信地址為：Profibus I/O 2:1:106，第1個數(shù)字“2”為FBC地址，為DCS系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制器FBC地址；第2個數(shù)字“1”表示對應(yīng)的DP/DP耦合器DCS側(cè)的地址，也就是DP1；第3個數(shù)字“106”，表示第106個字節(jié)；Profibus I/O 2:1:106表示現(xiàn)場總線控制器FBC所帶的DP1從站的第106個字節(jié)。

在PLC側(cè)對應(yīng)的地址如下，由于前文DP1中“對應(yīng)輸出地址從DB500.DBX300.0開始”，所以其對應(yīng)的地址就應(yīng)該在300的起始地址上加106，即DB500.DBW(300+106)也就是DB500.DBW406。

5 確保DCS與PLC通信穩(wěn)定可靠工作的措施與優(yōu)化

通過長期對DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的維護，保持通信可靠運行。筆者認為有必要做好以下幾方面的工作。

①PROFIBUS總線電纜接線布線要規(guī)范，屏蔽層牢靠（本項目中由于通信距離不長，采用雙絞線連接）。

在將PROFIBUS總線電纜屏蔽層壓在DP插頭的金屬部分時，特別需要注意屏蔽層不要剝開的太長，否則會暴露在空間中，成為容易受干擾的點。

②PROFIBUS總線電纜的屏蔽層在進出機柜時，均應(yīng)該進行屏蔽層接地處理；屏蔽層應(yīng)該保證與接地銅排大面積接觸。

③每個PROFIBUS插頭上，都內(nèi)置了終端電阻，需要時可以接入（On）和切除（Off）。當終端電阻設(shè)置為“On”時，表示一個物理網(wǎng)段的終結(jié)，因此連接在出線端口“Out”后面的網(wǎng)段的信號也將被中斷。因此，在每個物理網(wǎng)段兩個終端站點上的插頭，需要將網(wǎng)線連接在進線口“In”，同時將終端電阻設(shè)置為“On”，而位于網(wǎng)段中間的站點，需要依次將網(wǎng)線連接在進線口“In”和出線口“Out”，同時將終端電阻設(shè)置為“Off”[1]。

④PROFIBUS DP接線必須要按照DP接線要求來完成，接線要牢固，不得露銅露絲，DP線內(nèi)屏蔽層要與DP頭有可靠良好的接觸[2]。

6 結(jié)語

通過PLC與DCS系統(tǒng)之間的通信，整合其他控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)DCS對整個生產(chǎn)線所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測控制和操作?；瘷C漿2#線運行20年來，PLC與DCS之間的信息傳輸，采用PROFIBUS DP通信性能穩(wěn)定，技術(shù)可靠，已經(jīng)成為當今自動化應(yīng)用領(lǐng)域信號交換的主要手段。