王林杰

甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，甘肅天水 741025

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。FCS作為新一代控制系統(tǒng)，使用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的、具有互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)控制器和儀表及儀表設(shè)備互聯(lián)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維修費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)上是一種開(kāi)放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。

目前，國(guó)際上已知的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場(chǎng)總線有：FF，Profibus，LonWorks，CAN，HART，CCLINK等。本文Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線為例，分析了基于德國(guó)西門子公司S7系列PLC的分布式控制系統(tǒng)的構(gòu)成。

1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，并于2006年被定為我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20540.6-2006。

目前，在多種自動(dòng)化的領(lǐng)域中，Profibus占據(jù)主導(dǎo)地位，全世界的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)超過(guò)2000萬(wàn)。基于Profibus-PA、Profibus-DP、Profibus-FMS，形成兼容性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。尤其是關(guān)于Profibus-DP，具有高速率、低成本的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之中，旨在完成I/O和控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸。

Profibus的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長(zhǎng)至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

2 關(guān)于西門子Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建

關(guān)于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建，主要基于三級(jí)網(wǎng)路平臺(tái)，依托Profibus-DP/PA控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的底層自動(dòng)化。同時(shí)，構(gòu)建Profibus-DP/PA控制系統(tǒng)，可以有效地將車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)，運(yùn)行于數(shù)字化的通信網(wǎng)路環(huán)境之下。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)平臺(tái)主要基于傳感器、I/O、開(kāi)關(guān)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備系統(tǒng)的連接，以完成相關(guān)系統(tǒng)平臺(tái)的控制或連鎖控制。其中，主站旨在保障通信的有效性，以及所有子線路的通信管理。而且，關(guān)于總線路段的設(shè)備生產(chǎn)，其控制工藝需要儲(chǔ)存至主站之中，以便于主站的執(zhí)行管理。

2.2 車間監(jiān)控層

對(duì)于各車間的設(shè)備連接，需要依托于車間級(jí)監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，諸如車間的各生產(chǎn)線，在主控制器的連接下，構(gòu)建車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。在進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建中，主要針對(duì)設(shè)備的在線監(jiān)控、故障的維護(hù)等方面，實(shí)現(xiàn)車間各生產(chǎn)線的安全運(yùn)行。同時(shí)，針對(duì)車間生產(chǎn)線的需求，可以構(gòu)建關(guān)于生產(chǎn)調(diào)度或生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的管理功能，以完善監(jiān)控層性能。而在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，主要基于Profibus-FMS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的多主網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以達(dá)到控制管理信息的大容量傳輸。

2.3 工廠管理層

關(guān)于工廠管理層，主要基于集線器和管理網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間相關(guān)信息的傳輸，以達(dá)到各車間的管理。車間管理系統(tǒng)也是總線的一個(gè)子線，由經(jīng)交換機(jī)、路由器，進(jìn)行產(chǎn)區(qū)核心網(wǎng)絡(luò)的連接，進(jìn)而對(duì)各車間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理。而對(duì)于車間管理網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)，主要基于IEC802.3TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通信信息的傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

3 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用實(shí)例

3.1 空調(diào)自控系統(tǒng)的功能要求

一般要求監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳顯示、存儲(chǔ)、檢索、打印等功能；歷史數(shù)據(jù)的查詢顯示、存儲(chǔ)、檢索、打印等功能；空調(diào)機(jī)組多種執(zhí)行器，電磁閥的控制功能；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及空調(diào)機(jī)組多點(diǎn)溫、濕度、壓力、風(fēng)速等參數(shù)的采集，顯示功能；空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能；空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻控制功能；消防連鎖與保護(hù)功能等。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅具備基本邏輯控制功能，還應(yīng)具有聯(lián)網(wǎng)通信功能和管理功能等。另外它工作穩(wěn)定、故障率低，并能進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，操作及維護(hù)十分簡(jiǎn)便，維修綜合成本、待機(jī)時(shí)間等大大降低，能完全達(dá)到系統(tǒng)溫、濕度全年自動(dòng)控制和無(wú)人值守的目的。

3.2 關(guān)于監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

基于車間生產(chǎn)需求，監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要如下：在集中控制室內(nèi)設(shè)一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作、運(yùn)行和監(jiān)控，并裝設(shè)CP1613通訊處理器與100M以太網(wǎng)連接，能監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，并能對(duì)所監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、打印，設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。計(jì)算機(jī)向下可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)處理器CP343-1連接CPU315-2DP，以構(gòu)建主站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而其運(yùn)行的程序控制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)各分站系統(tǒng)的信息交換，起到重要的重要。同時(shí)內(nèi)部通信采用Profibus-DP總線，可以連接若干個(gè)DP分站?？照{(diào)機(jī)組各參數(shù)由S7-200PLC進(jìn)行監(jiān)控。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案

關(guān)于軟件編程主要基于SIMATIC S7-300，在其配套的STEP 7 V5.4軟件包下，完成硬件各組態(tài)、參數(shù)的設(shè)置，以及PLC程序的編程、測(cè)試或調(diào)配。而且，STEP7在Windows環(huán)境下，其運(yùn)行的界面和組態(tài)比較流暢和方便，可以有效地實(shí)現(xiàn)各硬件參數(shù)的設(shè)置，以及網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行配置。同時(shí)，S7-200 PLC軟件系統(tǒng)，基于STEP7-MicmWIN32 V3.1的西門子編程工具，在方式方法上與STEP7類似。采用西門子專用觸摸屏組態(tài)工具Protool V6.0對(duì)TP170A組態(tài)。

本系統(tǒng)的人機(jī)界面利用西門子公司的SIEMENS Wincc7.0軟件設(shè)計(jì)，其界面友好，操作簡(jiǎn)單，有優(yōu)良的開(kāi)放性，上位軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，并提供豐富的API編程接口，方便其它系統(tǒng)的接入。

4 結(jié)論

基于Profibus -DP，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備網(wǎng)速快、性能高、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于相關(guān)級(jí)層的設(shè)備安裝、維修帶來(lái)極大的便利。同時(shí)，基于其高穩(wěn)定性，提高了車間各線路的生產(chǎn)效力和管理效率。而且基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，可以在用戶要求下，實(shí)現(xiàn)各種形式和規(guī)模的擴(kuò)展。

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