田海，張勇

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

控制網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)發(fā)展和融合的網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制技術(shù)。當(dāng)今工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正朝著數(shù)據(jù)集成化、通訊網(wǎng)絡(luò)化、控制分散化和節(jié)點(diǎn)設(shè)備智能化的特征方向發(fā)展。由于技術(shù)發(fā)展的歷史原因，再加上市場(chǎng)利益的作用，目前，自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)有多種體系結(jié)構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時(shí)存在，隨之而產(chǎn)生了大量的支持不同通訊協(xié)議的智能設(shè)備，這種局面使具有智能接口設(shè)備的互連互操作遇到了障礙，導(dǎo)致了所謂的自動(dòng)化系統(tǒng)“信息孤島”現(xiàn)象，并且多種公開(kāi)協(xié)議并存的局面在短時(shí)間內(nèi)很難改變?！跋到y(tǒng)集成”成為當(dāng)前制約控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)要求高爐渣?；O(jiān)控系統(tǒng)要提供一套分散性和開(kāi)放性較好的網(wǎng)絡(luò)通訊方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“無(wú)縫融合”。結(jié)合各工藝環(huán)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的接口現(xiàn)狀和分散性，監(jiān)控系統(tǒng)總體方案采用多協(xié)議、多級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集成的方式，滿(mǎn)足從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過(guò)程監(jiān)控層到企業(yè)管理層不同層面控制通訊的需求。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 網(wǎng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件配置

2.1 過(guò)程監(jiān)控層

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分散性較強(qiáng)，具有較明顯的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制特征，所以設(shè)計(jì)要求選擇一種實(shí)時(shí)性、公開(kāi)性和集成性較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，對(duì)于支持其它協(xié)議的智能設(shè)備通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式將數(shù)據(jù)集成到該現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。通過(guò)對(duì)行業(yè)內(nèi)目前流行的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)各方面性能進(jìn)行綜合評(píng)估，最終選定Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，Profibus-DP(簡(jiǎn)稱(chēng)為DP)是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程I/O的一種通訊協(xié)議，特別適用于 PLC與現(xiàn)場(chǎng)分散式I/O間的通訊[2]。西門(mén)子PLC以其軟件功能豐富、硬件系列齊全、可靠性高，特別是組網(wǎng)能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，所以DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的中央控制器采用西門(mén)子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品S7－300PLC，型號(hào)為CPU315－2DP，以其自身集成的 DP通訊口作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)主站。

高爐渣?；?chē)間的過(guò)程監(jiān)控PC機(jī)與主站CPU315－2DP采用MPI(Multi-point Interface)通訊。MPI是一種低成本、用法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的網(wǎng)絡(luò)解決方案，適用于小范圍、少數(shù)站點(diǎn)間對(duì)通訊速率要求不高，通訊數(shù)據(jù)量不大的一種通訊方式，是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用通訊協(xié)議(非公開(kāi)協(xié)議)。MPI接口是CPU315－2DP本機(jī)集成的通訊接口，主要用于硬件組態(tài)、編程，也可以在不增加其它軟硬件開(kāi)銷(xiāo)的情況下利用該通訊口構(gòu)成MPI數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)該過(guò)程監(jiān)控層所需監(jiān)控組態(tài)數(shù)據(jù)量的測(cè)算，在滿(mǎn)足控制實(shí)時(shí)性并留有足夠裕量的情況下，MPI網(wǎng)絡(luò)完全可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通訊需求。所以該部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊采用MPI方式，過(guò)程監(jiān)控PC機(jī)通過(guò)CP5611網(wǎng)卡與 CPU315－2DP的 MPI口直接連接，在監(jiān)控PC機(jī)內(nèi)通過(guò)Wincc7.0組態(tài)軟件對(duì)CPU315－2DP內(nèi)數(shù)據(jù)的變量連接和組態(tài)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的檢測(cè)、控制、報(bào)警、故障判斷、打印報(bào)表和查詢(xún)等功能[3]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分為以下四種情況，分別采取不同的數(shù)據(jù)集成方式。

(1)不帶通訊接口的設(shè)備。通過(guò)合理的區(qū)域劃分，在設(shè)備就近處設(shè)立若干個(gè)由ET200M和相應(yīng)S7－300系列擴(kuò)展模塊組成的分散I/O站，直接面向現(xiàn)場(chǎng)采集和輸出信號(hào)。各遠(yuǎn)程I/O通過(guò)接口模塊IM153接入 Profibus-DP總線(xiàn)，在 STEP7中通過(guò)硬件組態(tài)使其成為DP總線(xiàn)的從站。由數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸方式，極大的減少了故障隱患和系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并可以充分利用Profibus進(jìn)行故障診斷。

(2)支持DP通訊協(xié)議的設(shè)備。對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)DP通訊接口且支持Profibus協(xié)議的設(shè)備，通過(guò)各自的Profibus-DP通訊板直接接入DP網(wǎng)絡(luò)，在STEP7中導(dǎo)入相應(yīng)的GSD(General Station Description)文件通過(guò)硬件組態(tài)成為該P(yáng)rofibus-DP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)從站。

(3)支持Modbus通訊協(xié)議的設(shè)備。Modbus是目前全球工業(yè)領(lǐng)域最流行的通訊協(xié)議之一，是一種主/從方式的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。針對(duì)本系統(tǒng)中Modbus到Profibus數(shù)據(jù)集成方式可以有以下幾種參考方案。方案一:通過(guò)S7－200PLC集成。在西門(mén)子系列PLC中只有S7－200PLC中配備了 Modbus RTU通訊協(xié)議[4]，文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)介紹了以S7－200PLC作為主站構(gòu)成 Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)配置和主站軟件的設(shè)計(jì)方法。但在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)將Modbus設(shè)備數(shù)據(jù)集成到S7－200PLC中后，還需將數(shù)據(jù)再集成到 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，所以除了配置 S7－200PLC(Modbus網(wǎng)絡(luò)中作主站)還需加裝EM277通訊模塊(DP網(wǎng)絡(luò)中作從站)，硬件配置成本較高，同時(shí)S7－200PLC作為 Modbus網(wǎng)絡(luò)主站的通訊軟件開(kāi)發(fā)也有一定的難度，所以不采用該方法。方案二:通過(guò)CP341通訊模塊集成。在中央控制器CPU315－2DP主機(jī)架的擴(kuò)展槽位上裝載 CP341點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊模塊，另外購(gòu)買(mǎi)Modbus RTU協(xié)議驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)完成與現(xiàn)場(chǎng)Modbus設(shè)備的通訊，該方案軟、硬件的投資成本較高，并且CP341通訊模塊沒(méi)有配置于現(xiàn)場(chǎng)，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)分散性的設(shè)計(jì)要求，故放棄了該方案。方案三:通過(guò)ASCII Driver協(xié)議的中間轉(zhuǎn)換方法。該方案也需增設(shè)CP341通訊模塊，通過(guò)軟件編程的開(kāi)發(fā)方法，使用集成在 CP341通訊模塊內(nèi)的 ASCII Driver協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn) Modbus RTU協(xié)議[5]，文獻(xiàn)[5]中詳細(xì)介紹了該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該方案雖然免除了購(gòu)買(mǎi)西門(mén)子公司Modbus RTU協(xié)議驅(qū)動(dòng)模塊的開(kāi)銷(xiāo)，但硬件成本仍然較高，最突出的問(wèn)題是軟件開(kāi)發(fā)難度較大，不適合工程應(yīng)用，故沒(méi)有采用該方案。通過(guò)綜合考慮，最終采用Profibus-Modbus協(xié)議總線(xiàn)橋(簡(jiǎn)稱(chēng)PB-M總線(xiàn)橋，北京鼎實(shí)創(chuàng)新科技公司產(chǎn)品，型號(hào)為PB-B-MM/RS232/485/V32)實(shí)現(xiàn) Modbus RTU到 Profibus的協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用PB-M總線(xiàn)橋硬件成本相對(duì)較低，更重要的是軟件開(kāi)發(fā)難度較小，只需硬件組態(tài)而不需要編寫(xiě)通訊程序。

(4)支持AS-i通訊協(xié)議的設(shè)備。AS-i(Actuator/Sensor-interface)是符合IEC TG17B國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，它位于控制網(wǎng)絡(luò)最底層，用于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備(即傳感器和執(zhí)行器)的雙向數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，是控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中成本最低、最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案。系統(tǒng)中的反沖水裝置是由微型控制器LOGO控制的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，該LOGO控制器內(nèi)置AS-i芯片，通過(guò)本機(jī)集成的AS-i接口可以將LOGO作為AS-i網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)從站使用。為充分利用DP總線(xiàn)分散性現(xiàn)場(chǎng)控制的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)，將AS-i網(wǎng)絡(luò)的主站模塊CP343－2P安裝在就近的DP從站ET200M的機(jī)架上。通過(guò)AS-i網(wǎng)絡(luò)的主站模塊CP343－2P將獨(dú)立系統(tǒng)LOGO的數(shù)據(jù)集成到監(jiān)控系統(tǒng)中。

2.3 企業(yè)管理層

針對(duì)企業(yè)管理層(先期建成的工業(yè)以太網(wǎng))對(duì)數(shù)據(jù)集成的需要，通過(guò)在DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主站CPU315－2DP主機(jī)架的槽位擴(kuò)展以太網(wǎng)CP343－1通信處理器，將CPU315－2DP主站內(nèi)選擇性的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成到企業(yè)管理層SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)中。在企業(yè)管理層監(jiān)控中心PC內(nèi)通過(guò)設(shè)置嚴(yán)格的訪問(wèn)權(quán)限，可以完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視和控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

在高爐渣?；O(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)新、老設(shè)備通訊接口支持不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和設(shè)備分散性突出的特點(diǎn)，通過(guò)考察目前工控市場(chǎng)的軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇開(kāi)放性和分散性較好Profibus網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)各種轉(zhuǎn)換方式，將遠(yuǎn)程I/O從站(由ET200M接入)、DP設(shè)備、Modbus設(shè)備和AS－i設(shè)備的數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的環(huán)境下，并通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法將企業(yè)管理層需要的數(shù)據(jù)集成到工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)信息無(wú)縫連接的完整、協(xié)調(diào)的監(jiān)控系統(tǒng)。在高效和安全的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控和管理任務(wù)的優(yōu)化，本文可以給相似監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些思路和方法。

[1]陽(yáng)憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版，2003.

[2]劉鍇，周海.深入淺出西門(mén)子 S7－300PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]田海，崔桂梅，王曉紅，等.西門(mén)子 PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2010，40(1):76 －80.

[4]何志勇，張茂青，錢(qián)偉清.PLC主站對(duì) Modbus網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方法[J].電氣自動(dòng)化，2007，29(2):26 －28.

[5]邊凌燕.基于CP341模塊的Modbus協(xié)議免驅(qū)動(dòng)應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2009，39(2):72－75.