李紅升，李駪，李穎，國亞磊，穆生樂，李昕（.天津渤海職業(yè)技術學院機械工程系，天津30040；.天津電氣科學研究院有限公司，天津30080）

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基于PROFIBUS與485總線的控制系統(tǒng)設計與應用

李紅升1，李駪1，李穎2，國亞磊2，穆生樂2，李昕2
（1.天津渤海職業(yè)技術學院機械工程系，天津300402；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

摘要：以某一電池原料反應生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的工程實例為例，詳細介紹了中小型的集散控制系統(tǒng)如何同時實現(xiàn)現(xiàn)場PLC與現(xiàn)場智能儀表分別通過PROFIBUS和RS485總線網(wǎng)絡完成與上位計算機通訊監(jiān)控，并詳細介紹了PROFIBUS和RS485的網(wǎng)絡拓撲結構、現(xiàn)場級設備所需軟硬件資源、組態(tài)應用方法、參數(shù)設置方法和上位計算機實現(xiàn)2個網(wǎng)絡的監(jiān)控組態(tài)的應用方法等。

關鍵詞：總線；控制；網(wǎng)絡；主站；從站；儀表；系統(tǒng)

工業(yè)自動化技術是工業(yè)自動化的核心，是運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策的綜合性技術。目前，自動化技術在智能化、網(wǎng)絡化、集成化的發(fā)展上大致包含基礎自動化、過程自動化、管理自動化3個方面，其核心是基礎自動化和過程自動化。

在石油、化工、制藥、食品生產(chǎn)等領域，不但要有邏輯控制、儀表控制，還要完成集中監(jiān)控（即集散控制系統(tǒng)），才能滿足控制要求。以往的方案采用上位機、控制板卡（即工控機）、儀表、現(xiàn)場邏輯部件等組成控制系統(tǒng)來完成，也就是工控機板卡既要負責邏輯量控制還要負責模擬量控制，然后再傳輸?shù)缴衔粰C，且由于數(shù)字量型號、模擬量信號的傳輸距離、連接導線多和通訊等問題的困擾，導致集散控制應用的局限性見圖1。

隨著可編程控制器（PLC）和智能儀表、計算機和網(wǎng)絡技術以及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，使自動化技術從初級控制系統(tǒng)、模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，變成了新型全分布式系統(tǒng)結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，將繼電控制、PLC、智能監(jiān)控儀表、現(xiàn)場儀表、計算機有機的結合起來，完成較高的測控任務。

圖1　一般“DCS”方案Fig.1 General“DCS”solutions

現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)不但解決了上述問題，還為網(wǎng)絡化遠程控制開辟了新天地。同時，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設計上，作為工程技術人員在設計控制方案時既要結合現(xiàn)場情況滿足各個小系統(tǒng)邏輯控制和儀表等的控制要求，還要考慮到經(jīng)濟實用。

比如在一些多系統(tǒng)的生產(chǎn)領域PLC和智能儀表大量被使用，有時既需要采用PLC完成各自較復雜的控制，同時又需要二次儀表與一次儀表完成某一環(huán)節(jié)或區(qū)域的信號采集、監(jiān)控、閉環(huán)控制等，并且均需要被上位機組態(tài)集中監(jiān)控。因此，作為工程技術人員在設計控制方案時要結合現(xiàn)場情況，統(tǒng)籌考慮其可靠性、實時性、經(jīng)濟性等因素情況下，確定現(xiàn)場總線控制方案。

下面以某一電池原料反應生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為載體說明一種“雙總線”控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線包含3個子系統(tǒng)即配料系統(tǒng)、陳化反應系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)3部分，配料系統(tǒng)有儲罐8個，配料釜21個、氨水系統(tǒng)1個；陳化反應系統(tǒng)有反應釜3個、陳化釜2個，純水洗滌系統(tǒng)1個；輔助系統(tǒng)有換熱機組1臺、冷卻系統(tǒng)1臺、空壓及系統(tǒng)1臺。3個子系統(tǒng)都可獨立的工作不受影響，不同子系統(tǒng)內包含數(shù)量不等的電動機、電動閥、氣動閥等，3個子系統(tǒng)內及子系統(tǒng)之間既有復雜連鎖邏輯控制和液位、溫度、PH值的控制或PID閉環(huán)控制，還要求其子系統(tǒng)能分別單獨運轉且要滿足傳輸?shù)缴衔粰C也可以監(jiān)控運轉（因化工生產(chǎn)時某些反應時刻只需少數(shù)設備工作即可，且又不能停）。

經(jīng)過統(tǒng)籌考慮歸納如下：

1）邏輯控制。分別采用3臺西門子S7300 （CPU315-2DP）PLC來完成復雜邏輯控制并通過PROFIBUS總線與上位機相連完成控制；

2）模擬量控制。各系統(tǒng)的設備就地分別由宇電顯示控制儀表與一次變送儀表完成相對獨立的監(jiān)控工作，然后通過RS485總線與上位計算機通訊完成監(jiān)控。

這樣既能擺脫上位機完成某一系統(tǒng)的獨立運行，又可以通過上位機統(tǒng)一集中監(jiān)控，既經(jīng)濟又方便實用。其總體網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

圖2　總體網(wǎng)絡拓撲結構Fig.2 Overall network topology

1　PROFIBUS總線網(wǎng)絡的設計與應用

作為眾多現(xiàn)場總線家族成員之一，PROFIBUS總線也是采用RS-485協(xié)議并在歐洲工業(yè)界得到廣泛應用的一個現(xiàn)場總線標準，最多可接125個從站，其傳輸技術為半雙工通信方式，傳輸速率在9. 6 k～12 M bit.s之間可選，通訊距離在100～1 200 m，根據(jù)最大傳輸速率的不同，可選用雙絞線或光纖2種傳輸電纜。

在本例中3個子系統(tǒng)分別選用3臺只用數(shù)字量輸入輸出的S7300CPU315-2DP的可編程控制器作為PROFIBUS總線的從站，上位機作為通訊主站，可分別編制各子系統(tǒng)的控制程序，做好接口。程序編制不做陳述，在PROFIBUS總線控制方面其主要完成的工作如下。

1.1硬件資源配置

帶集成DP口的S7300CPU315-2DP作為主站，帶集成DP口的S7300CPU313C-2DP作為從站，CP5611通訊網(wǎng)卡（插入上位計算機PCI槽），PROFIBUS標準總線連接器（終端使用將終端電阻開關置于“ON”，中間站置于“OFF”，傳輸介質屏蔽雙絞線通訊電纜，STEP7V5.4系統(tǒng)設計軟件，工控計算機。

1.2網(wǎng)絡組態(tài)及參數(shù)配置方法

1.2.1組態(tài)“主、從站”

在“STEP7”中新建1個項目：先插入1個CPU313C-2DP站，再進入硬件組態(tài)窗口，按硬件安裝次序及型號依次拖拽插入機架，新建“PROFIBUS”網(wǎng)絡并設置站地址（站地址不能重復），然后保存該項目。組態(tài)“主站”方式與“從站”一樣，選擇相同網(wǎng)絡，但站地址不能相同。“主站”組態(tài)完畢后，將“從站”拖拽到“PROFIBUS”總線上，如多個“從站”要逐個連接。

1.2.2主從站通訊接口參數(shù)設置

在“STEP7”中單擊“PROFIBUS”網(wǎng)絡：先設置數(shù)據(jù)傳輸速率“1.5 Mb/s”，然后激活“DP slave”為DP從站，再新建確定通訊接口區(qū)，選擇“Input”對應輸入?yún)^(qū)I，“Output”對應輸出區(qū)Q，長度依據(jù)通訊數(shù)據(jù)量大小來定，但最大為244字節(jié)。主站通訊參數(shù)設置大致相同，只需注意從站的輸出區(qū)與主站的輸入?yún)^(qū)相對應，從站的輸入?yún)^(qū)與主站的輸出區(qū)相對應。

1.2.3CP5611通訊網(wǎng)卡參數(shù)設置

在“STEP7”中將CP5611的MPI口改為“PROFIBUS”接口，并設置數(shù)據(jù)傳輸速率為“1.5 Mb/s”。最后，將主、從站與上位計算機的CP5611通訊網(wǎng)卡以總線型拓撲結構連接起來，將組態(tài)下載到主、從站，同時從站為通訊提供GSD文件，然后再按不同功能分別進行編程后下載控制程序。

網(wǎng)絡拓撲結構采用總線型結構，如圖3所示。

圖3　總線型結構Fig.3 Bus-type structure

2　智能儀表RS485總線網(wǎng)絡的設計與應用

RS485網(wǎng)絡數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mb/s，RS485接口的最大傳輸距離為3 000 m，RS485接口在總線上理論是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設備網(wǎng)絡。

本例中配料系統(tǒng)、陳化反應系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)各子系統(tǒng)及其設備各儀表回路達30～40余個，都需要能獨立就地顯示、運行、控制。一般的DCS方案將一次儀表要么直接連到I/O控制板卡或PLC的模擬量輸入輸出模塊，雖然也可通過RS485總線網(wǎng)絡來完成與上位機統(tǒng)一集中管理（見圖1），缺點是需要上位機的直接監(jiān)控不能退出，否則監(jiān)控失敗，而且不能就地顯示當前過程值等，在經(jīng)濟上也不劃算。

如果依然采用RS485網(wǎng)絡，先使一次變送儀表與二次智能顯示控制儀表形成相對獨立的開環(huán)或閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，再將二次顯示控制儀表與RS485網(wǎng)絡通訊，將所需參數(shù)上傳到上位機監(jiān)控，其在硬件上結構較少，使用簡單方便，這樣就可以分別獨立運行甚至于可以獨立完成某一個儀表回路的閉環(huán)調節(jié)功能（即設備的獨立運行），又可以在上位機實現(xiàn)監(jiān)控，解決了上述問題。RS485網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4　儀表“RS485”網(wǎng)絡Fig.4“RS485”network for instrument

在RS485總線控制方面其主要完成的工作如下。

2.1智能儀表RS485總線的硬件資源

帶RS485通訊的智能儀表（儀表控制功能依據(jù)實際設備功能選擇），RS485轉RS232的無源或有源轉換接口（注意“正、負或A+、A-”），帶COM口的配置中高檔的工控計算機，雙絞屏蔽通訊電纜，120 Ω精密終端電阻1個。

2.2智能儀表RS485總線“OPC”通訊協(xié)議

“OPC”定義了一個可以使基于PC的軟件組件能交換數(shù)據(jù)的開放接口，它是基于微軟的OLE（對象鏈接和嵌入）、COM（部件對象模型）、DCOM（分布式部件對象模型）技術的一個工業(yè)標準，它以OPC服務器的軟件接口形式解決了智能儀表數(shù)據(jù)源與上位計算機應用程序之間的數(shù)據(jù)通訊。

2.3RS485總線網(wǎng)絡拓撲結構

RS485網(wǎng)絡拓撲結構大致分為點對點、樹狀、分支拓撲、混合拓撲、菊花鏈拓撲。本例采用“菊花鏈拓撲”結構，即所有儀表的通訊端子“A+ 和A-”由雙絞屏蔽線串聯(lián)在一起，通過RS485轉RS232的轉換接口連接到計算機的COM端口上，并將終端電阻并聯(lián)在最后一塊儀表上（見圖4），雖然菊花鏈拓撲網(wǎng)絡存在一定弊端，但某些場合還是有其結構簡單方便的優(yōu)勢，其他結構都要增加中繼器等網(wǎng)絡設備且布線相對繁瑣。

2.4RS485總線網(wǎng)絡上儀表的地址分配

將每塊參與通訊的儀表調出“Addr”地址參數(shù)分別依次給定，不要重復，最多設置地址理論上是128個但實際要少于64個地址，最好50個地址以下，如果通訊的儀表多，可以多設置幾條通訊網(wǎng)絡，否則有可能通訊受影響。

3　“雙總線”網(wǎng)絡的設置和監(jiān)控通訊

上位計算機操作系統(tǒng)及監(jiān)控組態(tài)軟件分別是windows XP和wincc6.0，同時安裝“STEP7V5.4”PLC編程軟件和“OPC服務器”軟件。

3.1RS485網(wǎng)絡的儀表與上位機通訊組態(tài)

軟件安裝完畢后，首先打開“OPC服務器”建立通訊項目、設置通訊儀表，分別設置相關通訊參數(shù)、地址、連通RS485網(wǎng)絡上的儀表設備，確?！癘PC服務器”能與儀表通訊，讀出所有儀表信息后說明通訊已建立，然后啟動“wincc6.0”，新建工程項目，建立“OPC”驅動，將“OPC服務器”中需要監(jiān)控的儀表參數(shù)變量連接并設為“wincc6.0的新建工程項目”的監(jiān)控變量，在組態(tài)畫面上完成監(jiān)控變量連接即可。

3.2PROFIBUS網(wǎng)絡的PLC與上位機通訊組態(tài)

3.2.1添加驅動并設置

在“STEP7V5.4”中完成主從站控制程序及通訊程序編制后，連同硬件組態(tài)下載到相應的主從站PLC中，打開“wincc6.0的新建工程項目”在設備驅動中依次選擇Tag Management-->SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE->PROFIBUS右鍵單擊PROFIBUS，在菜單中單擊“System Parameter“，彈出“System Parameter-PROFIBUS”對話框后，選擇“Unit“標簽，查看“Logic device name”（邏輯設備名稱）默認安裝后，邏輯設備名為CP_L2_1。

3.2.2設置接口

進入控制面板，雙擊“Set PG/PC Interface”圖標，在“Access Point of the Application”的下拉列表中選擇“CP_L2_1”，然后在“Interface Parameter Assignment Used”的列表中點擊“CP5611 （PROFIBUS）”，然后在“Access Point of the Application”的下拉列表中，顯示：“CP_L2_1CP5611 （PROFIBUS）”

3.2.3設置通訊參數(shù)

設置“CP5611的PROFIBUS”地址，網(wǎng)絡傳輸速率（必須和PLC的PROFIBUS速率一樣“1.5 Mb/s”），網(wǎng)絡最高站地址（必須與PLC的PROFIBUS網(wǎng)絡參數(shù)相同）和具體通訊協(xié)議（DP）。

3.2.4添加通道與連接

設置通訊模塊地址，CPU機架號及槽號，最后連通測試。

4　上位機人機界面

運用wincc6.0組態(tài)軟件，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程完成整個控制系統(tǒng)的人機界面對下位各PLC站點、智能儀表站點的控制、顯示、報警和設置等的組態(tài)編程。

5　結論

工程實踐證明，這種雙網(wǎng)絡體系的控制系統(tǒng)具有較高的性能和價格比，投入少、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強、既可集中監(jiān)控，同時各單元設備又可獨立運行，給安裝、調試和設備維護帶來方便，特別適合車間級控制系統(tǒng)的應用，既經(jīng)濟又實惠。

參考文獻

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修改稿日期：2015-09-14

Design and Application of Control Systems Based on PROFIBUS and 485 Bus

LI Hongsheng1，LI Shen1，LI Ying2，GUO Yalei2，MU Shengle2，LI Xin2
（1. Department of Mechanical Engineeing，Tianjin Bohai Vocational Technical College，Tianjin 300402，China；2. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Abstract:Taking the engineering of the control system of a battery material reaction production line as an example，gave a detailed introduction as to how a small and medium distributed control system simultaneously realized communication and monitoring of on-site PLC and on-site intelligent instrumentation with the host computer respectively through PROFIBUS and RS485 bus；further，gave an introduction to the network topology of PROFIBUS and RS485 as well as the soft hardware resources，configuration application method，parameter setting method and for the upper equipment and the application method for the host computer to realize the monitoring configuration of two networks.

Key words:bus；control；network；master station；slave station；instrument；system

收稿日期：2015-06-11

作者簡介：李紅升（1970-），男，本科，講師，Email：LHS041050001@163.com

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A