基于PROFIBUS-DP的環境參數采集系統設計與應用

高 靜,黃紹明

（中國工程物理研究院,四川 綿陽 621900）

基于PROFIBUS-DP的環境參數采集系統設計與應用

高 靜,黃紹明

（中國工程物理研究院,四川 綿陽 621900）

針對易燃易爆介質生產和存放安全性要求,提出了基于PROFIBUS-DP的環境參數采集系統解決方案,完成了系統結構和控制過程設計。結合PROFIBUS-DP開放式現場總線描述了系統網絡通信協議,下位機采用S7-200系列CPU模塊和I/O模塊構成,上位機采用與設備無關的MCGS作為監控系統,實現了對采集的數據進行集中管理和實時監控。實際運行證明,系統性能穩定,可靠性及過程自動化控制效率得到了顯著提高,達到了設計目標。

分布式控制系統;現場總線;參數采集;PLC;PROFIBUS-DP;系統設計

1 引 言

PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線,目前已成為我國國家標準GB/T20540-2006的現場總線。PROFIBUS由PROFIBUS-DP（分布式外部設備）、PROFIBUS-PA（過程自動化）和PROFIBUS-FMS（現場總線報文規范）三部分組成[1]。PROFIBUS-FMS由于配置和編程比較繁瑣,有被逐漸淘汰的趨勢。PROFIBUS-PA主要用于過程自動化和比較苛刻的工業環境,同時它是一種低速傳輸總線。而PROFIBUS-DP總線是為高速設備分散控制或自動化控制而設計的,特別適用于自動控制系統和外部設備級分散I/O之間的通信,遠程I/O系統尤為適合,有比較高的數據傳輸率,在過程自動化領域有著廣泛的應用。

由于傳統的模擬量檢測處理方法,其系統的硬件改造及擴展都不方便,故障判斷與報警能力較差,造成系統的安裝成本高、運行可靠性低、人工維護量大。采用PLC與PROFIBUS現場總線組成的控制系統,利用組態軟件完成對危險場所工藝參數的實時監控,可有效避免上述諸多問題,提高系統的穩定性和可靠性。

2 系統的結構設計

分布式控制系統,又稱集散控制系統,是當前工業控制領域中比較流行的一種控制模式,其特點是“分散控制、集中管理”。由于它是分散控制,能分散危險,大大降低某點出現故障時對整個系統的危害,從而保證其可靠性和實時性,所以,在一些實時性要求很高的工業現場,一般都采用這種控制模式。

根據現場的實際情況,系統硬件由安全區域和危險區域兩部分組成。由下位機PLC完成危險區域的數據采集、狀態判別、輸入輸出控制等。位于中央控制室內的上位機完成采集信息的存儲、事件記錄與處理、參數設定、狀態顯示、高級復雜算法等功能,實現系統的實時監控。上位機內配置支持PROFIBUS-DP協議的CP5611通信適配卡,用于完成PROFIBUS-DP總線與上位監控計算機之間的協議轉換[2],使上位機通過PROFIBUS-DP現場總線與下位機進行信息交換,最后利用組態軟件完成對危險場所的監控,是一種高性能低成本的解決方案。

2.1 監控系統

為了提供友好的人機界面和滿足系統實時性的要求,監控主站采用實時性好、擴展方便、抗干擾能力強、可靠性高的研華PCA-6006LV工控機,配有WIN2000 NT操作平臺,采用MCGS通用監控軟件進行組態。該系統具有數據管理、操作控制、系統維護、通信管理等功能。運行人員通過鼠標或鍵盤,即可調出采集信號的實時數據、歷史數據、實時曲線和實時報警等相應的顯示畫面,極大方便了工作人員的操作和監控。

2.2 測控系統

測控系統由可編程控制器PLC組成。可編程控制器是以自動控制技術、微計算機技術和通信技術為基礎發展起來的新一代工業控制裝置。近年來,在工業自動控制、機電一體化以及改造傳統產業等方面得到了廣泛應用,被譽為現代工業生產自動化的三大支柱之首。PLC既能實現開關量信號的邏輯控制,又能實現與計算機等智能設備之間的通信,而且還具有較強的數據處理能力。當選配相應的模擬量I/O模塊后,就可以實現對生產現場的模擬量I/O信號的處理和生產設備的連續控制。

根據被測點的物理位置,將測控點劃為3個區域:1號工作區共需采集33個模擬量和9個數字量,9個控制信號輸出;2號工作區需要采集27個模擬量和9個數字量,9個控制信號輸出;3號工作區需采集5個模擬量和2個數字量。綜合上述因素,選用西門子S7-200系列 CPU226、CPU224、模擬量輸入模塊EM 231、網絡通信模塊EM 277、中文文本顯示器TD200等模塊組成測控系統,且DDC控制箱1、2中采用了雙CPU系統,如圖1所示。

圖1 系統控制原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system control mechanism

3 系統工作原理

根據系統的測控要求,本系統采用監控中心和測控分站兩級控制。測控分站分為3個區域,分別由3個DDC控制箱進行控制。

DDC控制箱1的工作原理:分布于各個測量點的溫濕度傳感器和負壓傳感器將采集到的信號,分別由屏蔽線經各自的安全柵傳至變送器放大為4～20 mA的標準信號,由EM231模塊進行A/D轉換后分別傳至CPU226與CPU224進行轉換、計算。CPU224中的數據通過CPU226向外界傳輸,DDC1中的數據分兩路輸出:一路經CPU226自帶的RS-485端口,直接輸出至TD200中文文本顯示器就地循環顯示;另一路由EM277模塊通過PROFIBUS-DP現場總線上傳至工控機并顯示。當現場有火災發生時,CPU接收來自火災報警系統的輸出信號后,立即聯動相應的磁力啟動器,關閉相應電動閥,在接收到電動閥“滿閉”反饋信號后,分別取消相對應的關閥控制信號,火警系統接收到所有閥門“滿閉”信號后,聯動氣體滅火裝置進行滅火。當火警解除后,系統聯動相應的磁力啟動器,打開相應電動閥,在系統接收到電動閥“滿開”反饋信號后,分別取消相對應的開閥控制信號。

DDC控制箱2的工作原理同DDC1。DDC控制箱3對空調機組的運行參數進行監測。通過傳感器采集空調機組的新風溫濕度、送風溫濕度、差壓開關狀態和送風風速,并由送風風速計算出送風風量。

4 系統現場總線設計

現場總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的通信網絡?，F場總線技術被譽為自動化領域的計算機局域網,是當今自動化領域發展的熱點之一。近年來,隨著工業生產的控制規模不斷擴大和復雜程度不斷增加,企業對自動化控制要求越來越高,網絡化的控制系統開始成為日前工業控制領域的熱點。網絡化測控系統的構建是計算機技術、通信技術和智能傳感器技術的綜合應用,現代計算機技術和傳感器技術已比較成熟,對于分布式控制系統,往往整個系統構建的技術瓶頸在于如何設計一個有效的通信網絡,從而保證那些在空間上分散且環境惡劣的傳感器能夠與監控中心實時地進行信息交換。隨著通信技術、計算機網絡技術在工業生產過程中的不斷推廣和應用,工業控制過程對現場信號的采集、傳輸和數據轉換提出了更新更高的要求,因此,處于生產過程底層的測控自動化系統需要一種能在多點數字通信且廉價可靠的底層網絡系統。普通的控制方式只能采用一對一連線,難以實現設備之間以及系統與外界之間的信息交換,而現場總線控制系統則可以滿足這種工業網絡的控制需求。

4.1 現場總線

IEC對現場總線（Fieldbus）的定義是“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式串行、多點通信的數據總線稱為現場總線”,它是當前工業自動化的熱點之一?，F場總線I/O集檢測、數據處理、通信為一體,可以代替變送器、調節器、記錄儀等模擬儀表,它不需要框架、機柜,可以直接安裝在現場導軌槽上?，F場總線I/O的接線極為簡單,只需要一根電纜,從主機開始,沿數據鏈從一個現場總線I/O連接到下一個現場總線I/O[1]。

PROFIBUS-DP作為開放式現場總線系統,它已被全世界廣泛使用,具有很好的實時應用性能。設備之間的通信采用“主-從”方式,且PROFIBUSDP在數據傳輸速率（可達12Mbit/s）、效率和連接成本方面是優化的,特別適用于自動化系統與外圍設備之間的通信。PROFIBUS-DP總線工作在工廠自動化系統的最底層——設備級,承擔控制器與現場設備比如傳感器或傳動設備之間進行實時數據交換的任務。

在控制系統中,網絡通信的可靠性高低直接決定了系統的好壞。在本系統中,根據現場分區的實際傳輸距離、網絡傳輸速度、性價比、可靠性等控制要求,采用了PROFIBUS-DP通信網絡結構。通過設置從站的方法,利用PROFIBUS-DP可以把地理位置相對分散的設備控制信號用一根雙絞線電纜送到主站,這樣不但可節約大量的電纜,同時系統的可靠性也有很大的提高。

4.2 網絡通信協議

工控機與PLC組成主從式實時監控系統,是自動控制、計算機應用、信號檢測與處理、通信等技術的綜合應用,能夠充分發揮各自在工業控制中的優勢,在此類控制系統中,上、下位機的通信協議是關鍵技術之一。

S7-200系列PLC支持PPI（點對點接口）、MPI（多點接口）、PROFIBUS等多種通信協議。本環境參數采集系統采用PROFIBUS-DP總線“主-從通信”結構,如圖2所示。主站通過PROFIBUS-DP總線和各遠程I/O從站進行連接,主站機箱內裝有一塊支持PROFIBUS協議的CP5611通信適配卡,網絡連接器通過其上的 RS-485通信端口連接主站與從站,實現上位機與下位機的數據傳輸與信息交換。每個從站都是通過其上的EM 277模塊,利用網絡連接器通過PROFIBUS-DP總線與主站進行通信。

圖2 PROFIBUS-DP總線結構示意圖Fig.2 Structure of PROFIBUS-DP bus

在DDC控制箱 1、2中,CPU226與CPU224連成一個 PPI網絡,采用了PPI“主-從”通信協議。CPU224是CPU226的一個從站,它們通過自身的RS-485端口進行數據傳輸,最后DDC控制箱中采集的數據由CPU226通過EM277通信模塊實現與主站的通信。主站設備發送數據讀/寫請求到從站設備,從站設備響應,從站不主動發信息,只是等待主站的請求,并根據請求作出響應。

5 系統軟件設計

5.1 下位機編程

下位機S7-200 PLC采用Simatic公司的STEP7-M icr/WIN32進行編程,主要完成系統的保護、數據采集和控制等功能[3]。STEP7是在Windows平臺上運行的編程軟件,支持STL、LAD和FBD 3種編程語言,并可以在三者之間隨時轉換,為用戶開發、編輯和監控自己的應用程序提供了良好的編程環境[4]。PLC通過一根PC/PPI電纜與計算機串口連接,在STEP7編程環境下建立連接,即可實現PC機與PLC之間的數據傳輸。

根據整個系統的工作情況,按DDC控制箱分為3個程序模塊編寫。DDC控制箱1、2的程序框圖如圖3所示,在 DDC1和 DDC2中為雙 CPU系統,CPU226作為就地控制單元的核心部分,負責現場溫濕度、負壓信號的采集、轉換、計算,控制命令的執行,讀取CPU224中的數據。CPU224負責現場負壓信號的采集、轉換、計算。DDC控制箱3的程序框圖如圖4所示,在DDC3中CPU224負責對空調系統的溫濕度、差壓、風速等參數進行采集、轉換和計算。

圖3 DDC 1、2程序框圖Fig.3 Flowcharts of DDC1 and DDC2

圖4 DDC 3程序框圖Fig.4 Flowchart of DDC3

5.2 上位機編程

上位機采用MCGS組態軟件編程。組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件,它們是在終端控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境,為用戶提供快速構建工業自動化控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具[5]。組態軟件是一種面向自動化現場工程師的工業控制軟件。用戶不需要掌握太多的編程語言技術,只需利用組態軟件提供的多種通用工具模塊,就能在較短的時間內編制出控制功能復雜的程序,從而構建一套最適合自己的應用程序,而且調試時間也相對較短。

北京昆侖通態有限公司開發的MCGS組態軟件,是國內一款優秀的全中文工控組態軟件。MCGS是一套基于Windows95/98/NT操作系統（或更高版本）、可用來快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統[6],它為用戶建立監控系統提供了一套解決方案,使用戶無需再自行開發后臺軟件,縮短了開發周期。MCGS開發簡單,性價比高,網絡通信功能比較完善,能夠滿足本系統的設計要求。MCGS軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分,用戶用組態環境來設計和構造自己的應用系統。運行環境則按照組態環境中構造的組態工程,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態設計的目標和功能。組態環境和運行環境的關系如圖5所示。

圖5 組態環境和運行環境的關系Fig.5 Relationship between configuration environment and operation environment

由MCGS生成的用戶系統,其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略5個部分構成。實時數據庫是MCGS系統的核心;主控窗口構造了應用系統的主框架;設備窗口是MCGS系統與外部設備聯系的媒介;用戶窗口實現了數據和流程的“可視化”;運行策略是對系統運行流程實現有效控制的手段。

MCGS的這種結構形式使其成為一個與設備無關的系統,對于不同的硬件設備,只需定制相應的設備構件,放置到設備窗口中,并設置相關的屬性,系統就可對這一設備進行操作。

6 結束語

本文介紹的針對易燃易爆介質生產和存放安全性要求而設計的環境參數采集系統,基于PROFIBUS-DP現場總線設計,安裝配置簡單,通過其硬件接口參數配置和軟件編程,實現了遠程多點數據采集,是一種低成本的解決方案,對于惡劣環境具有較強的適應能力。該結構既利用了PLC功能強、程序設計簡單、維護方便、可靠性高和抗干擾能力強等優點,又利用了工業組態軟件功能豐富、顯示功能強和輸入方便等優點,并且系統具有良好的可擴充性。實際系統運行證明了系統性能的穩定性、可靠性及過程自動化控制效率都較傳統模擬量檢測等處理方法有顯著提高,本系統對其它工業控制網絡的組建有較強的參考應用價值。

[1] 廖常初.S7-200 PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社,2007:120-150.

LIAO Chang-chu.S7-200 PLC programm ing and application[M].Beijing:China Machine Press,2007:120-150.（in Chinese）

[2] 楊衛平.基于PROFIBUS-DP的柔性NT系統開發[J].電氣自動化,2009,31（4）:52-53,62.

YANG Wei-ping.The development of flexible manufacturing system based on PROFIBUS-DP[J].ElectricalAutomation,2009,31（4）:52-53,62.（in Chinese）

[3] 催堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京:機械工業出版社,2005:80-160.

CUI Jian.Siemens industrial network communication guidelines[M].Beijing:China Machine Press,2005:80-160.（in Chinese）

[4] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天出版社,2003:30-185.

Siemens Ltd.（China）Automation&Drices Group.Siemens explainning the profound things in a simple way S7-200PLC[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2003:30-185.（in Chinese）

[5] 馬國華.監控組態軟件及應用[M].北京:清華大學出版社,2001:10-50.

MA Guo-hua.Monitor configuration software and applications[M].Beijing:Tsinghua University Press,2001:10-50.（in Chinese）

[6] 馬兵智,孫志毅,趙志誠,等.組態軟件MCGS在鍋爐液位控制中的應用[J].控制工程,2004,11（1）:84-86.

MA Bing-zhi,SUN Zhi-yi,ZHAO Zhi-cheng,et al.MCGS Configuration software in boiler liquid level control application[J].Control Engineering of China,2004,11（1）:84-86.（in Chinese）

Design and Application of Environment Parameter Acquisition System Based on PROFIBUS-DP

GAO Jing,HUANG Shao-ming
（China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China）

According to the security requirement during producing and storing flammable and explosive medium,a solution about environment parameter acquisition system based on PROFIBUS-DP is proposed.The system structure and controlling process are designed.The network communication protocol of system is described in combination with PROFIBUS-DP open location bus.The CPU and I/O module of S7-200 series are used as a lower computer and an independent MCGS as a upper monitoring computer to realize centralized management and real-time monitoring of the collected data.The practical operation proves that the system has stable performance,high reliability and process automation efficiency,so the design objectives are achieved.

distributed control system;location bus;parameter acquisition;PLC;PROFIBUS-DP;system design

TP273;TP393

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.016

1001-893X（2011）02-0080-05

2010-08-30;

2010-11-15

高 靜（1963-）,女,山東高青人,工程師,主要研究方向為計算機應用、現場總線技術;

GAO Jing was born inGaoqing,Shandong Province,in 1963.She is now an engineer.Her research interestsinclude computer application and fieldbus technology.

Email:gjyx66@sina.com

黃紹明（1978-）,男,遼寧遼陽人,2002年于西安電子科技大學獲工學學士學位,現為工程師,主要研究方向為計算機應用、網絡維護。

HUANG Shao-ming was born in Liaoyang,Liaoning Province,in 1978.He

the B.S.degree form Xidian University in 2002.He is now an engineer.H is research interests include computer application and network maintenance.

Email:magilord@163.com