基于現場總線的自動化控制實驗裝置設計探討

黃青濤

摘 要：現場總線控制系統完成了從底層的儀表控制單元到上層功能子系統的整體網絡化，完善了由現場總線和企業網組成的兩層系統結構，所有的工藝均實現了自動化控制，利用了總線系統的開放性和先進性，促進了經濟的高速發展，同時為今后類似裝置系統的改進提供了寶貴經驗。

關鍵詞：現場總線；自動化控制；裝置設計

隨著科技的迅猛發展，計算機技術不僅僅在生產過程中得到廣泛的應用，其在控制層、監控層、管理層和決策層占據了主要的地位。計算機技術與PLC技術的飛速發展，現場總線控制系統在工業控制領域中得到了充分的應用。文章基于現場總線的自動控制實驗裝置，模擬了企業資源管理、車間監控及現場控制三層網絡。

1 現場總線控制系統的類別

1.1 DCS現場總線控制系統

DCS是分布式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），在國內自控行業又被稱之為集散控制系統。即所謂的分布式控制系統，部分資料中稱之為集散系統，是相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是一個由過程控制級、過程監控級組成的，以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通信、顯示和控制4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。在系統功能方面，DCS和集中式控制系統的區別不大，但在系統功能的實現方法上卻完全不同。

工程師站是對DCS進行離線配置、組態工作和在線的系統監督、控制、維護網絡節點等，其主要功能是對DCS提供組態，配置工作的工具軟件（即組態軟件），DCS在線運行時，實時監視DCS網絡上各個節點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置、設定一些系統參數，使DCS隨時處在最佳的工作狀態之下。與集中式控制系統不同，所有的DCS都要求有系統組態功能。現場儀表——安全柵——I/O卡件——控制器——服務器——操作站和工程師站都與服務器聯系，用于組態和實時數據的調用等。

1.2 FCS現場總線控制系統

現場總線控制系統（FCS）已經經歷了20多年的發展。它是在DCS/PLC基礎上發展起來的新技術。現場總線是"控制室連接到現場設備的雙向串行數字通信總線"，現場總線的"現場"更多的是指現場設備，而不是位置。FCS主要特點是采用總線標準，一種類型的總線，只要其總線協議一經確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。開放的現場總線控制系統具有高度的互操作性。FCS既是一個開放的通信網絡，又是一個全分布式的控制系統。

FCS的關鍵要點有三點：（1）FCS系統的核心是總線協議，即總線標。只要其總線協議一經確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。（2）FCS系統的基礎是數字智能現場裝置，數字智能現場裝置是FCS系統的基礎硬件支撐，其是因FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。（3） FCS系統的本質是信息處理現場化，對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至增加，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。

1.3 PLC現場總線控制系統

PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。

而相同I/O點數的系統，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。

2 現場總線自動化控制試驗裝置設計

2.1 總體設計

本次研究中現場總線控制系統是由西門子S7-300、S7-400系列PLC、Profinet、Prpfobus-DF、AS-I等現場總線。整個系統是由3層網絡組成，分別是ERP層（企業資源管理）、MES層（車間監控層）、現場控制。其中ERP層是由Internet組成或者校園局域網組成；MES層是由實驗室局域網、工業以太網組成；現場控制層是由S7-300和S7-400組成。

2.2 系統軟件組成和硬件配置

2.2.1 軟件組成

軟件操作系統是Windows XP，自動控制系統軟件包括SIMATIC WinCC FLEXIBLE 2007、SIMATIC WinCC（V6.2）、SIMATIC Manager Step7（V5.4）等等。

2.2.2 車間監控部分

其是整個自動化控制系統的中樞組成部分，其對全部現場設備的工作狀態進行監視控制。主要外城狀態、圖形、數據顯示及設備操作控制、歷史數據存檔、報表打印、故障記錄等等，實現分布式控制。

2.2.3 特殊功能裝置

系統通過SIMOTION S425配備一個5kW電源模塊、兩個0.4kW、一個雙伺服電動驅動模塊等，可對各種復雜的運動進行有效的控制。

2.2.4 現場控制部分

本次研究過程中Profinet網絡是由西門子Scalence X208交換機、ET200S分布式I/O、TP177B觸摸屏組成，其是控制電動機啟動器的組成；使用的S7-300控制器使用的是CPU315F-2PN/DF安全控制CPU，其備有I/O模塊和存儲卡，傳感器模塊SM338可與多種傳感器連接；S7-300控制部分DP網絡連接有ET200S和MM440變頻器，將PA網絡和AS-I網絡介入系統中后，儀表、執行器和現場開關都可通過S7-300、現場總線進行連接與通信。

S7-400控制器單純配置了CPU模塊，主要是充分利用強大運算處理功能。同時還配置了了SIWAREX FTA、SIWAREX U承重模塊。S7-400控制部分可進行數據處理與采集、位置控制、速度控制、模擬生產工藝實現過程量控制等復雜控制，在大部分工業企業中屬于非常重要的控制解決方案。

3 結束語

現場總線控制系統將成為新世紀工業控制系統的發展趨勢，使用該系統的企業，將在管理現代化、綜合自動化和信息集成化等方面有了長足的進步，雖然現場總線系統仍然存在許多的不足之處，相關的從業人員將對現場總線控制系統的進行不斷的研究，促進行業的可持續發展。

參考文獻

[1]白焰，楊國田，陸會明.現場總線控制系統的體系結構及其應用問題分析[J].華北電力大學.

[2]姜濤.現場總線控制系統的應用優勢[J].科學觀察，2010（6）.endprint