基于PROFIBUS—DP協(xié)議的PLC與DCS通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張帥+沙婷+南宏偉

摘 要：現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著自動(dòng)化控制技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中.實(shí)際應(yīng)用中，往往需要不同廠家控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，需要將兩種不同系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。該文介紹了如何基于PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)西門子S7-300系列PLC與浙江中控JX-300XP型DCS集散控制系統(tǒng)之間的通訊。

關(guān)鍵詞：PLC DCS PROFIBUS-DP 通訊

中圖分類號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（a）-0016-02

工業(yè)控制已從單機(jī)控制走向集中控制、分散控制，并走向網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制提供了方便，節(jié)省了成本，提高了性能。在實(shí)際化工廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，由于控制方式及建設(shè)進(jìn)度等問題，可能會(huì)存在多種控制系統(tǒng)。某化工廠原有一套西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)用于一套附屬機(jī)械設(shè)備的邏輯控制，后在實(shí)際使用中，需用生產(chǎn)線使用的浙江中控JX-300XP型DCS控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制，為減少成本，需建立DCS與PLC之間的通訊系統(tǒng)。西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)支持PROFIBUS-DP協(xié)議，故決定選用PROFIBUS-DP協(xié)議通訊的數(shù)字通訊方式，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的互聯(lián)。目前改造后的系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

1 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浙江中控JX-300XP型DCS控制系統(tǒng)有專門用于與PROFIBUS-DP協(xié)議設(shè)備通訊用的主站接口卡XP239-DP，它作為SUPCON DCS與PROFIBUS-DP的接口，在PROFIBUS-DP中以主站形式存在。它通過PROFIBUS系統(tǒng)配置工具SYSCON直接與西門子S7-300系列PLC從站接口模塊IM153-1互聯(lián)進(jìn)行通訊。此種方案可使SUPCON DCS系統(tǒng)直接對(duì)西門子S7-300系列PLC的從站接口及IO模塊進(jìn)行控制，而不必通過西門子PLC的CPU模塊進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)接，降低了系統(tǒng)掃描時(shí)間，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。工程師只需對(duì)SUPCON DCS系統(tǒng)進(jìn)行編程即可，無需再進(jìn)行西門子的STEP編程，大大降低了編程工作量。

2 通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

2.1 PROFIBUS協(xié)議簡(jiǎn)介

PROFIBUS是過程現(xiàn)場(chǎng)總線（Process Field Bus）的縮寫，其傳送速度可在9.6kbaud～12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。它以獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在多種自動(dòng)化領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位，全世界的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)超過2 000萬。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議包括3個(gè)主要部分：（1）PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信；（2）PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊；（3）PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換。其中，PROFIBUS-DP是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12 M。PROFIBUS-DP可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備，1條PROFIBUS-DP總線可以最多連接123個(gè)從站設(shè)備。PROFIBUS-DP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，支持紅外傳輸。

2.2 SYSCON軟件簡(jiǎn)介

SyCon是通用的PROFIBUS系統(tǒng)配置工具，具有統(tǒng)一的用戶界面，適用于所有PROFIBUS系統(tǒng)。作為一個(gè)基本的配置工具，它使用了所謂的設(shè)備描述文件或電子數(shù)據(jù)文檔（EDS文件），這些文件中定義了總線設(shè)備的相關(guān)特性參數(shù)。這些文件標(biāo)準(zhǔn)化了一些現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，是由設(shè)備制造商提供的，SyCon提供該功能的導(dǎo)入。總線結(jié)構(gòu)是由圖形編輯器決定的，包含了各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。雙擊節(jié)點(diǎn)圖形，可以打開相應(yīng)的配置窗口。在顯示的表格中，可以創(chuàng)建當(dāng)前節(jié)點(diǎn)配置的所有可能模塊或數(shù)據(jù)。過程映像中的數(shù)據(jù)地址可以通過配置工具進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)生成。節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化是通過各自現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的選擇或輸入值實(shí)現(xiàn)的。最后一步是總線參數(shù)的定義，它局限于傳輸速率的定義，而所有其他參數(shù)都是各自依據(jù)設(shè)備描述文件的基本數(shù)據(jù)。

SyCon提供了全面的診斷功能。在診斷模式下，設(shè)備的所有狀態(tài)都被循環(huán)地喚醒，并以紅色或綠色顯示，其依賴于數(shù)據(jù)交換在那時(shí)是否正在進(jìn)行。通過雙擊“紅色”的總線節(jié)點(diǎn)，錯(cuò)誤的原因代碼就會(huì)顯示。更多的功能包括錯(cuò)誤的讀出、錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)的顯示和過程數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

3 通訊系統(tǒng)配置編程

3.1 sycon軟件配置

在進(jìn)行sycon軟件配置前，需去西門子官網(wǎng)下載所需IM153-1從站通訊模塊的GSD文件，并導(dǎo)入至sycon軟件中。

利用軟件的“Insert->Master”和“Insert->Slave”命令添加主站和從站，并設(shè)置好主從站地址。之后，需對(duì)主從站及總線參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，重點(diǎn)在于從站IO模塊的添加，添加IO模塊時(shí)需保證訂貨號(hào)與實(shí)際模塊保持一致。需注意的是西門子的IO模塊一般可接多種信號(hào)，如模擬量輸入模塊，既可接4～20 mA電流信號(hào)，又可接0～10 V電壓信號(hào)，故進(jìn)行配置時(shí)需對(duì)每一個(gè)IO模塊的“Parameter Data->Module”進(jìn)行配置，選擇好每一個(gè)模塊通道的信號(hào)類型和模塊地址。

3.2 DCS軟件組態(tài)

3.2.1 主站接口卡組態(tài)

在SCKey組態(tài)軟件中，添加XP239-DP主站，配置DP組態(tài)，添加Sycon軟件配置完畢的pb文件，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行變量類型及位號(hào)的組態(tài)。對(duì)于模擬量輸入模塊，其數(shù)據(jù)類型均為有符號(hào)整數(shù)，下限為-32768，上限為32767。對(duì)于模擬量輸出模塊，上下限即為實(shí)際儀表量程，編碼低字節(jié)為0，編碼高字節(jié)為27648。所有變量均選擇參與控制，這樣后期再對(duì)備用點(diǎn)進(jìn)行使用時(shí)就無需重新下載DP組態(tài)，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。組態(tài)完成后，可通過“查看控制位號(hào)”來查看變量地址，字節(jié)偏移/4即為變量地址。

3.2.2 受控主控卡組態(tài)

在DP主站接口卡的受控主控卡內(nèi)建立與DP主站接口卡相對(duì)應(yīng)的半浮點(diǎn)型變量，主控卡與DP接口卡的通訊編程類似于DCS站間通訊的編程，區(qū)別在于需將原DP接口卡中的整形變量轉(zhuǎn)換為半浮點(diǎn)型變量。對(duì)于模擬量輸入模塊，主控卡通訊編程中GETMSG模塊的STATION地址即為XP239-DP主站接口卡地址，SERIAL地址為通訊變量在XP239-DP接口卡中的地址。對(duì)于模擬量輸出模塊，SETSFLOAT模塊的輸入即為變量地址。

3.2.3 下載調(diào)試

將DP組態(tài)和主控卡組態(tài)分別進(jìn)行下載，即可有SUPCON DCS操作員對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，而不必再對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行DCS改造，達(dá)到了改造目的。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化工對(duì)自動(dòng)化控制水平的要求不斷提高，所采用的控制系統(tǒng)和設(shè)備也越來越多，由于制造商的不同，他們各自采用自己的通訊協(xié)議，形成了基于PLC、DCS、FCS并存的各種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。這就需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各輔助系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控控制，減少監(jiān)控點(diǎn)，從而達(dá)到化工生產(chǎn)“分散控制，集中管理”的特點(diǎn)。在該通訊系統(tǒng)中，SUPCON DCS的控制卡件直接連接到了西門子S7-300系列PLC的從站通訊和IO模塊，可使DCS操作員直接對(duì)生產(chǎn)輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和控制，降低了成本，極大地方便了自動(dòng)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制和操作。自該通信系統(tǒng)運(yùn)行以來，整個(gè)系統(tǒng)通訊正常，有效保證了整個(gè)化工控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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