基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成

1、引 言

　　現(xiàn)場總線以其獨特的優(yōu)勢已成為自動控制領(lǐng)域的熱點。構(gòu)建以現(xiàn)場總線底層控制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)企業(yè)管理、控制一體化的綜合自動化系統(tǒng)是企業(yè)致力實現(xiàn)的目標(biāo)。作為企業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)服務(wù)于企業(yè)的目標(biāo)，以完成信息的集成。

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術(shù)就是基于此目而逐漸發(fā)展進(jìn)步的，是用一種系統(tǒng)或者一個自動化平臺完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成所有功能的集成方案，能大大簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少大量接口部件。應(yīng)用集成技術(shù)克服了上位機和現(xiàn)場工業(yè)控制設(shè)備之間、集中與分散之間的界限。

　　Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)，以現(xiàn)場總線為紐帶，可以把單個分散的測控設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成底層現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)信息共享，滿足工業(yè)控制體系分布化、扁平化和智能化的發(fā)展要求。Profibus在現(xiàn)場總線的應(yīng)用中占有相當(dāng)大的比例，且有著重要優(yōu)勢，在現(xiàn)場總線領(lǐng)域中一直占據(jù)著先鋒地位。由于Profibus適用領(lǐng)域的廣泛性（它既適用于工業(yè)自動化中離散加工過程的應(yīng)用，也適用于流程自動化中連續(xù)和批處理過程的應(yīng)用），以及它的成熟性、先進(jìn)性和標(biāo)志性，本文以Profibus作為現(xiàn)場總線的代表介紹現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術(shù)。

2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展

　　2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生

　　現(xiàn)場總線是過程控制技術(shù)、智能儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三個不同領(lǐng)域結(jié)合的產(chǎn)物，把自動控制系統(tǒng)和設(shè)備帶進(jìn)了信息網(wǎng)絡(luò)之中，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，從而為實現(xiàn)企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化提供了可行的基礎(chǔ)。現(xiàn)場總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。

　　2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展

　　由于技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性和繼承性，以及不同系統(tǒng)研發(fā)投資和市場利益的驅(qū)使，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，不會使得其他系統(tǒng)（如DCS，PLC等）很快消失而形成了多種系統(tǒng)集成的局面。目前世界上多種現(xiàn)場總線仍共存，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化是多元化的，所以必須發(fā)展多種現(xiàn)場總線之間的集成技術(shù)。

　　現(xiàn)在Internet和Intranet（企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)）正在把世界范圍的計算機和通信設(shè)備聯(lián)成一個全球化的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了比孤立的網(wǎng)絡(luò)強大得多的功能，隨著由各種現(xiàn)場總線智能單元組成的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)Infranet的出現(xiàn)，控制網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備也接入了Internet，新一代的企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也伴隨而產(chǎn)生。如何使控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)達(dá)到無縫連接是近期企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展重點?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的信息集成技術(shù)就是在這樣的趨勢下產(chǎn)生的。

　　由于各種現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和競爭、各種計算機主流技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透和應(yīng)用以及自動化技術(shù)發(fā)展的延續(xù)性和繼承性，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的集成技術(shù)的研究和發(fā)展將面臨著多總線集成、多系統(tǒng)集成、多技術(shù)集成的局面。

3、基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成

　　結(jié)合“北京聯(lián)合大學(xué)智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室”的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)說明如何實現(xiàn)基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術(shù)，達(dá)到Infranet、Intranet和Internet三者結(jié)合形成的測控管一體化。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

　　現(xiàn)場被控設(shè)備有兩臺三容器液位裝置、兩個皮帶傳輸機、三臺立式電爐。三容器液位控制系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出的系統(tǒng)，通過控制水泵閥位的開度使三容器的液位達(dá)到我們的設(shè)定值。皮帶傳輸機是通過控制變頻器的頻率來改變皮帶傳輸機傳輸速度。立式電爐是一個雙輸入雙輸出的溫度場控制對象，通過控制占空比來控制電爐的溫度。因為被控對象較多且分布較散，所以監(jiān)控系統(tǒng)必須是徹底的分散和分布。

　　整個系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：底層是現(xiàn)場設(shè)備層，中間層為監(jiān)控層，上層為信息管理層?，F(xiàn)場設(shè)備層是以Profibus-DP總線為基礎(chǔ)，現(xiàn)場設(shè)備互連，集成了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場層分布式控制網(wǎng)絡(luò)Infranet；監(jiān)控層是處于環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet中，從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計。它通過專門的現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活；信息管理層是通過校園局域網(wǎng)與Internet網(wǎng)連接，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

　　為何要使用Ethernet，因為現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場層設(shè)備通信設(shè)計，它只解決了底層自動化系統(tǒng)的信息集成問題，并不適用于傳輸較大量的數(shù)據(jù)，也不容易與管理層進(jìn)行集成。而以太網(wǎng)設(shè)計初衷就是用于數(shù)據(jù)處理的辦公網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)可以達(dá)到很高的通信速率。利用以太網(wǎng)的優(yōu)點，結(jié)合PLC控制器及現(xiàn)場總線，就可以構(gòu)成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。

　　3.2 軟硬件配置

　　現(xiàn)場層：因考慮到設(shè)備分布廣，各工序各設(shè)備需并行地進(jìn)行工作，所以用三路Profibus-DP總線構(gòu)成整個底層控制網(wǎng)絡(luò)分別對各被控對象的生產(chǎn)過程進(jìn)行實時控制，每路總線包含一個PLC總站和若干DP從站，三路總線之間獨立運行互不影響。該例中以西門子SIMATIC S7系列PLC作為Profibus總站，三臺PLC通過交換機掛在Ethernet上；智能傳感器、執(zhí)行器、變頻器等現(xiàn)場級設(shè)備等作為從站，采用Profibus-DP協(xié)議對現(xiàn)場級設(shè)備、Profibus-DP通信模塊、擴(kuò)展I/O模塊等與PLC進(jìn)行通訊。若需增加被控對象，可根據(jù)實際需要在以太網(wǎng)上擴(kuò)展PLC站（或別的主站）形成新的若干路總線即可，不影響以組建好的PLC站和各路總線。

　?。?）1#Profibus-DP總線控制兩臺三容器液位裝置：PLC S7-300（CPU型號CPU 314C-2 DP）作為總站，CP 343-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的相連，兩臺三容器的四個液位傳感器和四個電磁泵作為從站，通過Profibus-DP總線互連并與PLC總站通信；

　?。?）2#Profibus-DP總線控制兩臺皮帶傳輸機：PLC S7-400（CPU型號CPU 414-3 DP）作為總站，CP443-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的互連，由ET200M IM 153-1作為DP遠(yuǎn)程從站，通過Profibus-DP總線與PLC總站通信，ET200M從站上掛有三個I/O模塊，兩臺皮帶傳輸機的四個變頻器分別與ET200M站的I/O模塊通信；

　　（3）3#Profibus-DP總線控制三臺立式電爐：PLC S7-400（CPU型號CPU 412-2 DP）作為總站，CP443-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的互連，由ET200S IM151-1作為DP遠(yuǎn)程從站，通過Profibus-DP總線與PLC總站通信，ET200S從站上掛有電源模塊和四個I/O模塊，三臺立式電爐的六個熱電阻電源和六個溫度傳感器分別與ET200S站的I/O模塊通信。

　　監(jiān)控層：由多臺計算機，多個工程師站和監(jiān)控站組成，可根據(jù)實際需求增設(shè)，互不影響。每個站都通過Ethernet與各PLC站相互通信。工程師站裝有Step7控制軟件，該軟件是西門子SIMATIC S7系列PLC的配套軟件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的硬件配置組態(tài)、軟件編程、參數(shù)設(shè)置等。完成上位機各站與下位機PLC站的通信，需要使用Step7軟件給Ethernet通信的各CP模塊分配好IP地址。監(jiān)控站裝有與西門子系列PLC配套的WinCC監(jiān)控軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件組態(tài)，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理、報警、趨勢、打印報表等工作。各操作員可通過操作終端詳細(xì)了解各設(shè)備運行情況，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控，實現(xiàn)自動控制。

　　信息層：由校園局域網(wǎng)連接Internet網(wǎng)構(gòu)成；由高性能計算機、工作站、PC機等組成。通過計算用客戶機、服務(wù)器完成一般數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的集成，建立分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)據(jù)共享，保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整、互操作和一致性；在局域網(wǎng)內(nèi)的工作站安裝監(jiān)控軟件就可實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控；與外界的Internet連接實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部管理層與企業(yè)遠(yuǎn)程網(wǎng)點的信息集成。

　　這種結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)集成，達(dá)到了信息傳輸、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，還可根據(jù)需要擴(kuò)展監(jiān)控站和PLC站。再結(jié)合利用Internet的技術(shù)就可以使該集成建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)、過程監(jiān)控的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成，使現(xiàn)場設(shè)備的各信息在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)甚至企業(yè)外部網(wǎng)都能訪問到而不需到現(xiàn)場進(jìn)行觀測。

　　該控制系統(tǒng)實例完成了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成，真正實現(xiàn)了Intranet/Infranet/Internet測控管一體化網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)了信息化、辦公自動化，達(dá)到了資源共享等。整個控制系統(tǒng)是模擬工廠設(shè)備而建的，運行了較長時期達(dá)到了良好的效果，是適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)根據(jù)實際需要只運用了若干集成技術(shù)，而基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可實行的集成方案還有很多種，應(yīng)根據(jù)項目的實際需要選擇性地加以應(yīng)用。現(xiàn)給出幾種普遍使用的方案：Profibus-DP與其它總線集成，如CAN總線、LONWORKS總線等；FCS與PLC、DCS的集成；與以太網(wǎng)（Ethernet）的集成實現(xiàn)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)Infranet和企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)Intranet的互聯(lián)；與OPC（OLE for Process Control）、DDE（Dynamic Data Exchange）等技術(shù)的集成實現(xiàn)數(shù)據(jù)等信息的共享。

4、結(jié) 論

　　基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術(shù)以Profibus-DP總線為底層控制網(wǎng)絡(luò)，將Profibus-DP總線和其他各相關(guān)技術(shù)的優(yōu)點集成在一起實現(xiàn)了與上層企業(yè)網(wǎng)之間的互聯(lián)，使現(xiàn)場生產(chǎn)和控制信息可以及時在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)交換，甚至可以將相關(guān)信息發(fā)布在企業(yè)外部網(wǎng)上，提供了更大程度的信息共享，相關(guān)人員能方便地了解企業(yè)生產(chǎn)情況，有利于管理層的決策，還可對生產(chǎn)對象進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維護(hù)等，節(jié)省大量人力物力，特別適用于大型企業(yè)，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術(shù)實現(xiàn)必須注意以下問題：1.項目是否適于使用現(xiàn)場總線；2.網(wǎng)絡(luò)性能，如系統(tǒng)實時性，可靠性等；3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，網(wǎng)段最大長度等；4.有無成功應(yīng)用先例；5.市場因素等。