基于ProfiBus的過程控制系統(tǒng)軟硬件組態(tài)研究

　　0 引言

　　伴隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的大型化、復(fù)雜化、連續(xù)化和自動化發(fā)展，對工業(yè)控制系統(tǒng)的控制水平和品質(zhì)也有了更高的要求。現(xiàn)場總線技術(shù)也應(yīng)運而生，用于實現(xiàn)自動化系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場控制器和智能儀表設(shè)備的互聯(lián)和實時通信。它是一種開放的、具互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)[1].本文將以ProfiBus現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，介紹以Siemens PLC 300 和Wincc 組態(tài)軟件為主體的過程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)過程。

　　1 ProfiBus 現(xiàn)場總線

　　ProfiBus現(xiàn)場總線是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)[2-3],可實現(xiàn)現(xiàn)場級到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案[4].ProfiBus系列由ProfiBus-DP/FMS/PA三個兼容部分組成。其中ProfiBus-DP和PA的特點如下[1,5]:

　　ProfiBus-DP 適用于自動控制系統(tǒng)與分散I/O 之間的高速通信；可取代24 V 或4~20 mA 的串聯(lián)式信號傳輸；使用RS 485傳輸技術(shù)或光纖媒體。

　　ProfiBus-PA 專為過程自動化設(shè)計；可將變送器和執(zhí)行器連接到一根公共總線，可用于本質(zhì)安全領(lǐng)域；數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的ProfiBus-DP協(xié)議，還具有PA行規(guī)。

　　本文將采用ProfiBus-DP和ProfiBus-PA通信協(xié)議來構(gòu)建過程控制系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本過程控制系統(tǒng)用于模擬對工業(yè)現(xiàn)場液位、溫度等信息的采集、處理，PID 控制和控制工藝流程的實時監(jiān)控。系統(tǒng)通過ProfiBus現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，采用MPI通信方式與上位機(jī)進(jìn)行通信和遠(yuǎn)程控制，從而使整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要包含上位監(jiān)控機(jī)、CPU、以太網(wǎng)通信模塊、DP鏈路、分布式I/O和變頻器DP從站、溫度和壓力變送器、閥門定位器、電磁流量計等。CPU 采用Siemens 的S7300 315-2 DP,既具有多點通信功能的MPI 接口，又具有ProfiBus-DP通信功能[6].

　　3 系統(tǒng)組態(tài)

　　3.1 硬件組態(tài)

　　針對西門子S7-300 PLC 來說，其硬件組態(tài)是通過Step7 軟件來實現(xiàn)的。組態(tài)過程主要包括以下幾個步驟。

　?。?）新建項目

　　新建項目時需選擇好存儲路徑和項目名稱。

　?。?）添加工作站

　　右鍵點擊新建的站點名字，選擇插入SIMATIC300 Station.

　?。?）硬件配置[7]

　　雙擊Hardware 進(jìn)入硬件配置界面，從右側(cè)硬件列表中拖入機(jī)架，并按實際機(jī)架上模塊的順序依次添加電源、CPU（315-2DP）、AI/AO模塊。DP/PA link等。根據(jù)每個測試系統(tǒng)的不同，有選擇的在PA層掛入變頻器、流量計、變送器和電磁閥等對象。圖2是組態(tài)完的結(jié)果。

　　注意事項：

　　① 硬件配置必須和實際PLC 上掛的模塊一致，具體的設(shè)置參數(shù)要看模塊左下方的訂貨號。

　?、?CPU 地址設(shè)為2,其余模塊地址從4 開始，且不能重復(fù)[8].

　　③ 設(shè)置ProfiBus網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為1.5 Mb/s（DP）。

　?、?模塊地址需記住，因為編程的時候要用到。尤其是AI/AO模塊地址要記住，以保證數(shù)據(jù)的正確通信。

　?、?AI/AO模擬量模塊的輸入和輸出通道信號類型此處設(shè)為兩線制4~20 mA.

　　⑥ 硬件配置好后可選擇保存編譯。

　　（4）程序編寫PLC 程序是用于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理，及Wincc監(jiān)控頁面和PLC之間的互聯(lián)通信。

　　PLC 程序主要包含主程序塊，故障診斷組織塊，功能函數(shù)塊FB41（連續(xù)控制PID），DB數(shù)據(jù)塊。FB41函數(shù)塊的參數(shù)設(shè)置是程序編寫的重點，主要針對MAN_ON、PVPER_ON、PV_FAC、PV_OFF、LMN_FAC、LMN_OFF、SP_INT、LMN_PER 等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。具體的定義和設(shè)置要求可通過查閱幫助文件來獲取。

　　3.2 通信組態(tài)

　　在Step7 軟件的option 選項里選擇Set PG/PC Inter-face,把通信協(xié)議改為CP5611（MPI），點擊“Diagnostics”

　　按鈕進(jìn)入測試頁面。點擊“Test”按鈕顯示正常，然后點擊“Read”按鈕讀到PLC地址為2表示通信成功。

　　軟硬件均編譯通過后，即可下載進(jìn)PLC.

　　3.3 監(jiān)控頁面組態(tài)

　　本例中用Wincc 軟件來驅(qū)動Step7 的變量，實現(xiàn)對程序的監(jiān)控。

　?。?）新建項目和添加驅(qū)動程序

　　新建項目時需設(shè)置項目類型、名稱和路徑。

　　選擇變量管理--新建驅(qū)動程序--插入SIMAT-IC S7 PROTOCOL SUITE.此通信驅(qū)動程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，此處選擇MPI（和PLC 的通信協(xié)議一致），并設(shè)置站地址為2.

　　（2）組態(tài)變量

　　Wincc 變量類型主要有過程變量和內(nèi)部變量。其中過程變量是真實值，位于PLC的存儲器中。內(nèi)部變量表示在Wincc中用來計算或模擬的內(nèi)部值，不與PLC之間進(jìn)行通信。每個變量在組態(tài)時需定義變量名稱和類型。過程變量還需選擇PLC中地址和數(shù)據(jù)格式變換。

　?。?）創(chuàng)建過程畫面

　　過程畫面是由圖形編輯器來完成的。在該界面中可添加全部欲在運行狀態(tài)下顯示的內(nèi)容。Wincc 的圖庫中提供了豐富的圖形，只需選擇拖入畫面即可?！皩ο筮x項板”的“標(biāo)準(zhǔn)板”中列出了線、靜態(tài)文本、輸入輸出域等對象；“控件板”中列出了時鐘、報警控件、在線表格控件、在線趨勢控件等。圖3 是組態(tài)完成后的一個監(jiān)控畫面。

　　注意事項：

　　① 畫面中需動態(tài)顯示的文本框、圖形、按鈕、輸入/輸出域、滾動條等一定要設(shè)置好連接的變量名，同時亦可在屬性選項中更改顯示方式等參數(shù)。

　?、?運行系統(tǒng)中如需采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建過程數(shù)據(jù)變化趨勢曲線時，需先對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，將其存儲在歸檔數(shù)據(jù)庫中，并用表格或趨勢曲線的形式輸出當(dāng)前過程值或已歸檔過程值。

　　歸檔中要設(shè)置歸檔變量名、歸檔周期。圖3 使用了Wincc Online Trend Control這個ActiveX 控件來顯示過程數(shù)據(jù)變化趨勢。

　?。?）創(chuàng)建腳本

　　Wincc 可以通過使用函數(shù)和動作使項目中的過程動態(tài)化，可自行建立項目函數(shù)，也可建立全局動作腳本來實現(xiàn)動態(tài)顯示要求。

　　（5）設(shè)置系統(tǒng)運行屬性和激活項目

　　在Wincc 資源管理器的左邊子窗口中點擊“計算機(jī)”進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括計算機(jī)的名稱、運行畫面的外觀、起始畫面、標(biāo)題、畫面大小等。

　　全部組態(tài)結(jié)束后，即可點擊激活按鈕，觀看項目的動態(tài)可視化監(jiān)控畫面了。

　　注意事項：

　　① 若運行項目是從其他計算機(jī)上拷過來的，必須更改計算機(jī)名為當(dāng)前計算機(jī)名。

　?、?選擇在運行時需啟動的組件，可選擇圖形運行系統(tǒng)、報警記錄運行系統(tǒng)、變量記錄運行系統(tǒng)等。

　?、?熱鍵在組態(tài)階段不需屏蔽，當(dāng)組態(tài)結(jié)束進(jìn)入使用階段，則須將所有熱鍵屏蔽。

　　4 結(jié)語

　　通過這一過程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)，可掌握PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和PID控制技術(shù)，具有一定的實用價值。本文是基于ProfiBus現(xiàn)場總線、Siemens PLC和Wincc組態(tài)軟件，構(gòu)建了一個典型的工業(yè)過程運行和監(jiān)控系統(tǒng)。在具體構(gòu)建過程中，因項目的差異，可靈活選擇不同的組網(wǎng)和通信方式。本文提供的僅是一個范例，只要掌握了基本方法，還可以將其進(jìn)一步推廣到其他控制領(lǐng)域。