基于PROFIBUS總線技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文主要介紹了運(yùn)用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建企業(yè)的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控;并運(yùn)用OPC接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)總線控制網(wǎng)絡(luò)和管理信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，提高了企業(yè)的綜合自動(dòng)化水平，管理水平。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS總線、OPC規(guī)范、控制網(wǎng)絡(luò)、綜合自動(dòng)化、監(jiān)控系統(tǒng)

0、前言

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一種用于各種現(xiàn)場儀表（包括變送器、執(zhí)行器、記錄儀、單回路調(diào)節(jié)器、可編程序控制器、流程分析器等）與基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。PROFIBUS現(xiàn)場總線是用于一定數(shù)目的區(qū)域和單元級設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，主要用于工廠自動(dòng)化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　綜合自動(dòng)化是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向,在完整的企業(yè)網(wǎng)構(gòu)架中,現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)涉及從底層現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)到上層信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程。網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ),在整個(gè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)場總線處于基礎(chǔ)地位,因此構(gòu)建完整的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型具有重要的意義。這種模型延伸到控制領(lǐng)域的最高層,即管理決策層,因此要求控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合,保證從底層現(xiàn)場設(shè)備到頂層生產(chǎn)管理之間,正確的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。OPC規(guī)范以O(shè)LE/DCOM為技術(shù)基礎(chǔ)，而OLE/DCOM支持TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此可以將各個(gè)子系統(tǒng)從物理上分開，分布于網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上。OPC標(biāo)準(zhǔn)保證了自動(dòng)化系統(tǒng)之間及商業(yè)系統(tǒng)之間可以經(jīng)過工廠來共享信息和相互操作，因此采用OPC接口技術(shù)可以使控制網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫聯(lián)接。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與任務(wù)

　　為了與國際接軌，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息化、現(xiàn)代化要求。廣東某堿廠擬建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，建成一個(gè)適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與此同時(shí)，使其與廣域網(wǎng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的充分共享和信息發(fā)送的安全機(jī)制。系統(tǒng)將廠區(qū)6個(gè)生產(chǎn)車間近856個(gè)溫度、壓力和液面等測試點(diǎn)及報(bào)警點(diǎn)在中央控制室全集中監(jiān)控，并將現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布到公司網(wǎng)頁，用戶可在瀏覽器上進(jìn)行瀏覽訪問，實(shí)現(xiàn)對各類信息數(shù)據(jù)的共享。要求控制網(wǎng)絡(luò)具有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性，各控制分站可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場級工業(yè)設(shè)備進(jìn)行安全可靠的監(jiān)視控制，并具有友好美觀的人機(jī)界面，能夠動(dòng)態(tài)顯示工藝流程，并且參數(shù)設(shè)置簡單，歷史、實(shí)時(shí)趨勢曲線查詢、報(bào)警及報(bào)表自動(dòng)打印等功能。

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用S7-300系列的CPU315-2DP可編程序控制器及PROFIBUS-DP通信模塊、擴(kuò)展I/O 模塊等通過PROFIBUS現(xiàn)場總線互聯(lián)構(gòu)成。各控制分站數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測系統(tǒng)綜合布線以PROFIBUS-DP為主架結(jié)構(gòu)，在6個(gè)車間根據(jù)輸入點(diǎn)的不同，用14個(gè)S-300的PLC及I/O擴(kuò)展模塊連接工業(yè)現(xiàn)場的傳感器;控制分站把PLC采集到的現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用PROFIBUS總線送到主控制室的主檢測計(jì)算機(jī)上顯示。并結(jié)合資源信息共享的要求，利用PROFIBUS總線和INTERNET技術(shù)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(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成。控制網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和OPC接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，建立企業(yè)綜合實(shí)時(shí)信息庫，為企業(yè)的優(yōu)化控制、調(diào)度決策提供依據(jù)。

　　廣東某堿廠數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布式I/O數(shù)據(jù)采集、主站監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、公司內(nèi)局域網(wǎng)、過程控制，網(wǎng)絡(luò)綜合布線等子系統(tǒng)組成。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置如下所示：

圖1.系統(tǒng)框圖

　　2.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

　　根據(jù)廣東某堿廠數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品構(gòu)成。采用S7-300系列的CPU315-2DP及PROFIBUS-DP通信模塊、擴(kuò)展I/O 模塊SIMATIC ET200M等構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過PROFIBUS總線集成;經(jīng)多方考慮，該方案具有較高的性能價(jià)格比。在傳統(tǒng)的工廠自動(dòng)化中，輸入/輸出設(shè)備連接到一個(gè)集中的機(jī)架，在設(shè)備改變和系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),導(dǎo)致接線工作量大，成本高，柔性度低;系統(tǒng)應(yīng)用SIMATIC ET200分布式I/O通過開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，是解決這些問題的最佳方案。控制分站人機(jī)界面采用西門子全集成的PROTOOL組態(tài)軟件，開發(fā)出友好美觀的人機(jī)界面，能夠動(dòng)態(tài)顯示工藝流程，并且使其參數(shù)設(shè)置簡單，歷史、實(shí)時(shí)趨勢曲線查詢、報(bào)警及報(bào)表自動(dòng)打印等功能;現(xiàn)場執(zhí)行級設(shè)備由PLC集中控制，并采用自適應(yīng)、模糊、智能PID等控制算法編程，使其控制安全可靠，實(shí)現(xiàn)單元級設(shè)備的優(yōu)化控制，能夠滿足現(xiàn)場設(shè)備的各種控制要求。

圖2.現(xiàn)場PROTOOL人機(jī)界面

　　2.2中央實(shí)時(shí)監(jiān)控層（調(diào)度中心）

　　主控制室采用WINCC作為上位監(jiān)控軟件，WINCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的中性系統(tǒng)。該軟件具有使用簡單、組態(tài)方便、性能可靠、功能齊全等特點(diǎn);它有大量的通訊接口，可以和各種智能設(shè)備相互通訊。基于西門子全集成自動(dòng)化技術(shù)，WINCC通過SIMATIC S7協(xié)議集可以和SIMATIC S7設(shè)備進(jìn)行各種協(xié)議的通訊。WINCC在系統(tǒng)中承擔(dān)了數(shù)據(jù)管理、工廠數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、趨勢、數(shù)據(jù)記錄及中文報(bào)表等工作。操作員通過操作終端詳細(xì)了解全廠生產(chǎn)運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化控制。

　　WINCC組態(tài)軟件根據(jù)系統(tǒng)要求，實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并具有良好的用戶界面。部分人機(jī)界面如下所示：

圖3.中心WINCC人機(jī)界面

3、控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的連接

　　傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)作為支撐現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的基礎(chǔ)設(shè)施，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。但過去，動(dòng)用了當(dāng)時(shí)最好的技術(shù)和最好的人才，可以開發(fā)出好的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)不具備開放性，各個(gè)部分的聯(lián)系過于緊密，使系統(tǒng)過于復(fù)雜。這樣系統(tǒng)的更新、擴(kuò)展、升級變得非常困難。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中出現(xiàn)的另一個(gè)主要問題是軟件的重復(fù)開發(fā)，軟件不能夠重用，資源不能共享，造成大量人力與物力資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)在OPC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為工業(yè)界系統(tǒng)互聯(lián)的缺省方案，保證了自動(dòng)化系統(tǒng)之間及商業(yè)系統(tǒng)之間可以經(jīng)過工廠來共享信息和相互操作。OPC規(guī)范基于OLE/COM技術(shù)，同時(shí)OLE/COM的擴(kuò)展遠(yuǎn)程OLE自動(dòng)化與DCOM技術(shù)支持TCP/IP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此可以將OPC客戶、服務(wù)器在物理上分開，分布于網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點(diǎn)上。下圖中OPC的客戶/服務(wù)器關(guān)系圖描述了OPC在SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　企業(yè)信息化、辦公自動(dòng)化主要通過INTERNET技術(shù)和WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，把信息發(fā)布到網(wǎng)上，通過網(wǎng)頁方式來瀏覽，達(dá)到資源共享。實(shí)現(xiàn)WEB頁面更新的方式主要有兩種：一是通過ActiveX技術(shù)，另一是通過動(dòng)態(tài)頁面技術(shù)。ActiveX技術(shù)是通過下載ActiveX控件來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)上信息的動(dòng)態(tài)更新和交互，實(shí)現(xiàn)的信息表示和交互方式也更為靈活，并有豐富的開發(fā)工具支持，但對客戶機(jī)的性能要求較高。動(dòng)態(tài)頁面技術(shù)則通過CGI、ASP編程或嵌入各種Script語言來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在比較流行的是ASP網(wǎng)頁技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的信息資源在信息網(wǎng)絡(luò)上共享，可以通過網(wǎng)頁嵌入JAVA腳本程序，訪問OPC服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁上動(dòng)態(tài)刷新;訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)頁上查看歷史趨勢圖。

　　WINCC服務(wù)器在系統(tǒng)中即作為中心監(jiān)控平臺，又作為OPC服務(wù)器。允許與其它具有OPC客戶機(jī)接口的應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)頁服務(wù)器（WEB、郵件服務(wù)器）通過OPC通訊接口程序和OPC服務(wù)器（WINCC服務(wù)器）通訊，就可以在公司網(wǎng)頁上顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)頁瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖所示

圖4.信息網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)頁瀏覽

　　通過控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,可以建立統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫,保證所有數(shù)據(jù)的完整性和互操作性;現(xiàn)場設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信,使用戶通過信息網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)的圖形界面隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)情況;控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成也便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維護(hù)功能。為后期建立完整、高效、實(shí)用方便的ERP管理系統(tǒng)及生產(chǎn)綜合控制提供硬件平臺，真正實(shí)現(xiàn)辦公、過程控制的全集成自動(dòng)化。

4、結(jié)論

　　本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大，控制分站多，系統(tǒng)可靠性高，并通過PROFIBUS總線和OPC接口技術(shù)基本建成了適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息化、辦公自動(dòng)化達(dá)到資源共享,能夠可靠安全的運(yùn)行，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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