基于PROFIBUS-DP的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設計與應用

高 靜,黃紹明

（中國工程物理研究院,四川 綿陽 621900）

基于PROFIBUS-DP的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設計與應用

高 靜,黃紹明

（中國工程物理研究院,四川 綿陽 621900）

針對易燃易爆介質(zhì)生產(chǎn)和存放安全性要求,提出了基于PROFIBUS-DP的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)解決方案,完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程設計。結(jié)合PROFIBUS-DP開放式現(xiàn)場總線描述了系統(tǒng)網(wǎng)絡通信協(xié)議,下位機采用S7-200系列CPU模塊和I/O模塊構(gòu)成,上位機采用與設備無關的MCGS作為監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了對采集的數(shù)據(jù)進行集中管理和實時監(jiān)控。實際運行證明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,可靠性及過程自動化控制效率得到了顯著提高,達到了設計目標。

分布式控制系統(tǒng);現(xiàn)場總線;參數(shù)采集;PLC;PROFIBUS-DP;系統(tǒng)設計

1 引 言

PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線,目前已成為我國國家標準GB/T20540-2006的現(xiàn)場總線。PROFIBUS由PROFIBUS-DP（分布式外部設備）、PROFIBUS-PA（過程自動化）和PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）三部分組成[1]。PROFIBUS-FMS由于配置和編程比較繁瑣,有被逐漸淘汰的趨勢。PROFIBUS-PA主要用于過程自動化和比較苛刻的工業(yè)環(huán)境,同時它是一種低速傳輸總線。而PROFIBUS-DP總線是為高速設備分散控制或自動化控制而設計的,特別適用于自動控制系統(tǒng)和外部設備級分散I/O之間的通信,遠程I/O系統(tǒng)尤為適合,有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率,在過程自動化領域有著廣泛的應用。

由于傳統(tǒng)的模擬量檢測處理方法,其系統(tǒng)的硬件改造及擴展都不方便,故障判斷與報警能力較差,造成系統(tǒng)的安裝成本高、運行可靠性低、人工維護量大。采用PLC與PROFIBUS現(xiàn)場總線組成的控制系統(tǒng),利用組態(tài)軟件完成對危險場所工藝參數(shù)的實時監(jiān)控,可有效避免上述諸多問題,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

分布式控制系統(tǒng),又稱集散控制系統(tǒng),是當前工業(yè)控制領域中比較流行的一種控制模式,其特點是“分散控制、集中管理”。由于它是分散控制,能分散危險,大大降低某點出現(xiàn)故障時對整個系統(tǒng)的危害,從而保證其可靠性和實時性,所以,在一些實時性要求很高的工業(yè)現(xiàn)場,一般都采用這種控制模式。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,系統(tǒng)硬件由安全區(qū)域和危險區(qū)域兩部分組成。由下位機PLC完成危險區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別、輸入輸出控制等。位于中央控制室內(nèi)的上位機完成采集信息的存儲、事件記錄與處理、參數(shù)設定、狀態(tài)顯示、高級復雜算法等功能,實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。上位機內(nèi)配置支持PROFIBUS-DP協(xié)議的CP5611通信適配卡,用于完成PROFIBUS-DP總線與上位監(jiān)控計算機之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換[2],使上位機通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與下位機進行信息交換,最后利用組態(tài)軟件完成對危險場所的監(jiān)控,是一種高性能低成本的解決方案。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

為了提供友好的人機界面和滿足系統(tǒng)實時性的要求,監(jiān)控主站采用實時性好、擴展方便、抗干擾能力強、可靠性高的研華PCA-6006LV工控機,配有WIN2000 NT操作平臺,采用MCGS通用監(jiān)控軟件進行組態(tài)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理、操作控制、系統(tǒng)維護、通信管理等功能。運行人員通過鼠標或鍵盤,即可調(diào)出采集信號的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實時曲線和實時報警等相應的顯示畫面,極大方便了工作人員的操作和監(jiān)控。

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)由可編程控制器PLC組成?？删幊炭刂破魇且宰詣涌刂萍夹g、微計算機技術和通信技術為基礎發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置。近年來,在工業(yè)自動控制、機電一體化以及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛應用,被譽為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之首。PLC既能實現(xiàn)開關量信號的邏輯控制,又能實現(xiàn)與計算機等智能設備之間的通信,而且還具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。當選配相應的模擬量I/O模塊后,就可以實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的模擬量I/O信號的處理和生產(chǎn)設備的連續(xù)控制。

根據(jù)被測點的物理位置,將測控點劃為3個區(qū)域:1號工作區(qū)共需采集33個模擬量和9個數(shù)字量,9個控制信號輸出;2號工作區(qū)需要采集27個模擬量和9個數(shù)字量,9個控制信號輸出;3號工作區(qū)需采集5個模擬量和2個數(shù)字量。綜合上述因素,選用西門子S7-200系列 CPU226、CPU224、模擬量輸入模塊EM 231、網(wǎng)絡通信模塊EM 277、中文文本顯示器TD200等模塊組成測控系統(tǒng),且DDC控制箱1、2中采用了雙CPU系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system control mechanism

3 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)系統(tǒng)的測控要求,本系統(tǒng)采用監(jiān)控中心和測控分站兩級控制。測控分站分為3個區(qū)域,分別由3個DDC控制箱進行控制。

DDC控制箱1的工作原理:分布于各個測量點的溫濕度傳感器和負壓傳感器將采集到的信號,分別由屏蔽線經(jīng)各自的安全柵傳至變送器放大為4～20 mA的標準信號,由EM231模塊進行A/D轉(zhuǎn)換后分別傳至CPU226與CPU224進行轉(zhuǎn)換、計算。CPU224中的數(shù)據(jù)通過CPU226向外界傳輸,DDC1中的數(shù)據(jù)分兩路輸出:一路經(jīng)CPU226自帶的RS-485端口,直接輸出至TD200中文文本顯示器就地循環(huán)顯示;另一路由EM277模塊通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上傳至工控機并顯示。當現(xiàn)場有火災發(fā)生時,CPU接收來自火災報警系統(tǒng)的輸出信號后,立即聯(lián)動相應的磁力啟動器,關閉相應電動閥,在接收到電動閥“滿閉”反饋信號后,分別取消相對應的關閥控制信號,火警系統(tǒng)接收到所有閥門“滿閉”信號后,聯(lián)動氣體滅火裝置進行滅火。當火警解除后,系統(tǒng)聯(lián)動相應的磁力啟動器,打開相應電動閥,在系統(tǒng)接收到電動閥“滿開”反饋信號后,分別取消相對應的開閥控制信號。

DDC控制箱2的工作原理同DDC1。DDC控制箱3對空調(diào)機組的運行參數(shù)進行監(jiān)測。通過傳感器采集空調(diào)機組的新風溫濕度、送風溫濕度、差壓開關狀態(tài)和送風風速,并由送風風速計算出送風風量。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場總線設計

現(xiàn)場總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng),是當今自動化領域發(fā)展的熱點之一。近年來,隨著工業(yè)生產(chǎn)的控制規(guī)模不斷擴大和復雜程度不斷增加,企業(yè)對自動化控制要求越來越高,網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)開始成為日前工業(yè)控制領域的熱點。網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的構(gòu)建是計算機技術、通信技術和智能傳感器技術的綜合應用,現(xiàn)代計算機技術和傳感器技術已比較成熟,對于分布式控制系統(tǒng),往往整個系統(tǒng)構(gòu)建的技術瓶頸在于如何設計一個有效的通信網(wǎng)絡,從而保證那些在空間上分散且環(huán)境惡劣的傳感器能夠與監(jiān)控中心實時地進行信息交換。隨著通信技術、計算機網(wǎng)絡技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的不斷推廣和應用,工業(yè)控制過程對現(xiàn)場信號的采集、傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提出了更新更高的要求,因此,處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)需要一種能在多點數(shù)字通信且廉價可靠的底層網(wǎng)絡系統(tǒng)。普通的控制方式只能采用一對一連線,難以實現(xiàn)設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換,而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則可以滿足這種工業(yè)網(wǎng)絡的控制需求。

4.1 現(xiàn)場總線

IEC對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義是“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”,它是當前工業(yè)自動化的熱點之一?，F(xiàn)場總線I/O集檢測、數(shù)據(jù)處理、通信為一體,可以代替變送器、調(diào)節(jié)器、記錄儀等模擬儀表,它不需要框架、機柜,可以直接安裝在現(xiàn)場導軌槽上。現(xiàn)場總線I/O的接線極為簡單,只需要一根電纜,從主機開始,沿數(shù)據(jù)鏈從一個現(xiàn)場總線I/O連接到下一個現(xiàn)場總線I/O[1]。

PROFIBUS-DP作為開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng),它已被全世界廣泛使用,具有很好的實時應用性能。設備之間的通信采用“主-從”方式,且PROFIBUSDP在數(shù)據(jù)傳輸速率（可達12Mbit/s）、效率和連接成本方面是優(yōu)化的,特別適用于自動化系統(tǒng)與外圍設備之間的通信。PROFIBUS-DP總線工作在工廠自動化系統(tǒng)的最底層——設備級,承擔控制器與現(xiàn)場設備比如傳感器或傳動設備之間進行實時數(shù)據(jù)交換的任務。

在控制系統(tǒng)中,網(wǎng)絡通信的可靠性高低直接決定了系統(tǒng)的好壞。在本系統(tǒng)中,根據(jù)現(xiàn)場分區(qū)的實際傳輸距離、網(wǎng)絡傳輸速度、性價比、可靠性等控制要求,采用了PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。通過設置從站的方法,利用PROFIBUS-DP可以把地理位置相對分散的設備控制信號用一根雙絞線電纜送到主站,這樣不但可節(jié)約大量的電纜,同時系統(tǒng)的可靠性也有很大的提高。

4.2 網(wǎng)絡通信協(xié)議

工控機與PLC組成主從式實時監(jiān)控系統(tǒng),是自動控制、計算機應用、信號檢測與處理、通信等技術的綜合應用,能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢,在此類控制系統(tǒng)中,上、下位機的通信協(xié)議是關鍵技術之一。

S7-200系列PLC支持PPI（點對點接口）、MPI（多點接口）、PROFIBUS等多種通信協(xié)議。本環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線“主-從通信”結(jié)構(gòu),如圖2所示。主站通過PROFIBUS-DP總線和各遠程I/O從站進行連接,主站機箱內(nèi)裝有一塊支持PROFIBUS協(xié)議的CP5611通信適配卡,網(wǎng)絡連接器通過其上的 RS-485通信端口連接主站與從站,實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換。每個從站都是通過其上的EM 277模塊,利用網(wǎng)絡連接器通過PROFIBUS-DP總線與主站進行通信。

圖2 PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of PROFIBUS-DP bus

在DDC控制箱 1、2中,CPU226與CPU224連成一個 PPI網(wǎng)絡,采用了PPI“主-從”通信協(xié)議。CPU224是CPU226的一個從站,它們通過自身的RS-485端口進行數(shù)據(jù)傳輸,最后DDC控制箱中采集的數(shù)據(jù)由CPU226通過EM277通信模塊實現(xiàn)與主站的通信。主站設備發(fā)送數(shù)據(jù)讀/寫請求到從站設備,從站設備響應,從站不主動發(fā)信息,只是等待主站的請求,并根據(jù)請求作出響應。

5 系統(tǒng)軟件設計

5.1 下位機編程

下位機S7-200 PLC采用Simatic公司的STEP7-M icr/WIN32進行編程,主要完成系統(tǒng)的保護、數(shù)據(jù)采集和控制等功能[3]。STEP7是在Windows平臺上運行的編程軟件,支持STL、LAD和FBD 3種編程語言,并可以在三者之間隨時轉(zhuǎn)換,為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應用程序提供了良好的編程環(huán)境[4]。PLC通過一根PC/PPI電纜與計算機串口連接,在STEP7編程環(huán)境下建立連接,即可實現(xiàn)PC機與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)整個系統(tǒng)的工作情況,按DDC控制箱分為3個程序模塊編寫。DDC控制箱1、2的程序框圖如圖3所示,在 DDC1和 DDC2中為雙 CPU系統(tǒng),CPU226作為就地控制單元的核心部分,負責現(xiàn)場溫濕度、負壓信號的采集、轉(zhuǎn)換、計算,控制命令的執(zhí)行,讀取CPU224中的數(shù)據(jù)。CPU224負責現(xiàn)場負壓信號的采集、轉(zhuǎn)換、計算。DDC控制箱3的程序框圖如圖4所示,在DDC3中CPU224負責對空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度、差壓、風速等參數(shù)進行采集、轉(zhuǎn)換和計算。

圖3 DDC 1、2程序框圖Fig.3 Flowcharts of DDC1 and DDC2

圖4 DDC 3程序框圖Fig.4 Flowchart of DDC3

5.2 上位機編程

上位機采用MCGS組態(tài)軟件編程。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件,它們是在終端控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境,為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具[5]。組態(tài)軟件是一種面向自動化現(xiàn)場工程師的工業(yè)控制軟件。用戶不需要掌握太多的編程語言技術,只需利用組態(tài)軟件提供的多種通用工具模塊,就能在較短的時間內(nèi)編制出控制功能復雜的程序,從而構(gòu)建一套最適合自己的應用程序,而且調(diào)試時間也相對較短。

北京昆侖通態(tài)有限公司開發(fā)的MCGS組態(tài)軟件,是國內(nèi)一款優(yōu)秀的全中文工控組態(tài)軟件。MCGS是一套基于Windows95/98/NT操作系統(tǒng)（或更高版本）、可用來快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)[6],它為用戶建立監(jiān)控系統(tǒng)提供了一套解決方案,使用戶無需再自行開發(fā)后臺軟件,縮短了開發(fā)周期。MCGS開發(fā)簡單,性價比高,網(wǎng)絡通信功能比較完善,能夠滿足本系統(tǒng)的設計要求。MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分,用戶用組態(tài)環(huán)境來設計和構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關系如圖5所示。

圖5 組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關系Fig.5 Relationship between configuration environment and operation environment

由MCGS生成的用戶系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略5個部分構(gòu)成。實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心;主控窗口構(gòu)造了應用系統(tǒng)的主框架;設備窗口是MCGS系統(tǒng)與外部設備聯(lián)系的媒介;用戶窗口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和流程的“可視化”;運行策略是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)有效控制的手段。

MCGS的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個與設備無關的系統(tǒng),對于不同的硬件設備,只需定制相應的設備構(gòu)件,放置到設備窗口中,并設置相關的屬性,系統(tǒng)就可對這一設備進行操作。

6 結(jié)束語

本文介紹的針對易燃易爆介質(zhì)生產(chǎn)和存放安全性要求而設計的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng),基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線設計,安裝配置簡單,通過其硬件接口參數(shù)配置和軟件編程,實現(xiàn)了遠程多點數(shù)據(jù)采集,是一種低成本的解決方案,對于惡劣環(huán)境具有較強的適應能力。該結(jié)構(gòu)既利用了PLC功能強、程序設計簡單、維護方便、可靠性高和抗干擾能力強等優(yōu)點,又利用了工業(yè)組態(tài)軟件功能豐富、顯示功能強和輸入方便等優(yōu)點,并且系統(tǒng)具有良好的可擴充性。實際系統(tǒng)運行證明了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性及過程自動化控制效率都較傳統(tǒng)模擬量檢測等處理方法有顯著提高,本系統(tǒng)對其它工業(yè)控制網(wǎng)絡的組建有較強的參考應用價值。

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Design and Application of Environment Parameter Acquisition System Based on PROFIBUS-DP

GAO Jing,HUANG Shao-ming
（China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China）

According to the security requirement during producing and storing flammable and explosive medium,a solution about environment parameter acquisition system based on PROFIBUS-DP is proposed.The system structure and controlling process are designed.The network communication protocol of system is described in combination with PROFIBUS-DP open location bus.The CPU and I/O module of S7-200 series are used as a lower computer and an independent MCGS as a upper monitoring computer to realize centralized management and real-time monitoring of the collected data.The practical operation proves that the system has stable performance,high reliability and process automation efficiency,so the design objectives are achieved.

distributed control system;location bus;parameter acquisition;PLC;PROFIBUS-DP;system design

TP273;TP393

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.016

1001-893X（2011）02-0080-05

2010-08-30;

2010-11-15

高 靜（1963-）,女,山東高青人,工程師,主要研究方向為計算機應用、現(xiàn)場總線技術;

GAO Jing was born inGaoqing,Shandong Province,in 1963.She is now an engineer.Her research interestsinclude computer application and fieldbus technology.

Email:gjyx66@sina.com

黃紹明（1978-）,男,遼寧遼陽人,2002年于西安電子科技大學獲工學學士學位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向為計算機應用、網(wǎng)絡維護。

HUANG Shao-ming was born in Liaoyang,Liaoning Province,in 1978.He

the B.S.degree form Xidian University in 2002.He is now an engineer.H is research interests include computer application and network maintenance.

Email:magilord@163.com