基于多級網(wǎng)絡的高爐渣粒化監(jiān)控系統(tǒng)的設計

田海，張勇

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

控制網(wǎng)絡是自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)發(fā)展和融合的網(wǎng)絡化自動控制技術(shù)。當今工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)正朝著數(shù)據(jù)集成化、通訊網(wǎng)絡化、控制分散化和節(jié)點設備智能化的特征方向發(fā)展。由于技術(shù)發(fā)展的歷史原因，再加上市場利益的作用，目前，自動化領域內(nèi)有多種體系結(jié)構(gòu)的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)同時存在，隨之而產(chǎn)生了大量的支持不同通訊協(xié)議的智能設備，這種局面使具有智能接口設備的互連互操作遇到了障礙，導致了所謂的自動化系統(tǒng)“信息孤島”現(xiàn)象，并且多種公開協(xié)議并存的局面在短時間內(nèi)很難改變。“系統(tǒng)集成”成為當前制約控制網(wǎng)絡發(fā)展的一個瓶頸問題[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)改造設計要求高爐渣?；O(jiān)控系統(tǒng)要提供一套分散性和開放性較好的網(wǎng)絡通訊方案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“無縫融合”。結(jié)合各工藝環(huán)節(jié)現(xiàn)場智能設備的接口現(xiàn)狀和分散性，監(jiān)控系統(tǒng)總體方案采用多協(xié)議、多級網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集成的方式，滿足從現(xiàn)場設備層、過程監(jiān)控層到企業(yè)管理層不同層面控制通訊的需求。系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 網(wǎng)路結(jié)構(gòu)設計及硬件配置

2.1 過程監(jiān)控層

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)現(xiàn)場設備的分散性較強，具有較明顯的現(xiàn)場總線控制特征，所以設計要求選擇一種實時性、公開性和集成性較強的現(xiàn)場總線，對于支持其它協(xié)議的智能設備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式將數(shù)據(jù)集成到該現(xiàn)場總線。通過對行業(yè)內(nèi)目前流行的幾種現(xiàn)場總線各方面性能進行綜合評估，最終選定Profibus-DP現(xiàn)場總線，Profibus-DP(簡稱為DP)是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，主要用于設備級控制系統(tǒng)與遠程I/O的一種通訊協(xié)議，特別適用于 PLC與現(xiàn)場分散式I/O間的通訊[2]。西門子PLC以其軟件功能豐富、硬件系列齊全、可靠性高，特別是組網(wǎng)能力強大等優(yōu)點，在工業(yè)控制領域得到廣泛的應用，所以DP現(xiàn)場總線的中央控制器采用西門子公司的全集成自動化產(chǎn)品S7－300PLC，型號為CPU315－2DP，以其自身集成的 DP通訊口作為Profibus-DP網(wǎng)絡主站。

高爐渣粒化車間的過程監(jiān)控PC機與主站CPU315－2DP采用MPI(Multi-point Interface)通訊。MPI是一種低成本、用法簡單、經(jīng)濟有效的網(wǎng)絡解決方案，適用于小范圍、少數(shù)站點間對通訊速率要求不高，通訊數(shù)據(jù)量不大的一種通訊方式，是西門子公司開發(fā)的專用通訊協(xié)議(非公開協(xié)議)。MPI接口是CPU315－2DP本機集成的通訊接口，主要用于硬件組態(tài)、編程，也可以在不增加其它軟硬件開銷的情況下利用該通訊口構(gòu)成MPI數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡。通過對該過程監(jiān)控層所需監(jiān)控組態(tài)數(shù)據(jù)量的測算，在滿足控制實時性并留有足夠裕量的情況下，MPI網(wǎng)絡完全可以滿足數(shù)據(jù)通訊需求。所以該部分網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊采用MPI方式，過程監(jiān)控PC機通過CP5611網(wǎng)卡與 CPU315－2DP的 MPI口直接連接，在監(jiān)控PC機內(nèi)通過Wincc7.0組態(tài)軟件對CPU315－2DP內(nèi)數(shù)據(jù)的變量連接和組態(tài)，完成對現(xiàn)場工藝參數(shù)的檢測、控制、報警、故障判斷、打印報表和查詢等功能[3]。

2.2 現(xiàn)場設備層

通過對現(xiàn)場設備的通訊能力進行統(tǒng)計分析，分為以下四種情況，分別采取不同的數(shù)據(jù)集成方式。

(1)不帶通訊接口的設備。通過合理的區(qū)域劃分，在設備就近處設立若干個由ET200M和相應S7－300系列擴展模塊組成的分散I/O站，直接面向現(xiàn)場采集和輸出信號。各遠程I/O通過接口模塊IM153接入 Profibus-DP總線，在 STEP7中通過硬件組態(tài)使其成為DP總線的從站。由數(shù)字信號替代模擬信號的長距離傳輸方式，極大的減少了故障隱患和系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化并可以充分利用Profibus進行故障診斷。

(2)支持DP通訊協(xié)議的設備。對于帶標準DP通訊接口且支持Profibus協(xié)議的設備，通過各自的Profibus-DP通訊板直接接入DP網(wǎng)絡，在STEP7中導入相應的GSD(General Station Description)文件通過硬件組態(tài)成為該Profibus-DP網(wǎng)絡的一個從站。

(3)支持Modbus通訊協(xié)議的設備。Modbus是目前全球工業(yè)領域最流行的通訊協(xié)議之一，是一種主/從方式的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。針對本系統(tǒng)中Modbus到Profibus數(shù)據(jù)集成方式可以有以下幾種參考方案。方案一:通過S7－200PLC集成。在西門子系列PLC中只有S7－200PLC中配備了 Modbus RTU通訊協(xié)議[4]，文獻[4]中詳細介紹了以S7－200PLC作為主站構(gòu)成 Modbus通訊網(wǎng)絡配置和主站軟件的設計方法。但在本設計中，通過Modbus通訊網(wǎng)絡將Modbus設備數(shù)據(jù)集成到S7－200PLC中后，還需將數(shù)據(jù)再集成到 Profibus-DP網(wǎng)絡中，所以除了配置 S7－200PLC(Modbus網(wǎng)絡中作主站)還需加裝EM277通訊模塊(DP網(wǎng)絡中作從站)，硬件配置成本較高，同時S7－200PLC作為 Modbus網(wǎng)絡主站的通訊軟件開發(fā)也有一定的難度，所以不采用該方法。方案二:通過CP341通訊模塊集成。在中央控制器CPU315－2DP主機架的擴展槽位上裝載 CP341點對點通訊模塊，另外購買Modbus RTU協(xié)議驅(qū)動軟件來完成與現(xiàn)場Modbus設備的通訊，該方案軟、硬件的投資成本較高，并且CP341通訊模塊沒有配置于現(xiàn)場，不能滿足系統(tǒng)分散性的設計要求，故放棄了該方案。方案三:通過ASCII Driver協(xié)議的中間轉(zhuǎn)換方法。該方案也需增設CP341通訊模塊，通過軟件編程的開發(fā)方法，使用集成在 CP341通訊模塊內(nèi)的 ASCII Driver協(xié)議來實現(xiàn) Modbus RTU協(xié)議[5]，文獻[5]中詳細介紹了該方法的實現(xiàn)過程。該方案雖然免除了購買西門子公司Modbus RTU協(xié)議驅(qū)動模塊的開銷，但硬件成本仍然較高，最突出的問題是軟件開發(fā)難度較大，不適合工程應用，故沒有采用該方案。通過綜合考慮，最終采用Profibus-Modbus協(xié)議總線橋(簡稱PB-M總線橋，北京鼎實創(chuàng)新科技公司產(chǎn)品，型號為PB-B-MM/RS232/485/V32)實現(xiàn) Modbus RTU到 Profibus的協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用PB-M總線橋硬件成本相對較低，更重要的是軟件開發(fā)難度較小，只需硬件組態(tài)而不需要編寫通訊程序。

(4)支持AS-i通訊協(xié)議的設備。AS-i(Actuator/Sensor-interface)是符合IEC TG17B國際標準的現(xiàn)場總線協(xié)議，它位于控制網(wǎng)絡最底層，用于現(xiàn)場自動化設備(即傳感器和執(zhí)行器)的雙向數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡，是控制網(wǎng)絡技術(shù)中成本最低、最簡單的網(wǎng)絡解決方案。系統(tǒng)中的反沖水裝置是由微型控制器LOGO控制的一個獨立系統(tǒng)，該LOGO控制器內(nèi)置AS-i芯片，通過本機集成的AS-i接口可以將LOGO作為AS-i網(wǎng)絡中的一個從站使用。為充分利用DP總線分散性現(xiàn)場控制的優(yōu)勢，設計時，將AS-i網(wǎng)絡的主站模塊CP343－2P安裝在就近的DP從站ET200M的機架上。通過AS-i網(wǎng)絡的主站模塊CP343－2P將獨立系統(tǒng)LOGO的數(shù)據(jù)集成到監(jiān)控系統(tǒng)中。

2.3 企業(yè)管理層

針對企業(yè)管理層(先期建成的工業(yè)以太網(wǎng))對數(shù)據(jù)集成的需要，通過在DP現(xiàn)場總線主站CPU315－2DP主機架的槽位擴展以太網(wǎng)CP343－1通信處理器，將CPU315－2DP主站內(nèi)選擇性的監(jiān)控數(shù)據(jù)集成到企業(yè)管理層SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)中。在企業(yè)管理層監(jiān)控中心PC內(nèi)通過設置嚴格的訪問權(quán)限，可以完成對整個系統(tǒng)監(jiān)視和控制。

3 結(jié)束語

在高爐渣粒化監(jiān)控系統(tǒng)改造設計時，針對新、老設備通訊接口支持不同協(xié)議標準的現(xiàn)狀和設備分散性突出的特點，通過考察目前工控市場的軟硬件開發(fā)環(huán)境，選擇開放性和分散性較好Profibus網(wǎng)絡平臺，通過各種轉(zhuǎn)換方式，將遠程I/O從站(由ET200M接入)、DP設備、Modbus設備和AS－i設備的數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的環(huán)境下，并通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法將企業(yè)管理層需要的數(shù)據(jù)集成到工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成一個信息無縫連接的完整、協(xié)調(diào)的監(jiān)控系統(tǒng)。在高效和安全的環(huán)境下，實現(xiàn)了對監(jiān)控和管理任務的優(yōu)化，本文可以給相似監(jiān)控系統(tǒng)的設計提供一些思路和方法。

[1]陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版，2003.

[2]劉鍇，周海.深入淺出西門子 S7－300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[3]田海，崔桂梅，王曉紅，等.西門子 PLC控制網(wǎng)絡的配置策略與應用[J].電氣傳動，2010，40(1):76 －80.

[4]何志勇，張茂青，錢偉清.PLC主站對 Modbus網(wǎng)絡的監(jiān)控方法[J].電氣自動化，2007，29(2):26 －28.

[5]邊凌燕.基于CP341模塊的Modbus協(xié)議免驅(qū)動應用[J].電氣傳動，2009，39(2):72－75.