基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)探討

黃青濤

摘 要：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)完成了從底層的儀表控制單元到上層功能子系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)化，完善了由現(xiàn)場(chǎng)總線和企業(yè)網(wǎng)組成的兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所有的工藝均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，利用了總線系統(tǒng)的開放性和先進(jìn)性，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，同時(shí)為今后類似裝置系統(tǒng)的改進(jìn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；自動(dòng)化控制；裝置設(shè)計(jì)

隨著科技的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅僅在生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用，其在控制層、監(jiān)控層、管理層和決策層占據(jù)了主要的地位。計(jì)算機(jī)技術(shù)與PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了充分的應(yīng)用。文章基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置，模擬了企業(yè)資源管理、車間監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)控制三層網(wǎng)絡(luò)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的類別

1.1 DCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又被稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，部分資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是一個(gè)由過程控制級(jí)、過程監(jiān)控級(jí)組成的，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。

工程師站是對(duì)DCS進(jìn)行離線配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等，其主要功能是對(duì)DCS提供組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），DCS在線運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置、設(shè)定一些系統(tǒng)參數(shù)，使DCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能。現(xiàn)場(chǎng)儀表——安全柵——I/O卡件——控制器——服務(wù)器——操作站和工程師站都與服務(wù)器聯(lián)系，用于組態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)用等。

1.2 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）已經(jīng)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展。它是在DCS/PLC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是"控制室連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向串行數(shù)字通信總線"，現(xiàn)場(chǎng)總線的"現(xiàn)場(chǎng)"更多的是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而不是位置。FCS主要特點(diǎn)是采用總線標(biāo)準(zhǔn)，一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定。開放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有高度的互操作性。FCS既是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一個(gè)全分布式的控制系統(tǒng)。

FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)：（1）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)。只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定。（2）FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置，數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置是FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件支撐，其是因FCS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制。（3） FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場(chǎng)總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，可以從現(xiàn)場(chǎng)得到更多的信息?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。

1.3 PLC現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。

而相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化控制試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本次研究中現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是由西門子S7-300、S7-400系列PLC、Profinet、Prpfobus-DF、AS-I等現(xiàn)場(chǎng)總線。整個(gè)系統(tǒng)是由3層網(wǎng)絡(luò)組成，分別是ERP層（企業(yè)資源管理）、MES層（車間監(jiān)控層）、現(xiàn)場(chǎng)控制。其中ERP層是由Internet組成或者校園局域網(wǎng)組成；MES層是由實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)組成；現(xiàn)場(chǎng)控制層是由S7-300和S7-400組成。

2.2 系統(tǒng)軟件組成和硬件配置

2.2.1 軟件組成

軟件操作系統(tǒng)是Windows XP，自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件包括SIMATIC WinCC FLEXIBLE 2007、SIMATIC WinCC（V6.2）、SIMATIC Manager Step7（V5.4）等等。

2.2.2 車間監(jiān)控部分

其是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的中樞組成部分，其對(duì)全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視控制。主要外城狀態(tài)、圖形、數(shù)據(jù)顯示及設(shè)備操作控制、歷史數(shù)據(jù)存檔、報(bào)表打印、故障記錄等等，實(shí)現(xiàn)分布式控制。

2.2.3 特殊功能裝置

系統(tǒng)通過SIMOTION S425配備一個(gè)5kW電源模塊、兩個(gè)0.4kW、一個(gè)雙伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊等，可對(duì)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的控制。

2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)控制部分

本次研究過程中Profinet網(wǎng)絡(luò)是由西門子Scalence X208交換機(jī)、ET200S分布式I/O、TP177B觸摸屏組成，其是控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的組成；使用的S7-300控制器使用的是CPU315F-2PN/DF安全控制CPU，其備有I/O模塊和存儲(chǔ)卡，傳感器模塊SM338可與多種傳感器連接；S7-300控制部分DP網(wǎng)絡(luò)連接有ET200S和MM440變頻器，將PA網(wǎng)絡(luò)和AS-I網(wǎng)絡(luò)介入系統(tǒng)中后，儀表、執(zhí)行器和現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)都可通過S7-300、現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接與通信。

S7-400控制器單純配置了CPU模塊，主要是充分利用強(qiáng)大運(yùn)算處理功能。同時(shí)還配置了了SIWAREX FTA、SIWAREX U承重模塊。S7-400控制部分可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與采集、位置控制、速度控制、模擬生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)過程量控制等復(fù)雜控制，在大部分工業(yè)企業(yè)中屬于非常重要的控制解決方案。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將成為新世紀(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，使用該系統(tǒng)的企業(yè)，將在管理現(xiàn)代化、綜合自動(dòng)化和信息集成化等方面有了長足的進(jìn)步，雖然現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)仍然存在許多的不足之處，相關(guān)的從業(yè)人員將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的進(jìn)行不斷的研究，促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]白焰，楊國田，陸會(huì)明.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用問題分析[J].華北電力大學(xué).

[2]姜濤.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[J].科學(xué)觀察，2010（6）.endprint