基于Profibus—DP總線的發(fā)動機(jī)試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊洲

摘要：針對發(fā)動機(jī)試驗臺上工藝設(shè)備多、分布散，某些設(shè)備需要移動共用的情況，將Profibus-DP總線應(yīng)用于試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對試驗臺各個系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成了分散的多個移動系統(tǒng)的即插即用。文中重點對基于PROFIBUS-DP總線應(yīng)用到試驗平臺進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了基于DP總線的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)上位機(jī)與PLC通訊的硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置，列出了影響DP總線可靠性的各種因素。試驗過程證明，基于DP總線的發(fā)動機(jī)試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)傳輸速度快、易擴(kuò)展、實時性好、故障率低。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)試驗臺 Profibus-DP總線 上位機(jī) PLC 即插即用

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）05-0000-00

近年來，發(fā)動機(jī)試驗平臺提出了更高的自動化控制要求，試驗臺工藝設(shè)備多且分散，大多設(shè)備都要求有本地、遠(yuǎn)程兩種控制模式，為了節(jié)省資源，提高設(shè)備的利用率，很多試驗設(shè)備都設(shè)計成獨立系統(tǒng)，方便隨時移動實現(xiàn)共享使用。傳統(tǒng)方法上，我們將這些設(shè)備的監(jiān)控線路通過多條電纜接入PLC，耗費電纜多，距離遠(yuǎn)，接線復(fù)雜，且每次拆裝設(shè)備耗時較大。文中將PROFIBUS-DP總線（以下簡稱DP總線）應(yīng)用到試驗平臺，實現(xiàn)對系統(tǒng)中分散的設(shè)備進(jìn)行集中管理，簡化線路，降低硬件連接的故障率，提高數(shù)據(jù)傳輸率，采用一條通訊電纜掛接多個設(shè)備的形式，不僅便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，還可節(jié)省設(shè)備的安裝、維護(hù)，有效提高了工作效率。文中以某試驗臺工藝設(shè)備為例，介紹基于DP總線的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 DP總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的DP配置是單主站結(jié)構(gòu)，也可以是多主站結(jié)構(gòu)。一個DP系統(tǒng)主要包括：站點數(shù)目、站點地址、站與站之間信息傳遞的格式及信號的傳輸線纜[1]。

該發(fā)動機(jī)試驗臺電氣系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、測功器潤滑系統(tǒng)、測扭系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、滑油加溫系統(tǒng)、燃油加溫系統(tǒng)、進(jìn)氣加溫系統(tǒng)、燃油負(fù)壓系統(tǒng)等組成，其中主控制系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、測功器潤滑系統(tǒng)、測扭系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)是該試驗臺常規(guī)固有設(shè)備，由主站PLC控制，而滑油加溫系統(tǒng)、燃油加溫系統(tǒng)、進(jìn)氣加溫系統(tǒng)、燃油負(fù)壓系統(tǒng)是移動設(shè)備，需要經(jīng)常拆裝以便與其他試驗臺共享，所以這幾個系統(tǒng)自帶PLC從站，通過DP模塊和接頭與試驗臺的DP總線連接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。其中，上位工控機(jī)通過安裝CP5611通訊卡與PLC進(jìn)行DP通訊，而主站則選用西門子的S7-300 CPU315-2DP，自帶兩個DP通訊口，從站從體積、經(jīng)濟(jì)、實用性上考慮選用的是S7-200的CPU，不帶DP口，所以必須搭配通訊模塊EM277模塊來實現(xiàn)DP通訊。連接電纜為Profibus電纜，接口為RS485接口，接頭為Profibus接頭并帶有終端電阻。

2 系統(tǒng)通訊設(shè)計

在DP總線上是通過各自的地址來識別的，因此系統(tǒng)通訊的第一步就是建立一條DP網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置各個節(jié)點的地址及傳輸速率。

2.1 DP網(wǎng)絡(luò)的建立

系統(tǒng)硬件組態(tài)首先啟動STEP7，按照向?qū)梢粋€項目，并在該項目下插入SIMATIC 300 station。在硬件組態(tài)中按照硬件實際安裝秩序和訂貨號插入機(jī)架、電源、CPU、I/O模塊等。新建Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)屬性，地址設(shè)為2，波特率為1.5Mbps，并將其設(shè)為DP Master，完成DP網(wǎng)絡(luò)的建立和主站PLC的組態(tài)。從站則是通過EM277模塊上的地址開關(guān)來實現(xiàn)地址的設(shè)置。

對于從站系統(tǒng)來說，它們已經(jīng)是一個完善的系統(tǒng)，在本地可以自由操作。我們只需把監(jiān)控信號引入到操縱臺，并不需要知道它們各自的內(nèi)部組態(tài)及軟件編程，不必在主站組態(tài)時將這些從站掛上去，只要在組態(tài)軟件里對它們進(jìn)行設(shè)置即可，這樣節(jié)省了PLC主從通訊的大量工作，使系統(tǒng)變得更簡單。

上位機(jī)是利用西門子的WINCC7.0軟件編寫的，本試驗臺系統(tǒng)通訊可以分為兩個部分：WINCC與主站S7-300的DP通訊、WINCC與從站S7-200的DP通訊。

2.2 WINCC與S7-300的通訊設(shè)置

首先，打開WINCC7.0，建立項目，添加通訊驅(qū)動程序SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN，在其PROFIBUS下建立PLC的連接并設(shè)置連接屬性，包括站地址、網(wǎng)段ID、機(jī)架編號、插槽編號，這樣組態(tài)好PLC就可以建立過程變量了，將WINCC與PLC間要通訊的變量根據(jù)名稱、地址、數(shù)據(jù)類型定義并打開WINCC圖形編輯器進(jìn)行繪圖，將過程變量與繪圖中對象相連，即可完成上位機(jī)的監(jiān)控及其與PLC的通訊[2]。

2.3 WINCC與S7-200的通訊設(shè)置

由于西門子公司S7-200系列PLC比監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC推出晚，因此WINCC中沒有集成S7-200系列PLC的通信驅(qū)動程序，所以WINCC與S7-200不能直接連接，而利用開放的、標(biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)器，采用DP通訊協(xié)議可以實現(xiàn)WINCC與S7-200的同步通訊。

（1）設(shè)置通訊接口。在工控機(jī)上安裝PC Access 軟件后，在項目管理器中，選擇MicroWin訪問點，進(jìn)入設(shè)置PG/PC接口對話框，選擇Profibus，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。在本試驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)中，有4個S7-200PLC，所以需要新建4個PLC項目，根據(jù)各自的EM277地址設(shè)置PLC名稱及網(wǎng)絡(luò)地址。（2）建立OPC服務(wù)器。點擊各自PLC，建立項目，將試驗過程中需要監(jiān)控的變量名稱、地址編入PC Access中。由于PC Access軟件自身帶有測試客戶機(jī)，可方便地了解客服機(jī)與服務(wù)器的通信情況，將建立的項目拖拽到測試客服機(jī)窗口內(nèi)，再點擊測試客服機(jī)狀態(tài)按鈕，當(dāng)質(zhì)量為“好”，表示通信成功。（3）建立WINCC的OPC客服端鏈接。在WinCC中添加OPC驅(qū)動，在變量管理中添加新的驅(qū)動程序OPC.chn，并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。選擇OPC條目管理的中的S7-200 OPCServer，添加條目，建立連接，創(chuàng)建畫面，將變量與畫面的I/O 域連接并測試[3]。

通過以上步驟，我們建立完成了此試驗臺所有需要監(jiān)控的工藝設(shè)備變量的連接，實現(xiàn)了上位機(jī)對多個PLC變量的同步實時監(jiān)控，見圖2。

3 DP總線應(yīng)用中需注意的問題

在我們的實際應(yīng)用中，有多種不同的因素引起其網(wǎng)絡(luò)通信的故障或造成網(wǎng)絡(luò)通信的不穩(wěn)定，是我們在以后的設(shè)計和安裝時需要注意避免的。

（1）終端電阻設(shè)置錯誤：一個DP網(wǎng)絡(luò)的兩個終端必須接入終端電阻。在本試驗臺的設(shè)計中，上位機(jī)和燃油負(fù)壓系統(tǒng)兩個節(jié)點屬于網(wǎng)絡(luò)終端，須將這兩個節(jié)點的DP接頭終端電阻撥至“ON”，而其余節(jié)點則撥至“OFF”。若網(wǎng)絡(luò)兩端終端電阻沒有接入，將導(dǎo)致信號反射的發(fā)生，而中間設(shè)備接入終端電阻將導(dǎo)致阻抗的不匹配而造成整個系統(tǒng)通信出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻噪聲，使整個通信中斷[4]。（2）終端設(shè)備斷電：終端電阻是無源的，也就是說終端電阻要起作用需要設(shè)備為DP接頭提供終端電阻所需的電源。在本試驗臺中當(dāng)燃油負(fù)壓系統(tǒng)斷電時，終端電阻因得不到電源而失去作用，影響整個網(wǎng)絡(luò)。（3）屏蔽與接地：某些大功率設(shè)備可以引起嚴(yán)重的信號反射使系統(tǒng)的通信不穩(wěn)定。DP總線進(jìn)行現(xiàn)場安裝時，通訊電纜單獨路徑敷設(shè)，并與動力電源電纜保持一定距離。屏蔽層必須要牢固連接并可靠的接地，以抑制電磁干擾和信號反射。

4 結(jié)語

通過DP總線，上位機(jī)軟件WINCC實現(xiàn)了與PLC單元的無縫連接，實現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)試驗臺各個系統(tǒng)的實時監(jiān)控，該方法傳輸速度快、易擴(kuò)展、實時性好，避免了PLC之間通訊的主從硬件組態(tài)、軟件設(shè)置編程、移走或增加設(shè)備的線路處理等工作，實現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的實時監(jiān)控及可移動系統(tǒng)的即插即用。

參考文獻(xiàn)

[1] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子S7-300PLC.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子WinCC .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3] 崔琦，郭豫鵬，段立強(qiáng).S7-200PLC與WINCC監(jiān)控的通信研究[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報，2010，20（4）.

[4] 王明武，付曉燕，屈丹.影響PROFIBUS-DP通信性能的因素分析與評估[J].制造業(yè)自動化，2010，32（5）.