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摘 要工业分布式控制系统是结合最新计算机软硬件技术、通信技术和PLC技术的新一代工业控制系统,较好地解决了高可靠、高性能和低价格的矛盾,大大地改变了原有继电控制系统的落后状态.本文介绍了以计算机为操作站、可编程控制器(西门子S7系列PLC)为控制主机、以现场总线技术Profibus、工业以太网等通信连接,组建工业分布式控制系统.
关 键 词分布式控制；现场总线；西门子PLC；Profibus
中图分类号TP39文献标识码A文章编号1674-6708（2012）72-0237-02
0引言
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革,开始向网络化方向发展.控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统）,到第二代的DCS（分散控制系统）,发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）.FCS作为新一代控制系统,使用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联,同时控制功能彻底下放到现场,降低了安装成本和维修费用.因此,FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统.
目前,国际上已知的现场总线类型有四十余种,比较典型的现场总线有：FF,Profibus,LonWorks,CAN,HART,CC-LINK等.本文Profibus现场总线为例,分析了基于德国西门子公司S7系列PLC的分布式控制系统的构成.
1Profibus现场总线简介
Profibus现场总线以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规,已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和欧洲标准EN50170,并于2006年被定为我国的国家标准GB/T20540.6-2006.
目前,在多种自动化的领域中,Profibus占据主导地位,全世界的设备节点数已经超过2000万.基于Profibus-PA、Profibus-DP、Profibus-FMS,形成兼容性的现场总线标准.尤其是关于Profibus-DP,具有高速率、低成本的特点,广泛运用于现场级之中,旨在完成I/O和控制系统之间的信号传输.
Profibus的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点.
2关于西门子Profibus现场总线构建
关于工厂自动化系统构建,主要基于网路平台,依托Profibus-DP/PA控制系统,实现车间级和现场级的底层自动化.同时,构建Profibus-DP/PA控制系统,可以有效地将车间级和现场级系统,运行于数字化的通信网路环境之下.
2.1现场设备系统层
现场设备系统平台主要基于传感器、I/O、开关设备等,实现现场各设备系统的连接,以完成相关系统平台的控制或连锁控制.其中,主站旨在保障通信的有效性,以及所有子线路的通信管理.而且,关于总线路段的设备生产,其控制工艺需要储存至主站之中,以便于主站的执行管理.
2.2车间监控层
对于各车间的设备连接,需要依托于车间级监控来实现,诸如车间的各生产线,在主控制器的连接下,构建车间设备监控系统.在进行监控系统平台的构建中,主要针对设备的在线监控、故障的维护等方面,实现车间各生产线的安全运行.同时,针对车间生产线的需求,可以构建关于生产调度或生产统计的管理功能,以完善监控层性能.而在监控网络系统中,主要基于Profibus-FMS,实现系统平台的多主网络状态,以达到控制管理信息的大容量传输.
2.3工厂管理层
关于工厂管理层,主要基于集线器和管理网的连接,实现生产车间相关信息的传输,以达到各车间的管理.车间管理系统也是总线的一个子线,由经交换机、路由器,进行产区核心网络的连接,进而对各车间数据进行集成管理.而对于车间管理网络的以太网,主要基于IEC802.3TCP/IP协议,实现通信信息的传输.系统结构如图1：
rofibus-DP现场总线应用实例
3.1空调自控系统的功能要求
一般要求监控系统应具有以下功能：实时数据的上传显示、存储、检索、打印等功能；历史数据的查询显示、存储、检索、打印等功能；空调机组多种执行器,电磁阀的控制功能；生产现场及空调机组多点温、湿度、压力、风速等参数的采集,显示功能；空调运行状态的监测报警功能；空调风机转速的变频控制功能；消防连锁与保护功能等.
整个系统的设计不仅具备基本逻辑控制功能,还应具有联网通信功能和管理功能等.另外它工作稳定、故障率低,并能进行系统自动报警,操作及维护十分简便,维修综合成本、待机时间等大大降低,能完全达到系统温、湿度全年自动控制和无人值守的目的.
3.2关于监控系统的硬件构成
基于车间生产需求,监控系统的硬件结构设计主要如下：在集中控制室内设一台控制计算机,对整个系统进行操作、运行和监控,并装设CP1613通讯处理器与100M以太网连接,能监控整个系统,并能对所监控内容进行数据保存、打印,设备运行异常时系统报警.计算机向下可通过工业以太网处理器CP343-1连接CPU315-2DP,以构建主站网络系统.而其运行的程序控制,对于实现各分站系统的信息交换,起到重要的重要.同时内部通信采用Profibus-DP总线,可以连接若干个DP分站.空调机组各参数由S7-200PLC进行监控.
3.3监控系统软件方案
关于软件编程主要基于SIMATICS7-300,在其配套的STEP7V5.4软件包下,完成硬件各组态、参数的设置,以及PLC程序的编程、测试或调配.而且,STEP7在Windows环境下,其运行的界面和组态比较流畅和方便,可以有效地实现各硬件参数的设置,以及网络的运行配置.同时,S7-200PLC软件系统,基于STEP7-MicmWIN32V3．1的西门子编程工具,在方式方法上与STEP7类似.采用西门子专用触摸屏组态工具ProtoolV6．0对TP170A组态.
本系统的人机界面利用西门子公司的SIEMENSWincc7.0软件设计,其界面友好,操作简单,有优良的开放性,上位软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL,并提供丰富的API编程接口,方便其它系统的接入.
4结论
基于Profibus-DP,实现了现场总线网络技术具备网速快、性能高、稳定性等优点,这些优势对于相关级层的设备安装、维修带来极大的便利.同时,基于其高稳定性,提高了车间各线路的生产效力和管理效率.而且基于Profibus现场总线的控制系统,可以在用户要求下,实现各种形式和规模的扩展.