1、 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起和發(fā)展，為解決許多工業(yè)問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑：將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)控制方法結(jié)合，這樣就產(chǎn)生了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)程控制，它也成為了當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域和過(guò)程控制領(lǐng)域共同的研究熱點(diǎn)。本文在PROFIBUS- DP現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上，以電加熱爐為受控對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)下的過(guò)程控制方案。

2 、PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線的介紹

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是用于過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。

其中，PROFIBUS是當(dāng)今國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)重要的組成部分。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO7498 標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層作為用戶接口，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合。由于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，所以在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

PROFIBUS是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備PROFIBUS- DP （Decentralized Periphery）、報(bào)文規(guī)范PROFIBUS- FMS（Fieldbus message Periphery）、過(guò)程自動(dòng)化PROFIBUS - PA （Process Automation） 組成了PROFIBUS系列。其中，PROFIBUS- DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC、PC），通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I/O， 驅(qū)動(dòng)器， 開(kāi)關(guān)等） 進(jìn)行通信。PROFIBUS- DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)， 主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUS- DP 還提供了智能化設(shè)備所需要的非周期性通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

3 、電加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本控制系統(tǒng)主要由PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線中的一臺(tái)PC機(jī)作為主站，西門子ET200S作為從站，通過(guò)它連接受控對(duì)象。其中在PC機(jī)內(nèi)的PCI插槽上插有一塊SLOT PLC（CPU412-2 PCI），即WinAC SLOT 412， 它是一種置于PC的PCI總線的板卡式PLC控制器，可實(shí)現(xiàn)與S7-400系列處理器CPU412-2DP相同的控制功能，其操作控制性能和指令集也與西門子S7-400控制器系列一致，板卡上同時(shí)集成了MPI、PROFIBUS-DP通訊接口。電源擴(kuò)展板選件用于提供獨(dú)立于PC電源的供電，使WINAC SLOT在PC斷電時(shí)也可以正常運(yùn)行。同時(shí)，PC機(jī)上裝有編程組態(tài)軟件STEP7和監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC，構(gòu)成控制主站。而通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接至SLOT PLC（CPU412-2 PCI）的PROFIBUS-DP接口上ET200S模塊，則作為控制從站。ET200S上配有電源模塊（即PM模塊）、開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入輸出模塊（即：DI、DO、AI、AO模塊）。而受控對(duì)象（電加熱爐）的變送器檢測(cè)信號(hào)和執(zhí)行器的操作信號(hào)將通過(guò)信號(hào)線被準(zhǔn)確地連接到ET200S上的AI、AO模塊上。

4、 系統(tǒng)組態(tài)

完成設(shè)備連接后，將在PC上用SIEMENS STEP7軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)，過(guò)程如下。

4.1 硬件組態(tài)

建立一個(gè)新項(xiàng)目，設(shè)置其名字（如“project”），在項(xiàng)目中加入SEMATIC PC站，名字設(shè)為PC機(jī)在以太網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)名（“ZDH32”）系統(tǒng)將建立一個(gè)新的項(xiàng)目，打開(kāi)右邊的“Configuation”進(jìn)行硬件組態(tài)，將CPU412-2 PCI、PROFIBUS-D、ET200S（包括PM、AI、AO、DI、DO模塊）加入，如圖2所示。

4.2 軟件組態(tài)

采用STEP7軟件，編程語(yǔ)言主要有梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖。一般地，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FC）、功能（FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OB1是主程序循環(huán)塊，是必需的，其它的塊不一定要用到。如果程序簡(jiǎn)單，可將所有的程序放入OB1塊中進(jìn)行線性編程，如果程序復(fù)雜最好將程序用不同的邏輯塊加以結(jié)構(gòu)化，再通過(guò)OB1調(diào)用這些邏輯塊。如圖3所示，是針對(duì)本系統(tǒng)受控對(duì)象（電加熱爐）控制策略編寫的程序（由于上、下加熱控制算法相同，只有地址不同，所以圖中只顯示了上加熱控制部分）。

4.3 通過(guò)WINAC軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制

組態(tài)下載前要進(jìn)行端口設(shè)置，在控制面板中的“SET PG/PC Interface”中選擇“S7 Online（STEP7）”，再選擇“PC internal （local）”實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與WinAC SLOT 412的本地連接。之后在“Component Configurator”中指定PC站的名字（即：“ZDH32”）然后打開(kāi)WinAC控制面板，如圖4所示。將之前硬件和軟件組態(tài)下載。如果組態(tài)沒(méi)問(wèn)題，下載正確，則控制面板上的RUN指示燈會(huì)變?yōu)榫G色。這樣就可以通過(guò)WinAC控制面板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)可以利用STEP7在線調(diào)試程序，還可以通過(guò)設(shè)置變量表在線修改參數(shù)和監(jiān)視變量。

5 、用WinCC實(shí)現(xiàn)監(jiān)控

西門子公司的WinCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)， 為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。用戶可以在WinCC友好的界面下進(jìn)行過(guò)程組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理， 很容易形成需要的操作畫面、監(jiān)視面面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、越限報(bào)警等。

WinCC提供了一個(gè)稱為“SIMATIC S7 Protocol”的通訊驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)通訊程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，通過(guò)它的通道單元可以實(shí)現(xiàn)WinCC與各種SIMATIC S7 PLC以及WinAC的通訊。

本系統(tǒng)在WinCC變量管理器中添加新的驅(qū)動(dòng)程序，先選擇驅(qū)動(dòng)程序類型為“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”，而后選擇通道單元“SLOT PLC”，WinCC與WinAC SLOT 412的通訊連接。然后根據(jù)具體的過(guò)程對(duì)象，在“SLOT PLC”中建立變量連接，添加控制過(guò)程中監(jiān)視和控制的過(guò)程變量。利用圖形編輯器、變量記錄組件來(lái)完成過(guò)程畫面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)趨勢(shì)顯示和歸檔、越限報(bào)警等功能。本系統(tǒng)是對(duì)一個(gè)雙輸入、雙輸出電加熱爐溫度進(jìn)行控制。其中期望輸出值、輸入電流量、反饋值還有P、I、D控制參數(shù)為過(guò)程變量和系統(tǒng)控制量。加入這些變量后，根據(jù)本系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)顯示、變量調(diào)節(jié)、還有數(shù)據(jù)歸檔等要求對(duì)其進(jìn)行圖形編輯。本系統(tǒng)的人機(jī)監(jiān)控具有以下功能：數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及歸檔;過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視;參數(shù)的在線設(shè)置和調(diào)整;手動(dòng)-自動(dòng)操作;歷史趨勢(shì);數(shù)據(jù)歸檔查詢;超限報(bào)警等。

6 、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)電加熱爐的過(guò)程控制、監(jiān)測(cè)報(bào)警以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)WinCC的數(shù)據(jù)歸檔方便地采集到過(guò)程變量的歷史數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的算法研究和模型仿真提供了基礎(chǔ)。

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