四平西门子PLC总代理商

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引言

　　自动化控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线（fieldbus）正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（fieldbus control system），是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的基于现场总线的新一代控制系统。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线（FF，Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是当前为流行的现场总线技术之一。

　　PROFIBUS是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。PROFIBUS于1996年成为欧洲标准EN50170，1999年底成为IEC61158的组成部分，已被全世界接受。

　　PROFIBUS根据应用特点可分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。

　　PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。

　　PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提高大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。

　　PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。

1 PROFIBUS 基本特性

　　1.1 协议结构

　　PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498以开放系统互联网络OSI为参考模型。PROFIBUS协议结构采用OSI的层、第二层和第七层。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据和应用软件。

　　1.2 传输技术

　　由于单一的传输技术不可能兼顾传输可靠性、传输距离和高速传输等要求，PROFIBUS提供三种类型：DP和FMS的RS485传输;PA的IEC1158-2传输;光纤（FO）传输。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之间可通过DP/PA耦合器（Coupler）或链接器（bbbb）相连接。

　　1.3 存取协议

　　PROFIBUS的DP，FMS，和PA均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第二层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和从站之间的主从方式。任意时刻只能有一个主站拥有令牌，直到该主站的时间片用完或已无信息传递，才将令牌按一定的环路传给下一个主站。这样保证每个主站在一个有限时间内得到总线的控制权。同时主站与从站采用轮询（Polling）存取方式，这样系统配置可能实现下列三种：纯主-从系统;纯主-主系统;混合系统。

2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式

　　SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论是独立运行还是相连成网络皆能实现复杂控制功能。此系列PLC的CPU型号有：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM。本控制系统采用CPU224，它具有四种通讯方式：

　　一：PPI方式

　　PPI通讯协议是通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，物理上采用RS485电平，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通讯网络是一个令牌传递网。

　　二：MPI方式

　　S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。

　　三：自由通讯方式

　　S7-200可以由用户自己定义通讯协议，与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯。波特率高为38.4kbit/s（可调整）。

　　四：PROFIBUS-DP网络

　　在S7-200系列的CPU中，都可以通过增加EM277扩展模块的方法支持PROFIBUS DP网络协议。高传输速率可达12Mbit/s。

3 现场信号与系统监控软件之间的连接桥梁——OPC

　　现场总线作为开发的控制网络能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信息出现在计算机的各应用平台上，OPC完美地解决了此类信息传递问题。OPC（OLE for Process Control）是过程控制中的对象链接嵌入技术，建立在bbbbbbs的对象链接嵌入（OLE，bbbbbb bbbbing and bbbbbding）、部件对象模块（COM，Component bbbbbb Model）、分布部件对象模块（DCOM，Distributed Component bbbbbb Model）技术的基础上进行开发的。OPC是一个开放的接口标准、技术规范。它的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各客户/服务器之间可组成如图1所示的链接方式，各客户/服务器间形成即插即用的简单规范链接关系。

图1

　　有了OPC作为通用接口，就可把现场信号与上位机监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与PC机的某些通用开发平台链接起来，如VB,VC++,Excel等。这样给我们开发上位机监控软件带来很大的方便。

4 系统实例简介

　　在石油工业中，由于控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，所以在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和现场总线技术如PROFIBUS。在智能发油控制系统中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224控制发油泵，并通过PROFIBUS-DP现场总线由工控机（或PC机）进行监控。

　　4.1 智能发油控制系统组成

　　本系统是由PROFIBUS-DP构成的单主站系统，具有简单设备一级的高速数据传输特性。系统组成如图2所示。

图2

　　（1） 整个控制系统连接在两路PROFIBUS-DP总线上，每路总线包含一个总站和20个DP从站，两个总站和开票机构成局域网，主站和从站之间为主从关系。

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　　（2） 两个工控机主站和发票机通过TCP/IP协议，组成局域网。

　　（3） 系统以SIMATIC工控机作为DP类型2主站，通过现场总线接口卡CP5611使工控机与PROFIBUS-DP总线相连，能完成组态、运行、操作等功能。主站上的应用程序与CP5611的信息传递采用OPC通用接口服务软件实现。

　　（4） 每个从站完成对两路发油系统的监控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模块，通过EM 277扩展模块以DP从站形式接入PROFIBUS-DP网络，按主/从模式向上位机发送数据。

　　4.2 智能发油控制系统的软件设计

　　软件部分包括bbbbbbs 2000操作系统、SIMATIC OPC接口服务软件、主站监控软件和从站编程软件。

　　4.2.1 从站发油控制系统PLC通信接口软件设计

　　从站发油控制系统的PLC采用了SIMATIC S7-200的配套编程工具Step7，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理等功能。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成，其中OB是系统操作程序与应用程序的接口界面，用于控制程序运行;FB、FC是用户子程序;DB是用户定义的数据存储区，在本系统中它是上位机监控软件与Step7程序的数据接口点，配置与其相对应的DB块就可实现上位机监控软件OPC与Step7程序的数据接口。其通信接口程序如下。

　　CALL “DP-SEND”

　　CPLADDR：=W#16#170

　　SEND ：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240

　　DONE ：=M0.0

　　ERROR ：=M0.1

　　STSTUS ：=MW1

　　CALL DP-RECV

　　CPLADDR：=W#16#170

　　RECV ：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240

　　NDR ：=M128.0

　　ERROR ：=M128.1

　　STATUS ：=MW46

　　DPSTATUS：=MB120

　　L DB2.DBW 0

　　L 0 == I

　　JC m001

　　CALL FC 63

　　M001: NOP 0

　　CALL FC 64

　　4.2.2 主站通信接口软件设计

　　工控机作为主站，是通过通讯卡CP5611与从站进行数据交换的。选择操作系统控制面板的Set PG/PA Interface 选项，对其硬件进行设置，可自动完成总线各部分配置。但对于自行开发的、带有Profibus-DP接口的从站，需要自己编写一个＊.GSD文件加入到配置库中。本系统将EM 277的GSD文件加入至OPC服务接口配置库中，完成对总线配置后，即生成一个ldb文件供系统运行使用。

　　4.2.3 工控机人机界面设计

　　工控机的人机界面设计，即发油控制管理系统，以bbbbbbs 2000操作系统作为平台，通过标准通讯接口OPC，采用Microsoft VC++程序设计语言编制程序，完成系统的控制要求，实现对油库的储运收发过程进行监控和管理。开票机开出发票后，通过局域网将信号传给发油机，发油机则使用PROFIBUS-DP网通知下位机PLC，由PLC控制油泵，并检测油量计和温度，自动完成发油过程。图3为发油机主程序流程图。图4为PLC S7-200主程序流程图。

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图3

图4

5 结束语

　　工程实践证明,本控制系统采用PROFIBUS-DP网络技术实现分布式控制,网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，提高了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求扩展至较大的系统。

邯钢4#高炉自1993年投产至今，外部设备严重老化，热风炉原有的PLC控制系统TDC3000也经常出现模板损坏和通讯中断事故，急需改造。考虑到热风炉设备较为分散，而现场总线技术正适合于这种分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统，所以邯钢决定引入现场总线技术对热风炉进行改造。

邯钢现场总线改造方案

　　1 现场总线

　　现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。其主要特征：

　　(1) 数字式通信方式取代设备级的模拟量(如4-20mA，0-5V等信号)和开关量信号；

　　(2) 在车间级与设备级通信的数字化网络；

　　(3) 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；

　　(4) 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；

　　(5) 在集成制造系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

　　(6) 全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、多功能仪表、开放性、智能化与自治性等。

　　(7) 现场总线控制系统通常包含现场总线仪表、控制器、现场总线线路、监控、组态计算机，这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。

　　2 改造方案

　　(1) PLC系统用A-B控制系统代替TDC3000控制系统，软件采用A-B的RSlogix 5000和RSview32。其优点为：

　　备件易于采购(原有的TDC3000产品已不生产)；

　　统一采用A-B的设备与软件，有利于系统的稳定；

　　系统扩展性强。

　　(2) 现场总线部分采用德国图尔克公司的BL2O系列输出摸板、FDNL系列输入摸板和网络附件。

　　(3) 本次现场总线改造涉及热风炉自身的液压阀门以及三座公用的液压阀门，其余相对集中的电动阀门、液压站、风机控制均进主PLC。总线分为14个地址，即01~13。所有的总线输出点在01(BL20)站，输入点在02~13站。

　　(4) 取消原有PLC输入、输出柜，设备的各个输入点直接进PLC柜，输出点隔离继电器加在过程站控制柜中。

系统配置

　　1 系统配置

　　(1) 主PLC模板型号CPU：1756-L55 Control Logix5555(一块)，ENET：1756-ENBT/A(一块)，DI：1756-IB16(五块)，DO：1756-OB16E(三块)， AI：1756-IF16(一块)，AO：1756-OF16(一块)，DNB： 1756-DNB(一块)，主PLC通过1756-ENET通讯模块挂在以太网上完成控制功能。

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　　(2) 现场总线模板型号DI：FDNL-L1600-T、FDNL-L0800-T，DO：BL20-4DO-24V-0.5-P，由主PLC1756-DNB模块充当Device Net设备与Logix5550控制器之间的接口并实现通讯。

　　(3) 2套研华工控机通过3COM网卡挂在以太网上完成监视和操作功能。

系统配置如附图。

　　附图 系统配置图

　　2 网络协议

　　(1) Ethernet协议：

　　Ethernet用电缆将计算机和外围设备连接起来，使它们之间可以互相通讯。用于网络的实际连线称为网络“媒介”。除物理媒介外，所有Ethernet网络支持协议都提供复杂的数据传输和网络管理功能。

　　(2) 在网络上使用Ethernet之前必须对其组态，包括：IP地址、默认网关和子网掩码。IP地址标识了网络上的每个节点。在网络上每个TCP/IP节点必须有唯一的IP地址。网关将单独的物理网络连接到系统中。当一个节点需要与另一个网络中的节点通讯时，网关可以在两个网络间传输数据。子网掩码是IP地址表的扩展，它允许站点在多个物理网络上使用单一的网络ID。本系统是通过RSLINX软件进行上述组态的。通过

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Ethernet协议完成热风炉两台工控机与CPU之间，以及与热风炉仪控、炉顶和槽下CPU之间的通讯。

　　(3) DeviceNet协议：通过1756-DNB模块控制器与DeviceNet设备之间进行数据交换。

　　通讯速率与通讯距离关系附表。

　　附表 DeviceNet通讯数据

　　本系统是通过RSNETWORX FOR DeviceNet软件组态1756-DNB模块。通过1756-DNB模块完成热风炉主PLC与Device Net设备进行通讯。

结束语

　　通过现场总线改造，减少了热风炉的事故发生率，较之改造前更易排除故障，同时系统综合成本大副减少。投运以来，总线系统运行稳定，从而保证了高炉的稳产、高产。现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。