PROFIBUS_DP和ETHERNET構建的工控網在連鑄機中的應用
2005/4/30 9:21:00
摘要：現代企業里，利用PROFIBUS—DP和ETHERNET組建成的測控管一體化的工業控制網絡，實現了從控制級到現場級通訊的一致。
關鍵字：以太網 I/O 串行 接口
Abstract : In the modern times, the technology of process control network builted by PROFIBUS_DP And ETHERNET actualizes the coherence from the control level to field level.
Key word: ETHERNET input/output serial interface
0 引言
現場總線PROFIBUS能夠滿足生產過程中現場級數據的可存取性。一方面它滿足了傳感器/執行器領域的通信需求，另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。溝通了生產過程現場級控制設備之間及其與更高管理之間的聯系，將現場總線技術和以太網技術結合起來，運用于工業控制系統中，實現了從控制級到現場級通訊的一致。
濟鋼第三煉鋼廠連鑄區域就是利用PROFIBUS—DP和ETHERNET組建成為測控管一體化的工業控制網絡。整個控制網絡分為3層：第一層為現場控制層，采用PLC和PROFIBUS現場總線進行控制；第2層，為過程監控層，采用工業控制計算機和帶以太網通訊模塊的PLC組成工業以太網，監控系統采用FACTORYLINK軟件；第3層，為生產管理層。整個系統構成如圖1所示。
1 現場控制層
現場總線PROFIBUS的結構是透明的和開放的，PROFIBUS已成為事實上的國際公認的標準（現場總線PROFIBUS是國際標準IEC 61158的組成部分Type III）。它由3部分組成：即PROFIBUS—DP（分散型外圍設備）；PROFIBUS—FMS（現場總線報文規范）；PROFIBUS—PA（過程自動化）PROFIBUS–DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。PROFIBUS–DP用于現場層的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息?？偩€循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態．診斷和報警處理?！?br />
整個連鑄區域分為4大主站及單體設備部分，每個主站均采用獨立的PLC控制，PLC采用西門子S7-400?，F場控制設備還有西門子ET200M分布式I/O，SIEMENS變頻器和C7等現場智能設備。PLC和現場設備的通信均采用PROFIBUS—DP。PROFIBUS已集成在SIMATIC S7系統內部。分散連接的I/O外圍設備通過DP協議由STEP7組態工具全部集成在系統中。亦即，已在組態和編程階段，就把分散的I/O設備作為類似于在中心子機架或擴展機架中本地連接的I/O來對待。同樣的道理適用于故障、診斷和報警；SIMATIC S7 DP從站起著類似于集中插入的I/O模塊的作用。SIMATIC S7提供集成的或插入的PROFIBUS-DP接口用于連接有更復雜功能的現場設備(例如：變頻器、觸摸屏等)。由于PROFIBUS第1層、第2層的特性和內部系統通信S7功能，可以將編程器（PG）、PC、HMI等設備與SIMATIC S7 PROFIBUS-DP系統連接。
一個完整的PROFIBUS-DP網絡由以下幾部分組成（如圖2）：1主控器（PLC）;2現場I/O模塊（ET200），用于連接各種現場裝置；3其他智能裝置，如變頻器，觸摸屏等；4.網絡附件（交換機等）。它能夠直接完成設備的順序、連鎖、閉環控制，完成過程參數的采集以及報警功能。
圖2 Profibus-DP網絡結構示意圖
以鑄流PLC為例，有3條Profibus-DP構成，CPU為CPU417-4DP,它最多帶有四個PROFIBUS-DP接口供用戶使用，如圖3所示。
圖3 鑄流PLC Profibus-DP網絡結構
·PROFIBUS-DP（1） 主站為CPU417-4DP，從站為ET-200。DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理，主站負責在預定的信息周期內循環與從站交換信息，在總線上向從站發送數據并向從站所取數據，只有當主站STRAND PLC請求時總線上的DP從站才可能活動，才能與主站進行數據交換。也就是說， DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問。DP主站與DP從站間的用戶數據連續地交換，而并不考慮用戶數據的內容。圖4指出在DP主站上是怎樣處理輪詢表的。DP主站與DP從站間的一個報文循環由DP主站發出的請求幀（輪詢報文）和由DP從站返回的有關應答或響應幀組成。
圖4在DP-主站上處理輪詢表的情況
PROFIBUS-DP(2) 主站為CPU417-4DP，從站為SIEMENS公司的23臺變頻器，為了連接成PROFIBUS 系統，必須采用PROFIBUS 模板。這一模板安裝在變頻器的正面，通過RS485 串行接口與變頻器進行通訊。SIEMENS公司變頻器與PLC進行PROFIBUS數據通信，PROFIBUS 模板是一個可選件，用戶采用這一選件后，可以通過PROFIBUS－DP 串行總線（SINECL2-P）對MICROMASTER4 進行控制。所有的變頻器參數都可以通過串行鏈路進行訪問，變頻器的從站地址（參數P0918）必須正確設置，使它與PROFIBUS 主站上配置的從站地址相一致，總線上定義的每個變頻器的地址必須是唯一的，這樣，PLC與變頻器才能正常、準確的進行通訊。
PROFIBUS-DP(3) 主戰為CPU417-4DP，從站為SIEMENS公司的變頻器，其通訊過程及結構構成類似于（DP2）
2 過程監控層
由工業控制計算機PC和PLC加以太網通訊模塊（CP443-1）組成工業以太網，即組成過程監控層。采用客戶機/服務器結構，根據現場需要，可增加/刪減操作站，為了保證系統的可靠性、安全性，服務器均采取雙機熱備，當前臺運行的服務器出現故障時，后臺運行的服務器能實時無影響的切換到前臺，從而使系統正常運行。工控機利用FACTORYLINK組態軟件實現對現場設備的監控，將現場第一線的數據傳送到控制室，置于實時數據庫，進行控制及計算、動態實時顯示參數、報警及歷史曲線的顯示及數據保存，并將實時數據庫的數據送到服務器的數據庫中，進行保存和數據處理（圖5）。
圖5 系統網絡結構圖
以太網技術的發展增強了其通信的確定性，首先，在網絡拓撲結構上，采用星形連接及交換式Hub，交換式Hub提供數據緩沖及具有確定接收數據的網段智能，使數據沖撞及重發機會最小化；其次，快速以太網(100Mbit/s,1Gbit/s)的發展及網絡冗余技術使以太網更適應于實時應用；另外，改進的通信協議克服了TCP/IP協議中的緩沖器滿再發送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。光纖不受噪聲干擾，適合使用在實時監控的高噪聲現場環境。具有TCP/IP接口的現場設備(Field Device)可以無須透過現場的計算機，直接連接INTERNET，實現遠程監控(Remote Control)的功能。
從傳感器到管理層的直接通訊，可進行整個工廠的聯網。實現了以太網上的不同工業自動化設備間的互操作和互換。FACTORYLINK與PLC的通信是通過TCP/IP協議。因此必須在PLC的硬件組態上給以太網通信模塊CP443-1分配IP地址，在上位機為FACTORYLINK軟件安裝S7I/O DRIVER，通過SIMATIC NET的COM S7為FACTORYLINK軟件設置好正確的連接數據庫文件。
3 生產管理層
通過網絡，可將生產、計劃等進行統一組織、調度，采用通用TCP/IP協議，通過訪問服務器數據庫，可對數據庫記錄進行增加，修改或刪除。也可直接通過訪問服務器來了解現場的生產動態。對生產設備狀態在線監控、設備故障診斷及維護等，使生產處于動態控制狀態中，根據現場實際情況，實時、協調組織。
4 結束語
隨著網際網絡與信息技術的的日漸成熟，工業界有越來越多的通信與自動化應用正逐漸形成一股采用以太網和TCP/IP協議作為主要通信接口的新趨勢。它融現場技術、PLC技術、以太網技術、可視化人機接口技術及生產管理技術為一體，此技術的應用，系統穩定、可靠，投資成本低。
參考文獻
《運用PROFIBUS-DP實現分散自動化》 現場總線PROFIBUS專業委員會
通訊地址： 孔德才 （1976－）濟南鋼鐵集團總公司第三煉鋼廠 250101 電話：0531－8847017 EMAIL：kongdecai2004@163.com
關鍵字：以太網 I/O 串行 接口
Abstract : In the modern times, the technology of process control network builted by PROFIBUS_DP And ETHERNET actualizes the coherence from the control level to field level.
Key word: ETHERNET input/output serial interface
0 引言
現場總線PROFIBUS能夠滿足生產過程中現場級數據的可存取性。一方面它滿足了傳感器/執行器領域的通信需求，另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。溝通了生產過程現場級控制設備之間及其與更高管理之間的聯系，將現場總線技術和以太網技術結合起來，運用于工業控制系統中，實現了從控制級到現場級通訊的一致。
濟鋼第三煉鋼廠連鑄區域就是利用PROFIBUS—DP和ETHERNET組建成為測控管一體化的工業控制網絡。整個控制網絡分為3層：第一層為現場控制層，采用PLC和PROFIBUS現場總線進行控制；第2層，為過程監控層，采用工業控制計算機和帶以太網通訊模塊的PLC組成工業以太網，監控系統采用FACTORYLINK軟件；第3層，為生產管理層。整個系統構成如圖1所示。
1 現場控制層
現場總線PROFIBUS的結構是透明的和開放的，PROFIBUS已成為事實上的國際公認的標準（現場總線PROFIBUS是國際標準IEC 61158的組成部分Type III）。它由3部分組成：即PROFIBUS—DP（分散型外圍設備）；PROFIBUS—FMS（現場總線報文規范）；PROFIBUS—PA（過程自動化）PROFIBUS–DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。PROFIBUS–DP用于現場層的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息?？偩€循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態．診斷和報警處理?！?br />
整個連鑄區域分為4大主站及單體設備部分，每個主站均采用獨立的PLC控制，PLC采用西門子S7-400?，F場控制設備還有西門子ET200M分布式I/O，SIEMENS變頻器和C7等現場智能設備。PLC和現場設備的通信均采用PROFIBUS—DP。PROFIBUS已集成在SIMATIC S7系統內部。分散連接的I/O外圍設備通過DP協議由STEP7組態工具全部集成在系統中。亦即，已在組態和編程階段，就把分散的I/O設備作為類似于在中心子機架或擴展機架中本地連接的I/O來對待。同樣的道理適用于故障、診斷和報警；SIMATIC S7 DP從站起著類似于集中插入的I/O模塊的作用。SIMATIC S7提供集成的或插入的PROFIBUS-DP接口用于連接有更復雜功能的現場設備(例如：變頻器、觸摸屏等)。由于PROFIBUS第1層、第2層的特性和內部系統通信S7功能，可以將編程器（PG）、PC、HMI等設備與SIMATIC S7 PROFIBUS-DP系統連接。
一個完整的PROFIBUS-DP網絡由以下幾部分組成（如圖2）：1主控器（PLC）;2現場I/O模塊（ET200），用于連接各種現場裝置；3其他智能裝置，如變頻器，觸摸屏等；4.網絡附件（交換機等）。它能夠直接完成設備的順序、連鎖、閉環控制，完成過程參數的采集以及報警功能。
圖2 Profibus-DP網絡結構示意圖
以鑄流PLC為例，有3條Profibus-DP構成，CPU為CPU417-4DP,它最多帶有四個PROFIBUS-DP接口供用戶使用，如圖3所示。
圖3 鑄流PLC Profibus-DP網絡結構
·PROFIBUS-DP（1） 主站為CPU417-4DP，從站為ET-200。DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理，主站負責在預定的信息周期內循環與從站交換信息，在總線上向從站發送數據并向從站所取數據，只有當主站STRAND PLC請求時總線上的DP從站才可能活動，才能與主站進行數據交換。也就是說， DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問。DP主站與DP從站間的用戶數據連續地交換，而并不考慮用戶數據的內容。圖4指出在DP主站上是怎樣處理輪詢表的。DP主站與DP從站間的一個報文循環由DP主站發出的請求幀（輪詢報文）和由DP從站返回的有關應答或響應幀組成。
圖4在DP-主站上處理輪詢表的情況
PROFIBUS-DP(2) 主站為CPU417-4DP，從站為SIEMENS公司的23臺變頻器，為了連接成PROFIBUS 系統，必須采用PROFIBUS 模板。這一模板安裝在變頻器的正面，通過RS485 串行接口與變頻器進行通訊。SIEMENS公司變頻器與PLC進行PROFIBUS數據通信，PROFIBUS 模板是一個可選件，用戶采用這一選件后，可以通過PROFIBUS－DP 串行總線（SINECL2-P）對MICROMASTER4 進行控制。所有的變頻器參數都可以通過串行鏈路進行訪問，變頻器的從站地址（參數P0918）必須正確設置，使它與PROFIBUS 主站上配置的從站地址相一致，總線上定義的每個變頻器的地址必須是唯一的，這樣，PLC與變頻器才能正常、準確的進行通訊。
PROFIBUS-DP(3) 主戰為CPU417-4DP，從站為SIEMENS公司的變頻器，其通訊過程及結構構成類似于（DP2）
2 過程監控層
由工業控制計算機PC和PLC加以太網通訊模塊（CP443-1）組成工業以太網，即組成過程監控層。采用客戶機/服務器結構，根據現場需要，可增加/刪減操作站，為了保證系統的可靠性、安全性，服務器均采取雙機熱備，當前臺運行的服務器出現故障時，后臺運行的服務器能實時無影響的切換到前臺，從而使系統正常運行。工控機利用FACTORYLINK組態軟件實現對現場設備的監控，將現場第一線的數據傳送到控制室，置于實時數據庫，進行控制及計算、動態實時顯示參數、報警及歷史曲線的顯示及數據保存，并將實時數據庫的數據送到服務器的數據庫中，進行保存和數據處理（圖5）。
圖5 系統網絡結構圖
以太網技術的發展增強了其通信的確定性，首先，在網絡拓撲結構上，采用星形連接及交換式Hub，交換式Hub提供數據緩沖及具有確定接收數據的網段智能，使數據沖撞及重發機會最小化；其次，快速以太網(100Mbit/s,1Gbit/s)的發展及網絡冗余技術使以太網更適應于實時應用；另外，改進的通信協議克服了TCP/IP協議中的緩沖器滿再發送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。光纖不受噪聲干擾，適合使用在實時監控的高噪聲現場環境。具有TCP/IP接口的現場設備(Field Device)可以無須透過現場的計算機，直接連接INTERNET，實現遠程監控(Remote Control)的功能。
從傳感器到管理層的直接通訊，可進行整個工廠的聯網。實現了以太網上的不同工業自動化設備間的互操作和互換。FACTORYLINK與PLC的通信是通過TCP/IP協議。因此必須在PLC的硬件組態上給以太網通信模塊CP443-1分配IP地址，在上位機為FACTORYLINK軟件安裝S7I/O DRIVER，通過SIMATIC NET的COM S7為FACTORYLINK軟件設置好正確的連接數據庫文件。
3 生產管理層
通過網絡，可將生產、計劃等進行統一組織、調度，采用通用TCP/IP協議，通過訪問服務器數據庫，可對數據庫記錄進行增加，修改或刪除。也可直接通過訪問服務器來了解現場的生產動態。對生產設備狀態在線監控、設備故障診斷及維護等，使生產處于動態控制狀態中，根據現場實際情況，實時、協調組織。
4 結束語
隨著網際網絡與信息技術的的日漸成熟，工業界有越來越多的通信與自動化應用正逐漸形成一股采用以太網和TCP/IP協議作為主要通信接口的新趨勢。它融現場技術、PLC技術、以太網技術、可視化人機接口技術及生產管理技術為一體，此技術的應用，系統穩定、可靠，投資成本低。
參考文獻
《運用PROFIBUS-DP實現分散自動化》 現場總線PROFIBUS專業委員會
通訊地址： 孔德才 （1976－）濟南鋼鐵集團總公司第三煉鋼廠 250101 電話：0531－8847017 EMAIL：kongdecai2004@163.com
投訴建議
提交
查看更多評論
其他資訊
