基于Profibus_DP現場總線控制系統(tǒng)的集成

1、技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(測控自動化2007年第23卷第6-1期控制系統(tǒng)1引言現場總線以其獨特的優(yōu)勢已成為自動控制領域的熱點。構建以現場總線底層控制網絡為基礎,實現企業(yè)管理、控制一體化的綜合自動化系統(tǒng)是企業(yè)致力實現的目標。作為企業(yè)底層網絡的現場總線技術應服務于企業(yè)的目標,以完成信息的集成。現場總線控制系統(tǒng)集成技術就是基于此目而逐漸發(fā)展進步的,是用一種系統(tǒng)或者一個自動化平臺完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成所有功能的集成方案,能大大簡化系統(tǒng)的結構,減少大量接口部件。應用集成技術克服了上位機和現場工業(yè)控制設備之間、集中與分散之間的界限。Profibus現場總線技術是開放式、數字化、多點通信

2、的底層控制網,以現場總線為紐帶,可以把單個分散的測控設備變成網絡節(jié)點,形成底層現場智能設備與高層的系統(tǒng)信息共享,滿足工業(yè)控制體系分布化、扁平化和智能化的發(fā)展要求。Profibus在現場總線的應用中占有相當大的比例,且有著重要優(yōu)勢,在現場總線領域中一直占據著先鋒地位。由于Profibus適用領域的廣泛性(它既適用于工業(yè)自動化中離散加工過程的應用,也適用于流程自動化中連續(xù)和批處理過程的應用,以及它的成熟性、先進性和標志性,本文以Profibus作為現場總線的代表介紹現場總線控制系統(tǒng)的集成技術。2現場總線控制系統(tǒng)集成技術的發(fā)展2.1現場總線控制系統(tǒng)的產生現場總線是過程控制技術、智能儀表技術和計算機網

3、絡技術三個不同領域結合的產物,把自動控制系統(tǒng)和設備帶進了信息網絡之中,成為企業(yè)信息網絡的底層,從而為實現企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化提供了可行的基礎?，F場總線導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構的變革,形成了新型的網絡集成式全分布控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng)(FCS。2.2現場總線控制系統(tǒng)集成技術的發(fā)展由于技術發(fā)展的連續(xù)性和繼承性,以及不同系統(tǒng)研發(fā)投資和市場利益的驅使,現場總線控制系統(tǒng)的出現,不會使得其他系統(tǒng)(如DCS,PLC等很快消失而形成了多種系統(tǒng)集成的局面。目前世界上多種現場總線仍共存,現場總線的標準化是多元化的,所以必須發(fā)展多種現場總線之間的集成技術?，F在Internet和Intranet(企業(yè)內部信息

4、網絡正在把世界范圍的計算機和通信設備聯(lián)成一個全球化的數據網絡,產生了比孤立的網絡強大得多的功能,隨著由各種現場總線智能單元組成的現場控制網絡Infranet的出現,控制網絡上的設備也接人了Internet,新一代的企業(yè)信息網絡結構也伴隨而產生。如何使控制網絡和企業(yè)信息網絡達到無縫連接是近期企業(yè)信息網絡的發(fā)展重點。現場總線控制系統(tǒng)的信息集成技術就是在這樣的趨勢下產生的。由于各種現場總線技術的發(fā)展和競爭、各種計算機主流技術在工業(yè)控制領域的滲透和應用以及自動化技術發(fā)展的延續(xù)性和繼承性,現場總線控制系統(tǒng)中的集成技術的研究和發(fā)展將面臨著多總線集成、多系統(tǒng)集成、多技術集成的局面。3基于Profibus-D

5、P現場總線控制系統(tǒng)的集成結合“北京聯(lián)合大學智能控制網絡技術實驗室”的現場總線控制系統(tǒng)說明如何實現基于Profibus-DP現場總線控制系統(tǒng)的集成技術,達到Infranet、Intranet和Internet三者結合形成的測控管一體化。3.1網絡構架現場被控設備有兩臺三容器液位裝置、兩個皮帶傳輸機、三臺立式電爐。三容器液位控制系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出的系統(tǒng),通過控制水泵閥位的開度使三容器的液位達到我們的設定值。皮帶傳輸機是通過控制變頻器的頻率來改變皮帶傳輸機傳輸速度。立式電爐是一個雙輸入雙輸出的溫度場控制對象,通基于Profibus-DP現場總線控制系統(tǒng)的集成FCS Integration Bas

6、ed on Profibus-DP(1.北京化工大學;2.北京聯(lián)合大學藍麗1李紅星2LAN LI LI HONGXING摘要:介紹了現場總線集成的必要性和現場總線控制系統(tǒng)(FCS集成技術的發(fā)展。結合實例說明了基于Profibus-DP現場總線控制系統(tǒng)集成技術的設計和實現,并給出了基于Profibus-DP現場總線控制系統(tǒng)的幾種集成方案。提出了現場總線集成中應注意的若干問題。關鍵詞:現場總線控制系統(tǒng);集成;Profibus-DP;可編程邏輯控制器;工業(yè)以太網中圖分類號:TP336文獻標識碼:AAbstract:The necessity of field bus integration tech

7、nology and the development of FCS integration technology are introduced.Then the design and implement of FCS integration technology based on Profibus-DP are explained with example.And provide some ways of FCS integration technology based on Profibus-DP.Some problems about field bus integration techn

8、ology are given.Key words:FCS;Integration;Profibus-DP;PLC;Ethernet文章編號:1008-0570(200706-1-0030-02藍麗:碩士研究生基金項目:北京市教委科技發(fā)展計劃項目(km200611417007技術創(chuàng)新過控制占空比來控制電爐的溫度。因為被控對象較多且分布較散,所以監(jiān)控系統(tǒng)必須是徹底的分散和分布。整個系統(tǒng)由三層網絡構成:底層是現場設備層,中間層為監(jiān)控層,上層為信息管理層。現場設備層是以Profibus-DP 總線為基礎,現場設備互連,集成了PLC 系統(tǒng)的現場層分布式控制網絡Infranet ;監(jiān)控層是處于環(huán)形工業(yè)以

9、太網Ethernet 中,從現場設備中獲取數據,完成各種控制、運行參數的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能,另外還包括控制組態(tài)的設計。它通過專門的現場總線轉換器實現現場總線網段與以太網段的連接,這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活;信息管理層是通過校園局域網與Internet 網連接,實現分布式網絡環(huán)境下的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。為何要使用Ethernet ,因為現場總線是專為工業(yè)現場層設備通信設計,它只解決了底層自動化系統(tǒng)的信息集成問題,并不適用于傳輸較大量的數據,也不容易與管理層進行集成。而以太網設計初衷就是用于數據處理的辦公網,工業(yè)以太網可以達到很高的通信速率。利用以太網的優(yōu)點,結合PLC 控制器及現場總線,就可以

10、構成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。3.2軟硬件配置現場層:因考慮到設備分布廣,各工序各設備需并行地進行工作,所以用三路Profibus-DP 總線構成整個底層控制網絡分別對各被控對象的生產過程進行實時控制,每路總線包含一個PLC 總站和若干DP 從站,三路總線之間獨立運行互不影響。該例中以西門子SIM ATIC S7系列PLC 作為Profibus 總站,三臺PLC 通過交換機掛在Ethernet 上;智能傳感器、執(zhí)行器、變頻器等現場級設備等作為從站,采用Profibus-DP 協(xié)議對現場級設備、Profibus-DP 通信模塊、擴展I/O 模塊等與PLC 進行通訊。若需增加被控對象,可根據實

11、際需要在以太網上擴展PLC 站(或別的主站形成新的若干路總線即可,不影響以組建好的PLC 站和各路總線。(11#Profibus-DP 總線控制兩臺三容器液位裝置:PLC S7-300(CPU 型號CPU 314C-2DP作為總站,CP 343-1通訊卡實現PLC 與Ethernet 的相連,兩臺三容器的四個液位傳感器和四個電磁泵作為從站,通過Profibus-DP 總線互連并與PLC 總站通信;(22#Profibus-DP 總線控制兩臺皮帶傳輸機:PLC S7-400(CPU 型號CPU 414-3DP作為總站,CP443-1通訊卡實現PLC 與Ethernet 的互連,由ET200M I

12、M 153-1作為DP 遠程從站,通過Profibus-DP 總線與PLC 總站通信,ET200M 從站上掛有三個I/O 模塊,兩臺皮帶傳輸機的四個變頻器分別與ET200M 站的I/O 模塊通信;(33#Profibus-DP 總線控制三臺立式電爐:PLC S7-400(CPU 型號CPU 412-2DP作為總站,CP443-1通訊卡實現PLC 與Ethernet 的互連,由ET200S IM 151-1作為DP 遠程從站,通過Profibus-DP 總線與PLC 總站通信,ET200S 從站上掛有電源模塊和四個I/O 模塊,三臺立式電爐的六個熱電阻電源和六個溫度傳感器分別與ET200S 站的

13、I/O 模塊通信。監(jiān)控層:由多臺計算機,多個工程師站和監(jiān)控站組成,可根據實際需求增設,互不影響。每個站都通過Ethernet 與各PLC 站相互通信。工程師站裝有Step7控制軟件,該軟件是西門子SIM ATIC S7系列PLC 的配套軟件,負責系統(tǒng)的硬件配置組態(tài)、軟件編程、參數設置等。完成上位機各站與下位機PLC 站的通信,需要使用Step7軟件給Ethernet 通信的各CP 模塊分配好IP地址。監(jiān)控站裝有與西門子系列PLC 配套的WinCC 監(jiān)控軟件,實現系統(tǒng)的軟件組態(tài),即數據采集、數據記錄、數據管理、報警、趨勢、打印報表等工作。各操作員可通過操作終端詳細了解各設備運行情況,實現對現場設

14、備的實時監(jiān)控,實現自動控制。信息層:由校園局域網連接Internet 網構成;由高性能計算機、工作站、PC 機等組成。通過計算用客戶機、服務器完成一般數據庫和實時數據庫的集成,建立分布式數據庫管理系統(tǒng),達到數據共享,保持數據的完整、互操作和一致性;在局域網內的工作站安裝監(jiān)控軟件就可實現異地遠程監(jiān)控;與外界的Internet 連接實現企業(yè)內部管理層與企業(yè)遠程網點的信息集成。這種結合以太網技術的控制系統(tǒng)實現了網絡集成,達到了信息傳輸、遠程控制和監(jiān)視,還可根據需要擴展監(jiān)控站和PLC 站。再結合利用Internet 的技術就可以使該集成建成完善的企業(yè)管理、生產、過程監(jiān)控的信息網絡系統(tǒng),實現控制網絡與信

15、息網絡的緊密集成,使現場設備的各信息在企業(yè)內部網甚至企業(yè)外部網都能訪問到而不需到現場進行觀測。該控制系統(tǒng)實例完成了基于Profibus-DP 現場總線控制系統(tǒng)的集成,真正實現了Intranet/Infranet/Internet 測控管一體化網絡體系,實現了信息化、辦公自動化,達到了資源共享等。整個控制系統(tǒng)是模擬工廠設備而建的,運行了較長時期達到了良好的效果,是適合現代化辦公及工業(yè)過程控制的網絡系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)根據實際需要只運用了若干集成技術,而基于Profibus-DP 現場總線控制系統(tǒng)可實行的集成方案還有很多種,應根據項目的實際需要選擇性地加以應用。現給出幾種普遍使用的方案:Profibu

16、s-DP 與其它總線集成,如CAN 總線、LON-WORKS 總線等;FCS 與PLC 、DCS 的集成;與以太網(Ethernet的集成實現現場控制網絡Infranet 和企業(yè)內部信息網Intranet 的互聯(lián);與OPC (OLE for Process Control、DDE (Dynamic Data Ex-change等技術的集成實現數據等信息的共享。4結論基于Profibus-DP 現場總線控制系統(tǒng)集成技術以Profibus-DP 總線為底層控制網絡,將Profibus-DP 總線和其他各相關技術的優(yōu)點集成在一起實現了與上層企業(yè)網之間的互聯(lián),使現場生產和控制信息可以及時在企業(yè)網內交換

17、,甚至可以將相關信息發(fā)布在企業(yè)外部網上,提供了更大程度的信息共享,相關人員能方便地了解企業(yè)生產情況,有利于管理層的決策,還可對生產對象進行遠程監(jiān)控、診斷和維護等,節(jié)省大量人力物力,特別適用于大型企業(yè),給企業(yè)帶來巨大的經濟效益。但是基于現場總線控制系統(tǒng)的集成技術實現必須注意以下問題:1項目是否適于使用現場總線;2網絡性能,如系統(tǒng)實時性,可靠性等;3網絡結構,如網絡拓撲結構類型,網段最大長度等;4有無成功應用先例;5市場因素等。本文作者創(chuàng)新點:用實例實現了基于Profibus-DP 現場總線控制系統(tǒng)的集成,結合了PLC 、Ethernet 、Internet 等技術的優(yōu)點真正達到了集成的目的,實現

18、了測控管一體化。參考文獻:1陽憲惠等.現場總線技術及其應用M.清華大學出版社,19992雷霖.現場總線控制網絡技術M.電子工業(yè)出版社,20043Richard H Caro.Ethernet will transform fieldbusJ.Hydrocar-bon Processing,2000,79(6:794馮大為,陽憲惠.從信息集成看現場總線技術的發(fā)展J.冶金自動化,2001,6(5:2227(下轉第17頁技術創(chuàng)新統(tǒng)中,PID 控制策略發(fā)揮了很好的作用,使得凸輪軸的轉角控制非常精確。從實際的工作曲線圖5可以看出,改進的PID 增量式算法解決了失控的問題,滿足實際控制的需要,得到了很好的

19、控制效果。5結論根據以上的分析研究,可以得出以下結論:(1指出了現有的遞推位置式算法存在的易于產生失控的問題。通過全面的仿真分析,指出產生失控的原因。(2提出了改進的PID 算法,并通過仿真表明改進的算法能夠很好的解決欠調失控和積分飽和等問題,滿足實際工業(yè)控制的要求。(3將改進的PID 遞推位置式算法應用于300MN 水壓機的操縱控制系統(tǒng)中,通過實驗證明改進算法的正確性和實用性。本文作者的創(chuàng)新點是:指出了常規(guī)PID 遞推位置式算法易于失控的原因,提出了改進的PID 控制算法,并將其應用與三萬噸水壓機中,得到很好的控制效果。參考文獻2朱仲邃.不完全微分PI D 算法在純滯后系統(tǒng)中的應用.J微計算

20、機信息,2005,21(9-1:27-283薛定宇,陳陽泉.基于MATLABSimulink 的系統(tǒng)仿真技術與應用.清華大學出版社,20024逄振旭,李從心.迭代學習PID 控制器在液壓系統(tǒng)中的應用.機械工程學報,2001,37(4:103-105作者簡介:劉彬(1984-,男(漢,安徽安慶人,碩士研究生,主要從事液壓系統(tǒng)建模仿真及其控制研究;譚建平(1963-,男(漢,教授,博導,主要從事現代機電液控制理論與應用研究。Biography:Liu bin(1984-,male(Han,Anqing,Anhui,master,main research in simulation and the

21、 control theory of hydraulic system ;Tan Jian -ping (1963-,male (Han,Changsha,Hunan,tutor for doctor,main research in the modern control theory and application about the combination of machinery,electricity and liquid.(410083湖南中南大學機電工程學院劉彬譚建平(512005廣東韶關學院黃長征(School of Mechanical and Electrical Engin

22、eering,Central South University,Hunan Changsha,410083ChinaLiu Bin Tan Jian Ping(Shaoguan University,Guangdong Shaoguan,512005ChinaHuang Chang Zheng通訊地址:(410083湖南湖南長沙中南大學機電工程學院測控室劉彬與控制。Biography:Lan,Li (1983-,Han,female,master,major in re-search and application of field bus integration technology;Li,Hong-xing,(1956-,Han,male,professor,major in control net-work technology,intelligent control and modeling and controlling complex system(100029北京北京化工大學藍麗(100101北京北京聯(lián)合大學李紅星(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 10029Lan Li(Beijing Union Universit