基于Profibus现场总线的分布式控制系统

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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。

1 Profibus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，主要基于三级网路平台，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：

3 Profibus-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SIMATIC S7-300，在其配套的STEP 7 V5.4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，S7-200 PLC软件系统，基于STEP7-MicmWIN32 V3．1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Protool V6．0对TP170A组态。

本系统的人机界面利用西门子公司的SIEMENS Wincc7.0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。

参考文献

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2O02.

[2]徐国林.PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]崔坚等.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2004.