基于Profibus_DP现场总线控制系统的集成

1、技术创新中文核心期刊微计算机信息(测控自动化2007年第23卷第6-1期控制系统1引言现场总线以其独特的优势已成为自动控制领域的热点。构建以现场总线底层控制网络为基础,实现企业管理、控制一体化的综合自动化系统是企业致力实现的目标。作为企业底层网络的现场总线技术应服务于企业的目标,以完成信息的集成。现场总线控制系统集成技术就是基于此目而逐渐发展进步的,是用一种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统搭配起来才能完成所有功能的集成方案,能大大简化系统的结构,减少大量接口部件。应用集成技术克服了上位机和现场工业控制设备之间、集中与分散之间的界限。Profibus现场总线技术是开放式、数字化、多点通信

2、的底层控制网,以现场总线为纽带,可以把单个分散的测控设备变成网络节点,形成底层现场智能设备与高层的系统信息共享,满足工业控制体系分布化、扁平化和智能化的发展要求。Profibus在现场总线的应用中占有相当大的比例,且有着重要优势,在现场总线领域中一直占据着先锋地位。由于Profibus适用领域的广泛性(它既适用于工业自动化中离散加工过程的应用,也适用于流程自动化中连续和批处理过程的应用,以及它的成熟性、先进性和标志性,本文以Profibus作为现场总线的代表介绍现场总线控制系统的集成技术。2现场总线控制系统集成技术的发展2.1现场总线控制系统的产生现场总线是过程控制技术、智能仪表技术和计算机网

3、络技术三个不同领域结合的产物,把自动控制系统和设备带进了信息网络之中,成为企业信息网络的底层,从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础。现场总线导致了传统控制系统结构的变革,形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统(FCS。2.2现场总线控制系统集成技术的发展由于技术发展的连续性和继承性,以及不同系统研发投资和市场利益的驱使,现场总线控制系统的出现,不会使得其他系统(如DCS,PLC等很快消失而形成了多种系统集成的局面。目前世界上多种现场总线仍共存,现场总线的标准化是多元化的,所以必须发展多种现场总线之间的集成技术。现在Internet和Intranet(企业内部信息

4、网络正在把世界范围的计算机和通信设备联成一个全球化的数据网络,产生了比孤立的网络强大得多的功能,随着由各种现场总线智能单元组成的现场控制网络Infranet的出现,控制网络上的设备也接人了Internet,新一代的企业信息网络结构也伴随而产生。如何使控制网络和企业信息网络达到无缝连接是近期企业信息网络的发展重点。现场总线控制系统的信息集成技术就是在这样的趋势下产生的。由于各种现场总线技术的发展和竞争、各种计算机主流技术在工业控制领域的渗透和应用以及自动化技术发展的延续性和继承性,现场总线控制系统中的集成技术的研究和发展将面临着多总线集成、多系统集成、多技术集成的局面。3基于Profibus-D

5、P现场总线控制系统的集成结合“北京联合大学智能控制网络技术实验室”的现场总线控制系统说明如何实现基于Profibus-DP现场总线控制系统的集成技术,达到Infranet、Intranet和Internet三者结合形成的测控管一体化。3.1网络构架现场被控设备有两台三容器液位装置、两个皮带传输机、三台立式电炉。三容器液位控制系统是一个双输入双输出的系统,通过控制水泵阀位的开度使三容器的液位达到我们的设定值。皮带传输机是通过控制变频器的频率来改变皮带传输机传输速度。立式电炉是一个双输入双输出的温度场控制对象,通基于Profibus-DP现场总线控制系统的集成FCS Integration Bas

6、ed on Profibus-DP(1.北京化工大学;2.北京联合大学蓝丽1李红星2LAN LI LI HONGXING摘要:介绍了现场总线集成的必要性和现场总线控制系统(FCS集成技术的发展。结合实例说明了基于Profibus-DP现场总线控制系统集成技术的设计和实现,并给出了基于Profibus-DP现场总线控制系统的几种集成方案。提出了现场总线集成中应注意的若干问题。关键词:现场总线控制系统;集成;Profibus-DP;可编程逻辑控制器;工业以太网中图分类号:TP336文献标识码: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文章编号:1008-0570(200706-1-0030-02蓝丽:硕士研究生基金项目:北京市教委科技发展计划项目(km200611417007技术创新过控制占空比来控制电炉的温度。因为被控对象较多且分布较散,所以监控系统必须是彻底的分散和分布。整个系统由三层网络构成:底层是现场设备层,中间层为监控层,上层为信息管理层。现场设备层是以Profibus-DP 总线为基础,现场设备互连,集成了PLC 系统的现场层分布式控制网络Infranet ;监控层是处于环形工业以

9、太网Ethernet 中,从现场设备中获取数据,完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能,另外还包括控制组态的设计。它通过专门的现场总线转换器实现现场总线网段与以太网段的连接,这种方式使系统配置更加灵活;信息管理层是通过校园局域网与Internet 网连接,实现分布式网络环境下的远程监控系统。为何要使用Ethernet ,因为现场总线是专为工业现场层设备通信设计,它只解决了底层自动化系统的信息集成问题,并不适用于传输较大量的数据,也不容易与管理层进行集成。而以太网设计初衷就是用于数据处理的办公网,工业以太网可以达到很高的通信速率。利用以太网的优点,结合PLC 控制器及现场总线,就可以

10、构成全分散、全开放的集散控制系统。3.2软硬件配置现场层:因考虑到设备分布广,各工序各设备需并行地进行工作,所以用三路Profibus-DP 总线构成整个底层控制网络分别对各被控对象的生产过程进行实时控制,每路总线包含一个PLC 总站和若干DP 从站,三路总线之间独立运行互不影响。该例中以西门子SIM ATIC S7系列PLC 作为Profibus 总站,三台PLC 通过交换机挂在Ethernet 上;智能传感器、执行器、变频器等现场级设备等作为从站,采用Profibus-DP 协议对现场级设备、Profibus-DP 通信模块、扩展I/O 模块等与PLC 进行通讯。若需增加被控对象,可根据实

11、际需要在以太网上扩展PLC 站(或别的主站形成新的若干路总线即可,不影响以组建好的PLC 站和各路总线。(11#Profibus-DP 总线控制两台三容器液位装置:PLC S7-300(CPU 型号CPU 314C-2DP作为总站,CP 343-1通讯卡实现PLC 与Ethernet 的相连,两台三容器的四个液位传感器和四个电磁泵作为从站,通过Profibus-DP 总线互连并与PLC 总站通信;(22#Profibus-DP 总线控制两台皮带传输机:PLC S7-400(CPU 型号CPU 414-3DP作为总站,CP443-1通讯卡实现PLC 与Ethernet 的互连,由ET200M I

12、M 153-1作为DP 远程从站,通过Profibus-DP 总线与PLC 总站通信,ET200M 从站上挂有三个I/O 模块,两台皮带传输机的四个变频器分别与ET200M 站的I/O 模块通信;(33#Profibus-DP 总线控制三台立式电炉:PLC S7-400(CPU 型号CPU 412-2DP作为总站,CP443-1通讯卡实现PLC 与Ethernet 的互连,由ET200S IM 151-1作为DP 远程从站,通过Profibus-DP 总线与PLC 总站通信,ET200S 从站上挂有电源模块和四个I/O 模块,三台立式电炉的六个热电阻电源和六个温度传感器分别与ET200S 站的

13、I/O 模块通信。监控层:由多台计算机,多个工程师站和监控站组成,可根据实际需求增设,互不影响。每个站都通过Ethernet 与各PLC 站相互通信。工程师站装有Step7控制软件,该软件是西门子SIM ATIC S7系列PLC 的配套软件,负责系统的硬件配置组态、软件编程、参数设置等。完成上位机各站与下位机PLC 站的通信,需要使用Step7软件给Ethernet 通信的各CP 模块分配好IP地址。监控站装有与西门子系列PLC 配套的WinCC 监控软件,实现系统的软件组态,即数据采集、数据记录、数据管理、报警、趋势、打印报表等工作。各操作员可通过操作终端详细了解各设备运行情况,实现对现场设

14、备的实时监控,实现自动控制。信息层:由校园局域网连接Internet 网构成;由高性能计算机、工作站、PC 机等组成。通过计算用客户机、服务器完成一般数据库和实时数据库的集成,建立分布式数据库管理系统,达到数据共享,保持数据的完整、互操作和一致性;在局域网内的工作站安装监控软件就可实现异地远程监控;与外界的Internet 连接实现企业内部管理层与企业远程网点的信息集成。这种结合以太网技术的控制系统实现了网络集成,达到了信息传输、远程控制和监视,还可根据需要扩展监控站和PLC 站。再结合利用Internet 的技术就可以使该集成建成完善的企业管理、生产、过程监控的信息网络系统,实现控制网络与信

15、息网络的紧密集成,使现场设备的各信息在企业内部网甚至企业外部网都能访问到而不需到现场进行观测。该控制系统实例完成了基于Profibus-DP 现场总线控制系统的集成,真正实现了Intranet/Infranet/Internet 测控管一体化网络体系,实现了信息化、办公自动化,达到了资源共享等。整个控制系统是模拟工厂设备而建的,运行了较长时期达到了良好的效果,是适合现代化办公及工业过程控制的网络系统。该控制系统根据实际需要只运用了若干集成技术,而基于Profibus-DP 现场总线控制系统可实行的集成方案还有很多种,应根据项目的实际需要选择性地加以应用。现给出几种普遍使用的方案:Profibu

16、s-DP 与其它总线集成,如CAN 总线、LON-WORKS 总线等;FCS 与PLC 、DCS 的集成;与以太网(Ethernet的集成实现现场控制网络Infranet 和企业内部信息网Intranet 的互联;与OPC (OLE for Process Control、DDE (Dynamic Data Ex-change等技术的集成实现数据等信息的共享。4结论基于Profibus-DP 现场总线控制系统集成技术以Profibus-DP 总线为底层控制网络,将Profibus-DP 总线和其他各相关技术的优点集成在一起实现了与上层企业网之间的互联,使现场生产和控制信息可以及时在企业网内交换

17、,甚至可以将相关信息发布在企业外部网上,提供了更大程度的信息共享,相关人员能方便地了解企业生产情况,有利于管理层的决策,还可对生产对象进行远程监控、诊断和维护等,节省大量人力物力,特别适用于大型企业,给企业带来巨大的经济效益。但是基于现场总线控制系统的集成技术实现必须注意以下问题:1项目是否适于使用现场总线;2网络性能,如系统实时性,可靠性等;3网络结构,如网络拓扑结构类型,网段最大长度等;4有无成功应用先例;5市场因素等。本文作者创新点:用实例实现了基于Profibus-DP 现场总线控制系统的集成,结合了PLC 、Ethernet 、Internet 等技术的优点真正达到了集成的目的,实现

18、了测控管一体化。参考文献:1阳宪惠等.现场总线技术及其应用M.清华大学出版社,19992雷霖.现场总线控制网络技术M.电子工业出版社,20043Richard H Caro.Ethernet will transform fieldbusJ.Hydrocar-bon Processing,2000,79(6:794冯大为,阳宪惠.从信息集成看现场总线技术的发展J.冶金自动化,2001,6(5:2227(下转第17页技术创新统中,PID 控制策略发挥了很好的作用,使得凸轮轴的转角控制非常精确。从实际的工作曲线图5可以看出,改进的PID 增量式算法解决了失控的问题,满足实际控制的需要,得到了很好的

19、控制效果。5结论根据以上的分析研究,可以得出以下结论:(1指出了现有的递推位置式算法存在的易于产生失控的问题。通过全面的仿真分析,指出产生失控的原因。(2提出了改进的PID 算法,并通过仿真表明改进的算法能够很好的解决欠调失控和积分饱和等问题,满足实际工业控制的要求。(3将改进的PID 递推位置式算法应用于300MN 水压机的操纵控制系统中,通过实验证明改进算法的正确性和实用性。本文作者的创新点是:指出了常规PID 递推位置式算法易于失控的原因,提出了改进的PID 控制算法,并将其应用与三万吨水压机中,得到很好的控制效果。参考文献2朱仲邃.不完全微分PI D 算法在纯滞后系统中的应用.J微计算

20、机信息,2005,21(9-1:27-283薛定宇,陈阳泉.基于MATLABSimulink 的系统仿真技术与应用.清华大学出版社,20024逄振旭,李从心.迭代学习PID 控制器在液压系统中的应用.机械工程学报,2001,37(4:103-105作者简介:刘彬(1984-,男(汉,安徽安庆人,硕士研究生,主要从事液压系统建模仿真及其控制研究;谭建平(1963-,男(汉,教授,博导,主要从事现代机电液控制理论与应用研究。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湖南中南大学机电工程学院刘彬谭建平(512005广东韶关学院黄长征(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通讯地址:(410083湖南湖南长沙中南大学机电工程学院测控室刘彬与控制。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北京北京化工大学蓝丽(100101北京北京联合大学李红星(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 10029Lan Li(Beijing Union Universit