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由于ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線具備傳輸快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散I/O之間的高速通信。本文首先介紹了ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，然后基于ProfiBus-DP和PA、Siemens PLC 300和Wincc組態(tài)軟件，詳細(xì)闡述過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，硬件、通信協(xié)議、監(jiān)控頁(yè)面的組態(tài)方法和步驟。
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0 引言
伴隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的大型化、復(fù)雜化、連續(xù)化和自動(dòng)化發(fā)展，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的控制水平和品質(zhì)也有了更高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和智能儀表設(shè)備的互聯(lián)和實(shí)時(shí)通信。它是一種開(kāi)放的、具互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)[1].本文將以西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)，介紹以Siemens PLC 300 和Wincc 組態(tài)軟件為主體的過(guò)程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)過(guò)程。
1 ProfiBus 現(xiàn)場(chǎng)總線
西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[2-3],可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案[4].ProfiBus系列由ProfiBus-DP/FMS/PA三個(gè)兼容部分組成。其中ProfiBus-DP和PA的特點(diǎn)如下[1,5]:
ProfiBus-DP 適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散I/O 之間的高速通信；可取代24 V 或4~20 mA 的串聯(lián)式信號(hào)傳輸；使用RS 485傳輸技術(shù)或光纖媒體。
ProfiBus-PA 專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)；可將變送器和執(zhí)行器連接到一根公共總線，可用于本質(zhì)安全領(lǐng)域；數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的ProfiBus-DP協(xié)議，還具有PA行規(guī)。
本文將采用ProfiBus-DP和ProfiBus-PA通信協(xié)議來(lái)構(gòu)建過(guò)程控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
本過(guò)程控制系統(tǒng)用于模擬對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位、溫度等信息的采集、處理，PID 控制和控制工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)通過(guò)西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，采用MPI通信方式與上位機(jī)進(jìn)行通信和遠(yuǎn)程控制，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)主要包含上位監(jiān)控機(jī)、CPU、以太網(wǎng)通信模塊、DP鏈路、分布式I/O和變頻器DP從站、溫度和壓力變送器、閥門定位器、電磁流量計(jì)等。CPU 采用Siemens 的S7300 315-2 DP,既具有多點(diǎn)通信功能的MPI 接口，又具有ProfiBus-DP通信功能[6].
3 系統(tǒng)組態(tài)
3.1 硬件組態(tài)
針對(duì)西門子S7-300PLC 來(lái)說(shuō)，其硬件組態(tài)是通過(guò)Step7 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟。
?。?）新建項(xiàng)目
新建項(xiàng)目時(shí)需選擇好存儲(chǔ)路徑和項(xiàng)目名稱。
?。?）添加工作站
右鍵點(diǎn)擊新建的站點(diǎn)名字，選擇插入SIMATIC300 Station.
?。?）硬件配置[7]
雙擊Hardware 進(jìn)入硬件配置界面，從右側(cè)硬件列表中拖入機(jī)架，并按實(shí)際機(jī)架上模塊的順序依次添加電源、CPU（315-2DP）、AI/AO模塊。DP/PA b等。根據(jù)每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的不同，有選擇的在PA層掛入變頻器、流量計(jì)、變送器和電磁閥等對(duì)象。圖2是組態(tài)完的結(jié)果。
西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線注意事項(xiàng)：
① 硬件配置必須和實(shí)際PLC 上掛的模塊一致，具體的設(shè)置參數(shù)要看模塊左下方的訂貨號(hào)。
?、?CPU 地址設(shè)為2,其余模塊地址從4 開(kāi)始，且不能重復(fù)[8].
?、?設(shè)置ProfiBus網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為1.5 Mb/s（DP）。
?、?模塊地址需記住，因?yàn)榫幊痰臅r(shí)候要用到。尤其是AI/AO模塊地址要記住，以保證數(shù)據(jù)的正確通信。
?、?AI/AO模擬量模塊的輸入和輸出通道信號(hào)類型此處設(shè)為兩線制4~20 mA.
?、?硬件配置好后可選擇保存編譯。
?。?）程序編寫(xiě)PLC 程序是用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理，及Wincc監(jiān)控頁(yè)面和PLC之間的互聯(lián)通信。
PLC 程序主要包含主程序塊，故障診斷組織塊，功能函數(shù)塊FB41（連續(xù)控制PID），DB數(shù)據(jù)塊。FB41函數(shù)塊的參數(shù)設(shè)置是程序編寫(xiě)的重點(diǎn)，主要針對(duì)MAN_ON、PVPER_ON、PV_FAC、PV_OFF、LMN_FAC、LMN_OFF、SP_INT、LMN_PER 等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。具體的定義和設(shè)置要求可通過(guò)查閱幫助文件來(lái)獲取。
3.2 通信組態(tài)
在Step7 軟件的option 選項(xiàng)里選擇Set PG/PC Inter-face,把通信協(xié)議改為CP5611（MPI），點(diǎn)擊“Diagnostics”
按鈕進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面。點(diǎn)擊“Test”按鈕顯示正常，然后點(diǎn)擊“Read”按鈕讀到PLC地址為2表示通信成功。
軟硬件均編譯通過(guò)后，即可下載進(jìn)PLC.
3.3 監(jiān)控頁(yè)面組態(tài)
本例中用Wincc 軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)Step7 的變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的監(jiān)控。
（1）新建項(xiàng)目和添加驅(qū)動(dòng)程序
新建項(xiàng)目時(shí)需設(shè)置項(xiàng)目類型、名稱和路徑。
選擇變量管理--新建驅(qū)動(dòng)程序--插入SIMAT-IC S7 PROTOCOL SUITE.此通信驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，此處選擇MPI（和PLC 的通信協(xié)議一致），并設(shè)置站地址為2.
?。?）組態(tài)變量
Wincc 變量類型主要有過(guò)程變量和內(nèi)部變量。其中過(guò)程變量是真實(shí)值，位于PLC的存儲(chǔ)器中。內(nèi)部變量表示在Wincc中用來(lái)計(jì)算或模擬的內(nèi)部值，不與PLC之間進(jìn)行通信。每個(gè)變量在組態(tài)時(shí)需定義變量名稱和類型。過(guò)程變量還需選擇PLC中地址和數(shù)據(jù)格式變換。
?。?）創(chuàng)建過(guò)程畫(huà)面
過(guò)程畫(huà)面是由圖形編輯器來(lái)完成的。在該界面中可添加全部欲在運(yùn)行狀態(tài)下顯示的內(nèi)容。Wincc 的圖庫(kù)中提供了豐富的圖形，只需選擇拖入畫(huà)面即可?！皩?duì)象選項(xiàng)板”的“標(biāo)準(zhǔn)板”中列出了線、靜態(tài)文本、輸入輸出域等對(duì)象；“控件板”中列出了時(shí)鐘、報(bào)警控件、在線表格控件、在線趨勢(shì)控件等。圖3 是組態(tài)完成后的一個(gè)監(jiān)控畫(huà)面。
西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線注意事項(xiàng)：
① 畫(huà)面中需動(dòng)態(tài)顯示的文本框、圖形、按鈕、輸入/輸出域、滾動(dòng)條等一定要設(shè)置好連接的變量名，同時(shí)亦可在屬性選項(xiàng)中更改顯示方式等參數(shù)。
?、?運(yùn)行系統(tǒng)中如需采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建過(guò)程數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)曲線時(shí)，需先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，將其存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)中，并用表格或趨勢(shì)曲線的形式輸出當(dāng)前過(guò)程值或已歸檔過(guò)程值。
歸檔中要設(shè)置歸檔變量名、歸檔周期。圖3 使用了Wincc Online Trend Control這個(gè)ActiveX 控件來(lái)顯示過(guò)程數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。
?。?）創(chuàng)建腳本
Wincc 可以通過(guò)使用函數(shù)和動(dòng)作使項(xiàng)目中的過(guò)程動(dòng)態(tài)化，可自行建立項(xiàng)目函數(shù)，也可建立全局動(dòng)作腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示要求。
?。?）設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行屬性和激活項(xiàng)目
在Wincc 資源管理器的左邊子窗口中點(diǎn)擊“計(jì)算機(jī)”進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)的名稱、運(yùn)行畫(huà)面的外觀、起始畫(huà)面、標(biāo)題、畫(huà)面大小等。
全部組態(tài)結(jié)束后，即可點(diǎn)擊激活按鈕，觀看項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控畫(huà)面了。
注意事項(xiàng)：
① 若運(yùn)行項(xiàng)目是從其他計(jì)算機(jī)上拷過(guò)來(lái)的，必須更改計(jì)算機(jī)名為當(dāng)前計(jì)算機(jī)名。
?、?選擇在運(yùn)行時(shí)需啟動(dòng)的組件，可選擇圖形運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)、變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)等。
?、?熱鍵在組態(tài)階段不需屏蔽，當(dāng)組態(tài)結(jié)束進(jìn)入使用階段，則須將所有熱鍵屏蔽。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)這一過(guò)程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)，可掌握PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和PID控制技術(shù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本文是基于西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、Siemens PLC和Wincc組態(tài)軟件，構(gòu)建了一個(gè)典型的工業(yè)過(guò)程運(yùn)行和監(jiān)控系統(tǒng)。在具體構(gòu)建過(guò)程中，因項(xiàng)目的差異，可靈活選擇不同的組網(wǎng)和通信方式。本文提供的僅是一個(gè)范例，只要掌握了基本方法，還可以將其進(jìn)一步推廣到其他控制領(lǐng)域。西門子PROFIBUS總線電纜多少錢/價(jià)格報(bào)價(jià)
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