基于现场总线的PLC控制系统研究正文.docx

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基于现场总线的PLC控制系统研究正文

1概述

1.1简介

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：

具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。

由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。

人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。

现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。

可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

1.2发展历史

1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。

80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。

采用在4～20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。

HART协议已是现场总线的雏形。

1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。

1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。

后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISASP50。

随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：

一个是以Siemens、Rosemount，横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。

1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（FieldbusFoundation）简称FF。

对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：

共同制定遵循IEC/ISASP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。

1.3技术特点

1.3.1系统的开放性

开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。

这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。

一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。

一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。

用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

1.3.2互可操作性与互用性

这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。

而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

1.3.3现场设备的智能化与功能自治性

它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

1.3.4系统结构的高度分散性

由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。

从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

1.3.5对现场环境的适应性

工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

1.4技术优点

1.4.1节省硬件数量与投资

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

1.4.2节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

1.4.3节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

1.4.4用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

1.4.5提高了系统的准确性与可靠性

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：

减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

2Profibus现场

2.1PROFIBUS现场总线概述

过程现场总线PROFIUS是ProcessFieldbllS的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，在1996年被批准成为欧洲标准EN50107。

2000年1月成为国际标准IEC61158的组成部分，用于将分散的现场过程控制设备与集中控制系统在底层进行连接，现己广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化等领域。

PROFIBUS以ISO/OSI的网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型：

PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）和PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpeciation）。

这三个相互兼容的协议既有共性，又有个性，应用各有侧重。

PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。

可实现现场级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

2.2PROFIBUS协议简介

PROFIBUS以ISO/OSI的网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型：

PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS，协议结构如表2-1所示。

（1）PROFBUS-DP（DecentralizedPeriphery）：

主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统（如PLC，PC等）通过高速串行总线与分散的现场设备（如阀门等）之间的通信任务。

它定义了第一、二层和用户接口。

采用线形、环形、星形等多种拓扑结构，可实现光纤双环冗余。

使用PROFIBUS．DP可取代现场的24V或4-20mA信号传输。

（2）PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）：

主要用于过程自动化领域，其数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议，并定义了PA行规。

它将过程控制系统与现场设备（如压力变送器、温度变送器等）通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务，本质安全，并通过总线对现场设备供电。

（3）PROFlBUS-FMS（FieldbusMessageSpeciation）：

主要用于车间级监控，定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterface．LLI，FMS）包括应用协议，并向用户提供大量的通信任务以及管理及服务任务。

表2-1Profibus协议结构

用户层

DP设备行规

FMS设备行规

PA设备行规

基本功能

扩展空能

基本功能

设备功能

用户接口

接数据链路

（DDLM）

应用层接口

（ALT）

DP用户接口

接数据链路

（DDLM）

第七层

（应用层）

未使用

应用层

现场总线报文

规范（FMS）

未使用

第3-6层

未使用

第2层

（数据链路层）

数据链路层

现场总线数据链路（FDL）

数据链路层

现场总线数据链路（FDL）

IEC接口

第1层

（物理层）

物理层

（RS485/LWL）

物理层

（RS485/LWL）

IEC-11852

其中PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA无应用层，PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS具有相同的数据链路层和物理层，物理层采用EIA（美国电子工业协会）标准EIA．485（RS485），传输速率为9.6kbps--12MbpsPROFIBUS-PA物理层采用EIAll58-2标准，传轴速率为31-25kbps，总线供电，本质安全。

2.3PROFIBUS传输技术

现场总线系统的应用既要考虑传输距离以及传输速度，又必须经济、可靠，为了满足复杂的工业应用的实际要求，PROFIBUS提供了DP和FMS的RS485传输、PA的IECll58-2传输以及光纤传输。

（1）DP和FMS的RS485传输：

RS485通常称为H2，传输速度可选用9.6kbs～12Mbps，是PROFIBUS最常采用的一种传输类型。

它采用屏蔽双绞线电缆，共用一根导线对，电缆的最大长度取决于传输速度；网络拓扑为线形总线，两端有有源总线终端电阻；不带转发器，每段32个站，带转发器最多可达127个站；采用9针D副插头连接器。

（2）用于PA的IECll58-2传输技术：

IECll58-2传输技术通常称为H1，用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石化工业的要求，可保持其本质安全并使现场设备通过总线供电，是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输。

IECll58-2采用屏蔽或非屏蔽双绞线，传输速度为31-25kbps；拓扑类型为线形或树形，或两者结合；不带转发器，每段32个站，可扩展至4台转发器，最多可达126个站。

本质安全，总线供电。

耦合器可将RS485信号与IECll58-2信号相适配，从而实现IECII58-2传输技术的总线段与RS485传输技术的总线段的连接。

（3）光纤传输技术

在电磁干扰很大的环境下，可使用光纤以增长高速传物的最大距离，降低干扰。

2.4PROFIBUS总线存取协议

DP，PA和FMS采用一致的总线存取协议，通过OSI参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。

在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路层（FDL，fieldbusdatalink）。

介质存取控制（MAC，mediumaccesscontr01）控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。

PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的基本要求：

（a）在复杂的自动化系统（主站）间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

（b）在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）问通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

因此，PROFIBUS总线存取协议包括主站之问的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。

令牌程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权（令牌），令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在PROFIBUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。

主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息，通过该方法可实现以下几种系统配置方式：

（a）纯主站-从站系统（主-从机制）

（b）纯主站-主站系统（令牌传递机制）

（c）混合系统

纯主站-从站系统中配有多个从站，而只有一个主站。

主站享有控制权，可以发送信息给从站，并且可以从从站获取信息。

由三个主站和四个从站构成的纯主站-主站系统配置如图2-1所示。

三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时问内，它可依照主-从关系表与所有从站通信，也可依照主-主关系表与所有主站通信。

图2-1纯主站-主站系统

令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间内安装地址的升序在各主站中依次传递。

在总线系统初建时，MAC的主要任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。

此外，MAC保证令牌按地址升序依次在各主站间传送，各主站的令牌具体保持时间长短取决于该令牌配置的循环时问。

MAC的特点是监测传输介质及收发器是否损坏，检查站点地址是否出错以及令牌错误。

数据链路层的另一个重要任务是保证数据的完整性，这是依靠所有电文的海明间距HD为4，按照国际标准IEC870-5-1制定的使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节同步传输及每个字节的奇偶校验保证的。

数据链路层按照非连续的模式操作，除提供点一点逻辑数据传输外，还提供多点通信（广播及有选择广播）功能。

3Profibus现场总线实现实时通讯的技术

3.1通信方式及通信类型

S7-200PLC有多种不同的通信方式及接口，基本的有：

工业以太网（IEEE802-3）：

工厂级或更广区域联网国际标准。

PROFIBUSOEC61158/EN50170：

现场级和车间级应用国际标准。

AS．Interface（EN50295）：

与相关传感器和执行机构进行通信的国际标准。

EIB（EN50090，ANSIEIA776）：

楼宇安装系统及楼宇自动化全球标准。

MPI多点接口：

共CPU、PG/PC以及TD/OP相互之间通信使用。

S7-200PLCCPU支持的通信类型：

过程通信：

通过总线（PROFIBUS或AS-I）对I/O模块周期寻址（过程映像交换）。

数据通信：

自动化系统之间或HMI与几个自动控制系统之间的数据通信，通信按周期或被调用方式实现。

3.2Profibus现场总线实现PLC控制系统中实时通讯

3.2.1选择控制器

PLC是在计算机技术发展下应运而生的新一代逻辑控制装置，它专门面对工业环境，可以进行数字运算操作，带有存储器，可编程实现复杂控制功能。

优点如下：

（a）功能强，性价比好。

（b）各种配套硬件齐全，用户使用方便灵活。

（c）可靠性高，抗干扰能力强。

PLC用软件功能取代继电器控制系统中的中问继电器、时间继电器、计数器等易受干扰可靠性稍差的硬件，可以减少控制柜以及装配调试的工作。

另外PLC还采取了一系列软硬件措施来降低因工业环境中的干扰因素造成的影响。

（d）维修方便，自身带有完备的自诊断及报警功能。

（e）体积小、能耗低、易于安装调试降低系统设计难度。

从上诉的各种优点可以看出以PLC为控制器可以满足系统要求而且适应工业控制的发展潮流，更能体现控制系统的优越性。

另外，用总线连接PLC与现场设备，实现了所有设备分散控制集中管理。

另外人机界面更可以集中形象准确的反映现场各种设备的情况，使得管理更加简单直观。

那么在设计PLC控制系统时应遵循怎样的步骤呢?

一般情况下我们首先要考虑怎样最大限度的满足被控对象的控制要求。

其次力求控制系统的简单、经济、使用维护方便。

第三确保系统的安全可靠。

最后为了满足系统改进升级的需要应适当留有裕量。

系统设计步骤图如图3-1：

图3-1系统设计步骤图

不同厂商所生产的各系列PLC适用的场合有所不同。

目前以西门子，A．B，三菱，施耐德公司所生产的PLC应用较为广泛。

但是他们的结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格是作为选择的基本依据。

分别要具体考虑如下这几个方面：

选用何种结构PLC，即选择整体式或模块式，对于大型系统而言选择模块式的较为适合；选用何种功能的PLC，支持怎样的通信样式，控制量的多寡，一般大型场合需要选用中高档PLC；以及是否支持在线编程，现场控制量类型等因素。

本控制系统的控制量在200左右，分别包含有模拟和数字量，利用总线功能实现现场设备分散控制，所以选则中等规模，模块式支持模拟量以及总线通信的PLC为佳。

根据这样的情况选择西门子公司S7-200系列PLC，它应用STEP7软件进行组态定义并且可以向上与WinCC监控软件组成一套完整的西门子工业控制网络系统。

3.2.2s7-200PLC

S7-200PLC是SIEMENS公司生产的紧凑模块式结构的小型可编程控制器，拥有功能强、速度快的特点。

它采用紧凑、无槽位限制的模块化结构易于扩展，应用型好，性价比高。

3.2.3系统单元

S7-200PLC是模块化组成结构，主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。

电源模块（PS）—将SIMATICS7-200连接到120/230V交流电源，或24/48/60/110V直流电源，为系统供电。

接口模块（IM）—用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。

中央处理单元（CPU）～各种CPU有各种不同的性能，包含是否支持PROFIBUS-DP，或集成输入/输出点等。

信号模块（SM）—数字量和模拟量输入/输出。

功能模块（FM）—高速计数，定位操作和闭环控制。

3.2.4s7-200提供功能

高速指令处理：

0.6～0.1的指令处理时间在中等到较低性能要求范围内开辟了全新的应用领域。

浮点运算：

此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算，方便用户的参数赋值。

人机界面（HMI）方便的人机界面服务己经集成在S7-200操作系统内。

人机对话编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-200中取得数据，S7-200按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-200操作系统自动处理数据传输。

诊断功能：

CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件。

口令保护：

多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。

操作方式：

选择开关．操作方式选择开关通过档相选择可以选择不改变操作方式，这样可以防止非法删除或改写用户程序。

3.3系统结构及运行流程

S7-200PLC采用模块化设计，根据不同的控制坏境将各模块按照SIEMENS提供说明按顺序组装即可。

在导轨上由左至右依次为PS模块，CPU模块，IM模块，SM模块和FM模块。

通过IM接口与MPI网络连接，与同类CPU、通信模块或其他设备通信。

电源模块PS307是专门为S7-200供电的24VDC电源，它各型号输出电流有2A，5A，10A三种。

工作原理及其他参数相同。

S7-200PLC中央处理单元中包括有CPU312IFM，CPU313，CPU314，CPU315，CPU315DP等。

CPU312FM上集成有l/O数字量输入点和6个数字量输出点。

其余模块无集成I/O端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的I/O点数、计数器/定时器数量、软件块的数量等随序号的递增而增加。

CPU315DP除具有现场功能总线扩展功能外，其它特性与CPU315相同。

S7-200有多种数字量I/O模块供选择，如数字量I/O输入模块SM321、数字量输出模块SM322，数字量I/O模块SM323，此外还有方针模块SM374，占位模块DM370等。

数字量输入模块将现场功能过程送来的数字信号电平转换成S7-200内部信号电平。

输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送入输入缓冲区等待CPU采样。

采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。

S7-200模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。

模拟量输入模块SM331有两种规格型号：

一种是8*12位模块，另一种是2*12位模块。

前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。

SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电分离部件、逻辑电路等组成。

模拟量输出模块SM332有2*12和4*12位两种形式的模块。

前者是2通道的模拟量输出模块（Ao），后者是4通道的模拟量输出模块，SM332可以输出电压，也可以输出电流。

S7-200的功能模块分别都有专门用途，包含高速布尔处理器FM352，定位模块FM535，闭环控制模块FM等。

系统中必须包含PS及CPU模块，之后再根据现场控制要求集成其它模块搭建硬件。

图3-2为PLC的运行流程图。

3.4监控系统

配合选型中所选的西门子s7-200PLC，所以使用西门子公司提供的WinCC开发软件开发上位机监控软件。

这样可以缩短开发周期，降低工作量，充分发挥西门子集成开发系统的优势。

上位机与PLC进行通信，交流变量。

Wincc在监控界面上将底层变量变化表达出来，并且将用户通过监控界面进行的设置传达给PLC，并且Wince自身还包含有报替，数据存储等一系列功能。

这样实现了一个集中、可视化、可数据处理的监控端。

在硬件上包含有：

一台运行wincc的上位计算机，选择支持1024*678分辨率，内存512M，CPUIntelDual1．6G；显示器为LG42寸等离子电视和15寸BENQ液晶显示器；西门子上位机通信适配卡。

图3-2PLC流程图

4基于Profibus和s7-200的控制系统实例

4.1基于PROFIBUS现场总线的焦炉监控系统设计

4.1.1引言

自动监控管理已经成为现代工业生产过程中的一个重要技术手段，发达国家的工业生产已实现全自动化控制和管理，有较好的社会和经济效益。

本文以某焦化厂的1×60孔JNDK43-03F型复热式、单集气管捣固焦炉为背景，运用现代化的控制手段对其进行监控管理。

PROFIBUS-DP是用于现场设备级的高速数据传输，具有传输介质简单、安装维护方便、容易进行扩展、可靠性高等优点，PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，为系统配置提供了高度的灵活性。

焦炉监控系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术，由工控机、PLC等构成。

4.1.2焦炉监控系统的硬件设计

本系统采用分布式I/O（ET200）的构架方式，系统的组成包括：

1台工程师站，1台操作员站