基于PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現

摘 要：本文主要介紹了運用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構建企業(yè)的控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現數據采集與遠程監控;并運用OPC接口技術(shù)實(shí)現總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )和管理信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接，提高了企業(yè)的綜合自動(dòng)化水平，管理水平。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS總線(xiàn)、OPC規范、控制網(wǎng)絡(luò )、綜合自動(dòng)化、監控系統

0、前言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是20世紀90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于各種現場(chǎng)自動(dòng)化設備與其控制系統的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，是一種用于各種現場(chǎng)儀表（包括變送器、執行器、記錄儀、單回路調節器、可編程序控制器、流程分析器等）與基于計算機的控制系統之間進(jìn)行的數據通信系統。PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)是用于一定數目的區域和單元級設備聯(lián)網(wǎng)的國際標準，主要用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。

　　綜合自動(dòng)化是現代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向,在完整的企業(yè)網(wǎng)構架中,現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )模型應涉及從底層現場(chǎng)設備網(wǎng)絡(luò )到上層信息網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸過(guò)程。網(wǎng)絡(luò )是企業(yè)綜合自動(dòng)化的基礎,在整個(gè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )體系結構中,現場(chǎng)總線(xiàn)處于基礎地位,因此構建完整的現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )模型具有重要的意義。這種模型延伸到控制領(lǐng)域的最高層,即管理決策層,因此要求控制網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )緊密結合,保證從底層現場(chǎng)設備到頂層生產(chǎn)管理之間,正確的數據傳輸和數據轉發(fā)。OPC規范以OLE/DCOM為技術(shù)基礎，而OLE/DCOM支持TCP/IP等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因此可以將各個(gè)子系統從物理上分開(kāi)，分布于網(wǎng)絡(luò )的不同節點(diǎn)上。OPC標準保證了自動(dòng)化系統之間及商業(yè)系統之間可以經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)來(lái)共享信息和相互操作，因此采用OPC接口技術(shù)可以使控制網(wǎng)絡(luò )與管理信息網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)縫聯(lián)接。

1、系統設計需求與任務(wù)

　　為了與國際接軌，實(shí)現企業(yè)的信息化、現代化要求。廣東某堿廠(chǎng)擬建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)過(guò)程監控的信息網(wǎng)絡(luò )系統，利用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，建成一個(gè)適合現代化辦公及工業(yè)過(guò)程控制的網(wǎng)絡(luò )系統，與此同時(shí)，使其與廣域網(wǎng)的互聯(lián)，實(shí)現信息的充分共享和信息發(fā)送的安全機制。系統將廠(chǎng)區6個(gè)生產(chǎn)車(chē)間近856個(gè)溫度、壓力和液面等測試點(diǎn)及報警點(diǎn)在中央控制室全集中監控，并將現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)數據發(fā)布到公司網(wǎng)頁(yè)，用戶(hù)可在瀏覽器上進(jìn)行瀏覽訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現對各類(lèi)信息數據的共享。要求控制網(wǎng)絡(luò )具有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、數據完整性和可用性，各控制分站可以實(shí)現對現場(chǎng)級工業(yè)設備進(jìn)行安全可靠的監視控制，并具有友好美觀(guān)的人機界面，能夠動(dòng)態(tài)顯示工藝流程，并且參數設置簡(jiǎn)單，歷史、實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)查詢(xún)、報警及報表自動(dòng)打印等功能。

2、系統的設計

　　數據采集與遠程監控系統是利用S7-300系列的CPU315-2DP可編程序控制器及PROFIBUS-DP通信模塊、擴展I/O 模塊等通過(guò)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)互聯(lián)構成。各控制分站數據采集、監測系統綜合布線(xiàn)以PROFIBUS-DP為主架結構，在6個(gè)車(chē)間根據輸入點(diǎn)的不同，用14個(gè)S-300的PLC及I/O擴展模塊連接工業(yè)現場(chǎng)的傳感器;控制分站把PLC采集到的現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據利用PROFIBUS總線(xiàn)送到主控制室的主檢測計算機上顯示。并結合資源信息共享的要求，利用PROFIBUS總線(xiàn)和INTERNET技術(shù)建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)過(guò)程監控的信息網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的緊密集成?？刂凭W(wǎng)絡(luò )通過(guò)實(shí)時(shí)數據庫和OPC接口技術(shù)實(shí)現與信息網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，建立企業(yè)綜合實(shí)時(shí)信息庫，為企業(yè)的優(yōu)化控制、調度決策提供依據。

　　廣東某堿廠(chǎng)數據采集與遠程監控系統主要由分布式I/O數據采集、主站監控、遠程監控、公司內局域網(wǎng)、過(guò)程控制，網(wǎng)絡(luò )綜合布線(xiàn)等子系統組成。

　　系統結構與配置如下所示：

圖1.系統框圖

　　2.1數據采集與監控系統

　　根據廣東某堿廠(chǎng)數據采集與遠程監控系統的特點(diǎn)，采用西門(mén)子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品構成。采用S7-300系列的CPU315-2DP及PROFIBUS-DP通信模塊、擴展I/O 模塊SIMATIC ET200M等構成數據采集系統，通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)集成;經(jīng)多方考慮，該方案具有較高的性能價(jià)格比。在傳統的工廠(chǎng)自動(dòng)化中，輸入/輸出設備連接到一個(gè)集中的機架，在設備改變和系統擴展時(shí),導致接線(xiàn)工作量大，成本高，柔性度低;系統應用SIMATIC ET200分布式I/O通過(guò)開(kāi)放的、標準化的現場(chǎng)總線(xiàn)系統來(lái)連接部件，是解決這些問(wèn)題的最佳方案?？刂品终救藱C界面采用西門(mén)子全集成的PROTOOL組態(tài)軟件，開(kāi)發(fā)出友好美觀(guān)的人機界面，能夠動(dòng)態(tài)顯示工藝流程，并且使其參數設置簡(jiǎn)單，歷史、實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)查詢(xún)、報警及報表自動(dòng)打印等功能;現場(chǎng)執行級設備由PLC集中控制，并采用自適應、模糊、智能PID等控制算法編程，使其控制安全可靠，實(shí)現單元級設備的優(yōu)化控制，能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)設備的各種控制要求。

圖2.現場(chǎng)PROTOOL人機界面

　　2.2中央實(shí)時(shí)監控層（調度中心）

　　主控制室采用WINCC作為上位監控軟件，WINCC是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的中性系統。該軟件具有使用簡(jiǎn)單、組態(tài)方便、性能可靠、功能齊全等特點(diǎn);它有大量的通訊接口，可以和各種智能設備相互通訊?；谖鏖T(mén)子全集成自動(dòng)化技術(shù)，WINCC通過(guò)SIMATIC S7協(xié)議集可以和SIMATIC S7設備進(jìn)行各種協(xié)議的通訊。WINCC在系統中承擔了數據管理、工廠(chǎng)數據采集、報警、趨勢、數據記錄及中文報表等工作。操作員通過(guò)操作終端詳細了解全廠(chǎng)生產(chǎn)運行情況，實(shí)時(shí)監控現場(chǎng)設備，實(shí)現全廠(chǎng)自動(dòng)化控制。

　　WINCC組態(tài)軟件根據系統要求，實(shí)時(shí)顯示各設備的運行狀態(tài)，并具有良好的用戶(hù)界面。部分人機界面如下所示：

圖3.中心WINCC人機界面

3、控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的連接

　　傳統的實(shí)時(shí)監控系統作為支撐現代工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生活的基礎設施，得到了廣泛的應用和發(fā)展。但過(guò)去，動(dòng)用了當時(shí)最好的技術(shù)和最好的人才，可以開(kāi)發(fā)出好的實(shí)時(shí)監控系統，但由于系統不具備開(kāi)放性，各個(gè)部分的聯(lián)系過(guò)于緊密，使系統過(guò)于復雜。這樣系統的更新、擴展、升級變得非常困難。傳統的實(shí)時(shí)監控系統開(kāi)發(fā)中出現的另一個(gè)主要問(wèn)題是軟件的重復開(kāi)發(fā)，軟件不能夠重用，資源不能共享，造成大量人力與物力資源的浪費?，F在OPC標準已經(jīng)成為工業(yè)界系統互聯(lián)的缺省方案，保證了自動(dòng)化系統之間及商業(yè)系統之間可以經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)來(lái)共享信息和相互操作。OPC規范基于OLE/COM技術(shù)，同時(shí)OLE/COM的擴展遠程O(píng)LE自動(dòng)化與DCOM技術(shù)支持TCP/IP等多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因此可以將OPC客戶(hù)、服務(wù)器在物理上分開(kāi)，分布于網(wǎng)絡(luò )不同節點(diǎn)上。下圖中OPC的客戶(hù)/服務(wù)器關(guān)系圖描述了OPC在SCADA系統的應用。

　　企業(yè)信息化、辦公自動(dòng)化主要通過(guò)INTERNET技術(shù)和WEB技術(shù)實(shí)現，把信息發(fā)布到網(wǎng)上，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)方式來(lái)瀏覽，達到資源共享。實(shí)現WEB頁(yè)面更新的方式主要有兩種：一是通過(guò)ActiveX技術(shù)，另一是通過(guò)動(dòng)態(tài)頁(yè)面技術(shù)。ActiveX技術(shù)是通過(guò)下載ActiveX控件來(lái)實(shí)現與網(wǎng)上信息的動(dòng)態(tài)更新和交互，實(shí)現的信息表示和交互方式也更為靈活，并有豐富的開(kāi)發(fā)工具支持，但對客戶(hù)機的性能要求較高。動(dòng)態(tài)頁(yè)面技術(shù)則通過(guò)CGI、ASP編程或嵌入各種Script語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，現在比較流行的是ASP網(wǎng)頁(yè)技術(shù)。為了實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )的信息資源在信息網(wǎng)絡(luò )上共享，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)嵌入JAVA腳本程序，訪(fǎng)問(wèn)OPC服務(wù)器的實(shí)時(shí)數據，使實(shí)時(shí)數據在網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)刷新;訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)數據庫，在網(wǎng)頁(yè)上查看歷史趨勢圖。

　　WINCC服務(wù)器在系統中即作為中心監控平臺，又作為OPC服務(wù)器。允許與其它具有OPC客戶(hù)機接口的應用程序進(jìn)行數據交換。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器（WEB、郵件服務(wù)器）通過(guò)OPC通訊接口程序和OPC服務(wù)器（WINCC服務(wù)器）通訊，就可以在公司網(wǎng)頁(yè)上顯示實(shí)時(shí)數據。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽實(shí)時(shí)數據如圖所示

圖4.信息網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)頁(yè)瀏覽

　　通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的結合,可以建立統一的分布式數據庫,保證所有數據的完整性和互操作性;現場(chǎng)設備與信息網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)通信,使用戶(hù)通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )中標準的圖形界面隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)情況;控制網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )的緊密集成也便于實(shí)現遠程監控、診斷和維護功能。為后期建立完整、高效、實(shí)用方便的ERP管理系統及生產(chǎn)綜合控制提供硬件平臺，真正實(shí)現辦公、過(guò)程控制的全集成自動(dòng)化。

4、結論

　　本系統數據采集量大，控制分站多，系統可靠性高，并通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)和OPC接口技術(shù)基本建成了適合現代化辦公及工業(yè)過(guò)程控制的網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現信息化、辦公自動(dòng)化達到資源共享,能夠可靠安全的運行，基本達到設計要求。

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