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潯之漫智控技術(shù)（上海）有限公司 上海詩慕自動(dòng)化設(shè)備有限公司
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每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、***、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域；LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、西門子DP總線適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是***的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。

12背景

編輯

大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個(gè)或幾個(gè)大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的******，力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的*。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS***用戶***。WorldFIP以Alstom公司為主要后臺(tái)，成立了WorldFIP***用戶***。

地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)自己的競爭能力，很多總線都爭取成為***或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如PROFIBUS已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國標(biāo)準(zhǔn)等。

制造商

為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個(gè)甚至多個(gè)總線***。

協(xié)調(diào)

由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在***標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。

工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，要求也千變?nèi)f化，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)也很難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會(huì)面對一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個(gè)技術(shù)規(guī)范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。

13主流總線

編輯

下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。

1、***會(huì)現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、A***、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

***會(huì)現(xiàn)場總線采用***標(biāo)準(zhǔn)化***ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng)）

早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO***標(biāo)準(zhǔn)***制定為***標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非***壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率***可達(dá)40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

西門子DP總線電纜產(chǎn)品特點(diǎn)：?

　西門子DP總線是一種用于工廠自動(dòng)化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)[2-3],可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(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]:

　　西門子DP總線是適用于自動(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)式信號傳輸；使用RS 485傳輸技術(shù)或光纖媒體。

　　西門子DP總線是專為過程自動(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)議來構(gòu)建過程控制系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本過程控制系統(tǒng)用于模擬對工業(yè)現(xiàn)場液位、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)通過西門子DP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?？刂葡到y(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***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)

　　針對西門子S7-300 PLC 來說，其硬件組態(tài)是通過Step7 軟件來實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)過程主要包括以下幾個(gè)步驟。

　　（1）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。

　　（2）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 link等。根據(jù)每個(gè)測試系統(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象。圖2是組態(tài)完的結(jié)果。

　　西門子DP總線電纜產(chǎn)品?注意事項(xiàng)：

　?、?硬件配置必須和實(shí)際PLC 上掛的模塊*，具體的設(shè)置參數(shù)要看模塊左下方的訂貨號。

　?、?CPU 地址設(shè)為2,其余模塊地址從4 開始，且不能重復(fù)[8].

　?、?設(shè)置ProfiBus網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為1.5 Mb/s（DP）。

　　④ 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。

　　（4）程序編寫PLC 程序是用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理，及Wincc監(jiān)控頁面和PLC之間的互聯(lián)通信。

　　PLC 程序主要包含主程序塊，故障診斷***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)置是程序編寫的***，主要針對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)置要求可通過查閱幫助文件來獲取。

　　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)入測試頁面。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。

　　軟硬件均編譯通過后，即可***進(jìn)PLC.

西門子DP總線電纜產(chǎn)品功能介紹：?

　　3.3 監(jiān)控頁面組態(tài)

　　本例中用Wincc 軟件來驅(qū)動(dòng)Step7 的變量，實(shí)現(xiàn)對程序的監(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*），并設(shè)置站地址為2.

　?。?）組態(tài)變量

　　Wincc 變量類型主要有過程變量和內(nèi)部變量。其中過程變量是真實(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。過程變量還需選擇PLC中地址和數(shù)據(jù)格式變換。

　?。?）創(chuàng)建過程畫面

　　過程畫面是由圖形編輯器來完成的。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 的圖庫中提供了豐富的圖形，只需選擇拖入畫面即可。“對象選項(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、在線趨勢控件等。圖3 是組態(tài)完成后的一個(gè)監(jiān)控畫面。

　　注意事項(xiàng)：

　　① 畫面中需動(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)場的過程數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建過程數(shù)據(jù)變化趨勢曲線時(shí)，需先對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，將其存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫中，并用表格或趨勢曲線的形式輸出當(dāng)前過程值或已歸檔過程值。

　　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 控件來顯示過程數(shù)據(jù)變化趨勢。

　　（4）創(chuàng)建腳本

　　Wincc 可以通過使用函數(shù)和動(dòng)作使項(xiàng)目中的過程動(dòng)態(tài)化，可自行建立項(xiàng)目函數(shù)，也可建立全局動(dòng)作腳本來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示要求。

　?。?）設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行屬性和***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)行畫面的外觀、起始畫面、標(biāo)題、畫面大小等。

　　全部組態(tài)結(jié)束后，即可點(diǎn)擊***按鈕，觀看項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控畫面了。

　　注意事項(xiàng)：

　　① 若運(yùn)行項(xiàng)目是從其他計(jì)算機(jī)上拷過來的，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

　　通過這一過程控制系統(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DP總線、Siemens PLC和Wincc組態(tài)軟件，構(gòu)建了一個(gè)典型的工業(yè)過程運(yùn)行和監(jiān)控系統(tǒng)。在具體構(gòu)建過程中，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。

1）通信距離。西門子DP總線電纜的通信距離一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)電纜，可以達(dá)到200m，如果采用187.5kbps速率，可以達(dá)到1 000m。通信距離有兩層含義，***個(gè)，是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不通過中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)的距離，一般來說，距離和通信速率成反比；另一個(gè)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚，在實(shí)際使用中，必須考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍，電磁波信號在電纜中傳遞是需要時(shí)間的，特別在—些高速的現(xiàn)場總線中，如果增大距離，就必須對一些通信參數(shù)進(jìn)行修改；

2）線纜選擇?，F(xiàn)場的環(huán)境決定西門子DP總線電纜的通信速度和通信介質(zhì)。一般而言，西門子DP總線電纜采用電信號傳遞數(shù)據(jù)，在傳輸?shù)倪^程中不可避免地收到周圍電磁環(huán)境的影響。大多數(shù)現(xiàn)場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不同種類現(xiàn)場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。現(xiàn)場總線的開發(fā)者一般規(guī)定一種***的線纜，在正確使用這種線纜的條件下才能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的速率和傳輸距離。在電磁條件極度惡劣的條件下，光纜是合理的選擇，否則局部的干擾，可能影響整個(gè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的工作；

3）隔離。一般來說，西門子DP總線電纜的電信號與設(shè)備內(nèi)部是電氣隔離的?，F(xiàn)場總線電纜分布在車間的各個(gè)角落，一旦發(fā)生高電壓串入，會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)段所有設(shè)備的總線收發(fā)器損壞。如果不加以隔離，高電壓信號會(huì)繼續(xù)將設(shè)備內(nèi)部其他電路損壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果；

4）屏蔽。西門子DP總線電纜采用的屏蔽電纜的外層必須在一點(diǎn)良好接地，如果高頻干擾嚴(yán)重，可以采用多點(diǎn)電容接地，不允許多點(diǎn)直接接地，避免產(chǎn)***回路電流；

5）連接器。西門子DP總線電纜一般沒有對連接器做嚴(yán)格的規(guī)定，但是如果處理不當(dāng)，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)通信。例如，現(xiàn)場總線一般采用總線型菊花鏈連接方式，在連接每一個(gè)設(shè)備時(shí)，必須注意如何不影響在現(xiàn)有通信的條件下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備插入和摘除，這對連接器就有一定的要求；

6）終端匹配。西門子DP總線電纜信號和所有電磁波信號一樣具有反射現(xiàn)象，在總線每一個(gè)網(wǎng)段的兩個(gè)終端，都應(yīng)該采用電阻匹配，***個(gè)作用可以吸收***，第二個(gè)作用是在總線的兩端實(shí)現(xiàn)正確的電平，保證通信。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高可靠性、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求