基于Profibus-DP现场总线控制系统的集成

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入了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-DP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SIMATIC 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。

　　（1）1#Profibus-DP总线控制两台三容器液位装置：PLC S7-300（CPU型号CPU 314C-2 DP）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；

　　（2）2#Profibus-DP总线控制两台皮带传输机：PLC S7-400（CPU型号CPU 414-3 DP）作为总站，CP443-1通讯卡实现PLC与Ethernet的互连，由ET200M IM 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；

　　（3）3#Profibus-DP总线控制三台立式电炉：PLC S7-400（CPU型号CPU 412-2 DP）作为总站，CP443-1通讯卡实现PLC与Ethernet的互连，由ET200S IM151-1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SIMATIC 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：Profibus-DP与其它总线集成，如CAN总线、LONWORKS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 Exchange）等技术的集成实现数据等信息的共享。

4、结 论