基于现场总线的电加热炉控制系统应用

1 引言

　　现场总线技术的兴起和发展，为解决许多工业问题开辟了新的途径：将现场总线技术与传统控制方法结合，这样就产生了基于现场总线的过程控制，它也成为了当前现场总线领域和过程控制领域共同的研究热点。本文在PROFIBUS- DP现场总线基础上，以电加热炉为受控对象，设计了一种在现场总线技术下的过程控制方案。

2 PROFIBUS 现场总线的介绍

　　现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。

　　其中，PROFIBUS是当今国际上现场总线的一个重要的组成部分。根据国际标准化组织ISO7498 标准，PROFIBUS的协议结构以开放系统互联网络OSI为参考模型，采用了该模型的物理层、数据链路层作为用户接口，隐去了第3～7层，而增加了直接数据连接拟合。由于PROFIBUS现场总线标准是开放的、不依赖生产厂家通信系统标准，所以在各种工业控制中得到了广泛的应用。

　　PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由分散和外围设备PROFIBUS- DP （Decentralized Periphery）、报文规范PROFIBUS- FMS（Fieldbus message Periphery）、过程自动化PROFIBUS - PA （Process Automation） 组成了PROFIBUS系列。其中，PROFIBUS- DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器（如PLC、PC），通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O, 驱动器, 开关等） 进行通信。PROFIBUS- DP具有快速、即插即用、高效低成本等优点。在用于现场层的高速数据传送时, 主站周期地读取从设备的输入信息并周期地向从站设备发送输出信息。除周期性数据传输外, PROFIBUS- DP 还提供了智能化设备所需要的非周期性通讯以进行组态、诊断和报警处理。

3 电加热炉监控系统的结构

　　如图1所示，本控制系统主要由PROFIBUS-DP现场总线中的一台PC机作为主站，西门子ET200S作为从站，通过它连接受控对象。其中在PC机内的PCI插槽上插有一块SLOT PLC（CPU412-2 PCI），即WinAC SLOT 412, 它是一种置于PC的PCI总线的板卡式PLC控制器，可实现与S7-400系列处理器CPU412-2DP相同的控制功能，其操作控制性能和指令集也与西门子S7-400控制器系列一致，板卡上同时集成了MPI、PROFIBUS-DP通讯接口。电源扩展板选件用于提供独立于PC电源的供电，使WINAC SLOT在PC断电时也可以正常运行。同时，PC机上装有编程组态软件STEP7和监控组态软件WinCC，构成控制主站。而通过PROFIBUS-DP现场总线连接至SLOT PLC（CPU412-2 PCI）的PROFIBUS-DP接口上ET200S模块，则作为控制从站。ET200S上配有电源模块（即PM模块）、开关量和模拟量的输入输出模块（即：DI、DO、AI、AO模块）。而受控对象（电加热炉）的变送器检测信号和执行器的操作信号将通过信号线被准确地连接到ET200S上的AI、AO模块上。

4 系统组态

　　完成设备连接后，将在PC上用SIEMENS STEP7软件实现系统组态，过程如下。[page]

　　4.1 硬件组态

　　建立一个新项目，设置其名字（如“project”）,在项目中加入SEMATIC PC站，名字设为PC机在以太网中的计算机名（“ZDH32”）系统将建立一个新的项目,打开右边的“Configuation”进行硬件组态，将CPU412-2 PCI、PROFIBUS-D、ET200S（包括PM、AI、AO、DI、DO模块）加入，如图2所示。

　　4.2 软件组态

　　采用STEP7软件，编程语言主要有梯形图、语句表和功能块图。一般地，用户程序由组织块（OB）、功能块（FC）、功能（FC）、数据块（DB）构成。OB1是主程序循环块，是必需的，其它的块不一定要用到。如果程序简单，可将所有的程序放入OB1块中进行线性编程，如果程序复杂最好将程序用不同的逻辑块加以结构化，再通过OB1调用这些逻辑块。如图3所示，是针对本系统受控对象（电加热炉）控制策略编写的程序（由于上、下加热控制算法相同，只有地址不同，所以图中只显示了上加热控制部分）。

　　4.3 通过WINAC软件实现系统控制

　　组态下载前要进行端口设置，在控制面板中的“SET PG/PC Interface”中选择“S7 Online（STEP7）”，再选择“PC internal （local）”实现PC机与WinAC SLOT 412的本地连接。之后在“Component Configurator”中指定PC站的名字（即：“ZDH32”）

　　然后打开WinAC控制面板，如图4所示。将之前硬件和软件组态下载。如果组态没问题，下载正确，则控制面板上的RUN指示灯会变为绿色。这样就可以通过WinAC控制面板对系统进行控制，同时可以利用STEP7在线调试程序，还可以通过设置变量表在线修改参数和监视变量。[page]

5 用WinCC实现监控

　　西门子公司的WinCC集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术, 为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。用户可以在WinCC友好的界面下进行过程组态、编程和数据管理, 很容易形成需要的操作画面、监视面面、实时趋势曲线、历史数据报表、越限报警等。

　　WinCC提供了一个称为“SIMATIC S7 Protocol”的通讯驱动程序，这个通讯程序支持多种网络协议和类型，通过它的通道单元可以实现WinCC与各种SIMATIC S7 PLC以及WinAC的通讯。

　　本系统在WinCC变量管理器中添加新的驱动程序，先选择驱动程序类型为“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”，而后选择通道单元“SLOT PLC”，WinCC与WinAC SLOT 412的通讯连接。然后根据具体的过程对象，在“SLOT PLC”中建立变量连接，添加控制过程中监视和控制的过程变量。利用图形编辑器、变量记录组件来完成过程画面设计、数据趋势显示和归档、越限报警等功能。本系统是对一个双输入、双输出电加热炉温度进行控制。其中期望输出值、输入电流量、反馈值还有P、I、D控制参数为过程变量和系统控制量。加入这些变量后，根据本系统需要的数据显示、变量调节、还有数据归档等要求对其进行图形编辑。本系统的人机监控具有以下功能：数据自动采集及归档;过程的实时监视;参数的在线设置和调整;手动-自动操作;历史趋势;数据归档查询;超限报警等。

6 结束语

　　本系统在现场总线环境中实现了对电加热炉的过程控制、监测报警以及远程监控。通过WinCC的数据归档方便地采集到过程变量的历史数据，为进一步的算法研究和模型仿真提供了基础。

参考文献：

　　[1] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京航空航天大学出版社,2004.

　　[2] 鲁新义. PLC、变频器、组态软件WinCC 在武钢烧结厂环冷小车系统自动控制中的应用[J ] . 电工技术,2004（6）.

　　[3] 商高平，马伯渊. PROFIBUS-DP现场总线在反渗透水处理中的应用[J].微计算机信息,2006,6（22）:56～58

　　[4] 刘素一,罗维平.现场总线教学与实践系统的架构与实现[J].微计算机信息，2006（22）:65～66

　　[5] PLC-based control systems for industrial production of fuelalcohol,IEEE,Dec 2004.