1 引言

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡。目前，現(xiàn)場總線種類繁多，還沒有統(tǒng)一的標準，每種總線都有其獨特的產生背景和應用領域，影響比較大的有CAN總線、lonworks總線、hart總線、FF總線、rpofibus總線等。Profibus-dp主要應用于現(xiàn)場設備級，它的響應時間從幾百微秒到幾百毫秒，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kbps～12mbps。在濟南國際機場航站樓的電力參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設計時，考慮到現(xiàn)場參數(shù)變量較多，位置分散，且對信號的實時性和抗干擾能力都要求較高，一般的監(jiān)控網(wǎng)絡很難滿足系統(tǒng)要求，因此在系統(tǒng)的監(jiān)控層選用profibus-dp通信網(wǎng)絡完成系統(tǒng)的主控設備s7-300 PLC與分布的現(xiàn)場設備之間的數(shù)據(jù)通信工作。在s7-300 plc與帶通訊卡的上位機之間采用了mpi通信方式。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

根據(jù)在工業(yè)控制實際需要及其經費情況，系統(tǒng)的硬件組成通常有以下幾種網(wǎng)絡拓撲結構方案。

(1)以plc或控制器作為一類主站，不設監(jiān)控站，但調試階段配置一臺編程設備。該方案的plc或控制器完成通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠程參數(shù)化工作。

(2)以plc或控制器作為一類主站，監(jiān)控站通過串口與plc一對一連接。該結構方案的監(jiān)控站不在profibus總線網(wǎng)絡上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)合完成遠程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的數(shù)據(jù)只能在plc控制器中讀取。

(3)以plc或控制器作為一類主站，監(jiān)控站即二類主站連接到profibus總線網(wǎng)絡上。該方案的監(jiān)控站可以完成遠程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。

(4)使用pc機加profibus網(wǎng)卡作為一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化。該方案成本較低，但要求pc機具有高可靠性、能長時間連續(xù)運行，如果pc機出現(xiàn)故障，將影響整個系統(tǒng)的正常工作。另外，通信廠商通常只提供一個模板的驅動程序，總線控制、監(jiān)控程序可能需要用戶自己開發(fā)。

(5)緊湊式pc機(compact computer)加profibus網(wǎng)卡加soft plc的結構形式。該方案中用緊湊式pc機取代了一般的pc機，使系統(tǒng)的可靠性大大增強。soft plc是將通用型pc機改造成一臺由軟件(軟邏輯)實現(xiàn)的plc，這種軟件將plc的編程及其應用程序運行功能，操作員監(jiān)控站的圖形監(jiān)控開發(fā)、在線監(jiān)控功能集成到一臺緊湊式pc機上，形成一個plc與監(jiān)控站一體的控制器工作站。

(6)充分考慮未來擴展需要，如增加幾條生產線和擴展出幾條dp網(wǎng)絡，車間要增加幾個監(jiān)控站等，最好采用兩級網(wǎng)絡結構。

3 硬件組成

在開發(fā)設計濟南國際機場航站樓電力參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，根據(jù)系統(tǒng)本身性能的要求及其各種方案的優(yōu)劣及其性價比，我們在網(wǎng)絡拓撲結構方案2的基礎上，加以改進，不再采用監(jiān)控站通過串口與plc一對一連接，而是在監(jiān)控站與plc之間采用通訊速率更高，更穩(wěn)定的mpi通信方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。網(wǎng)絡結構分為兩層，上層為管理層，下沉為數(shù)據(jù)監(jiān)控層。兩層之間采用mpi-多點接口訪問方式。上層管理層主要功能是從plc控制器中讀取從站參數(shù)數(shù)據(jù)，利用力控上位機組態(tài)軟件，設計友好的人機界面，連接讀取的數(shù)據(jù)變量來完成對從站的監(jiān)控工作。另外在管理層中，可以生成各種需要的數(shù)據(jù)報表、進行數(shù)據(jù)分析等工作。下層監(jiān)控層在本實例系統(tǒng)中由兩個相對獨立的s7-300plc控制系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)由一個cpu314模塊，cpu314上連接了四個通信模塊cp342-5，以及在每個cp342-5模塊上連接的36個智能從站儀表構成，數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡采用profibus網(wǎng)絡通信方式，在圖1中給出了簡單的分布結構，監(jiān)控層主要完成與分布在工業(yè)現(xiàn)場的各個從站之間的數(shù)據(jù)通信，讀取各個從站儀表的數(shù)據(jù)參數(shù)，存放在plc控制器的數(shù)據(jù)區(qū)中，供上位機讀取訪問。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

4 軟件設計

profibus網(wǎng)絡的節(jié)點連接采用lan(local area networks)插頭。lan插頭分為兩種：一種不可以直接連接編程設備；另一種可以隨時連接編程設備，對整個系統(tǒng)進行調試。在總線終端的lan插頭處將終端電阻開關撥到on的位置，以減小網(wǎng)絡信號傳輸干擾。

在網(wǎng)絡連接好之后，我們使用step7對整個網(wǎng)絡進行組態(tài)。組態(tài)包括從站的硬件配置和網(wǎng)絡設置兩部分。在從站配置中，采用濟南萊恩達網(wǎng)絡儀表科技有限公司提供的具有profibus總線接口的pmm2000/pmm2100系列數(shù)字式微型多功能電力監(jiān)測網(wǎng)絡儀表作為智能從站，來監(jiān)控現(xiàn)場設備的電流、電壓、功率等各種電力參數(shù)，組態(tài)時需要設置它的網(wǎng)絡地址，通訊速率以及輸入輸出參數(shù)長度等；網(wǎng)絡設置時，需要設置相應通信模塊cp342-5作為通信主站，同時設定它的profibus地址，通訊速率及mpi地址等參數(shù)。組態(tài)完畢后，編譯無誤，下載到plc控制器中去，即完成整個系統(tǒng)監(jiān)控層的硬件組態(tài)開發(fā)設計。硬件組態(tài)配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組態(tài)配置圖

4.1 系統(tǒng)程序設計

開始設計系統(tǒng)軟件程序時，首先新建一個的項目(例adc)，step7會自動建立s7程序的目錄結構，并建立一個空的ob1，用來編寫系統(tǒng)循環(huán)調用的主程序，如圖3所示。

圖3 新建項目示意圖

編寫ob1時，雙擊打開ob1系統(tǒng)塊，首先選擇合適的編程語言，比如梯形圖語言，根據(jù)工作任務要求調用系統(tǒng)提供的標準功能塊，來完成從站的軟件編程設計，如通過系統(tǒng)功能塊可以完成分布從站儀表數(shù)據(jù)的接收及從站儀表是否在線工作診斷等。在主程序中，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)使用db塊。db塊是用來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，在db塊使用之前，需要定義它的存儲類型，大小等參數(shù)。在系統(tǒng)運行時，如果想在線監(jiān)控db存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，則可以建立一個數(shù)據(jù)變量表vat(如圖3中的vat_1)，并在vat中添加需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)變量地址，程序在線運行時，即可觀察到存儲區(qū)的數(shù)據(jù)內容，這樣整個監(jiān)控層的就設計完畢，編譯無誤，即可與系統(tǒng)的網(wǎng)絡組態(tài)分別下載到plc控制器中正常工作。

4.2 人機界面(hmi)的開發(fā)設計

人機界面(hmi, human machine interface)的開發(fā)采用力控組態(tài)軟件來完成。在設計過程中，首先需要開發(fā)專門的儀表驅動程序，并將其添加到力控組態(tài)軟件的i/o驅動列表中。進行組態(tài)時，建立一個新的i/o設備連接，并設定好plc的屬性，然后在力控實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)連接組態(tài)。在profibus網(wǎng)絡通信中，各從站的參數(shù)信息已傳輸?shù)街髡局校手恍杞⑵鹆亟M態(tài)環(huán)境中的各個點參數(shù)與plc數(shù)據(jù)塊中參數(shù)變量的對應連接，力控軟件便可間接讀取各個從站的參數(shù)信息，從而使組態(tài)畫面完成對各個現(xiàn)場從站設備的監(jiān)控。力控軟件還提供了遠程訪問功能，使用戶可以通過網(wǎng)絡遠程查看系統(tǒng)中各個現(xiàn)場設備的參數(shù)數(shù)據(jù)。

5 結束語

濟南國際機場航站樓電力參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)已經投入運行，實踐證明，該系統(tǒng)采用profibus網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)分布式監(jiān)控，網(wǎng)絡速度快、可靠性高、具有良好的可擴展性、抗干擾能力強、同時節(jié)約了安裝、調試和設備維護的費用，提高了系統(tǒng)功能和管理水平。