基于PROFIBUS總線技術的工業(yè)網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)

摘 要：本文主要介紹了運用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術構建企業(yè)的控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控;并運用OPC接口技術實現(xiàn)總線控制網(wǎng)絡和管理信息網(wǎng)絡的無縫連接，提高了企業(yè)的綜合自動化水平，管理水平。

關鍵詞：PROFIBUS總線、OPC規(guī)范、控制網(wǎng)絡、綜合自動化、監(jiān)控系統(tǒng)

0、前言

　　現(xiàn)場總線技術是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術，是一種用于各種現(xiàn)場儀表（包括變送器、執(zhí)行器、記錄儀、單回路調節(jié)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(tǒng)之間進行的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。PROFIBUS現(xiàn)場總線是用于一定數(shù)目的區(qū)域和單元級設備聯(lián)網(wǎng)的國際標準，主要用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。

　　綜合自動化是現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展方向,在完整的企業(yè)網(wǎng)構架中,現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型應涉及從底層現(xiàn)場設備網(wǎng)絡到上層信息網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸過程。網(wǎng)絡是企業(yè)綜合自動化的基礎,在整個企業(yè)的網(wǎng)絡體系結構中,現(xiàn)場總線處于基礎地位,因此構建完整的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型具有重要的意義。這種模型延伸到控制領域的最高層,即管理決策層,因此要求控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡緊密結合,保證從底層現(xiàn)場設備到頂層生產(chǎn)管理之間,正確的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉發(fā)。OPC規(guī)范以OLE/DCOM為技術基礎，而OLE/DCOM支持TCP/IP等網(wǎng)絡協(xié)議，因此可以將各個子系統(tǒng)從物理上分開，分布于網(wǎng)絡的不同節(jié)點上。OPC標準保證了自動化系統(tǒng)之間及商業(yè)系統(tǒng)之間可以經(jīng)過工廠來共享信息和相互操作，因此采用OPC接口技術可以使控制網(wǎng)絡與管理信息網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫聯(lián)接。

1、系統(tǒng)設計需求與任務

　　為了與國際接軌，實現(xiàn)企業(yè)的信息化、現(xiàn)代化要求。廣東某堿廠擬建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，利用先進的技術實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)，建成一個適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)，與此同時，使其與廣域網(wǎng)的互聯(lián)，實現(xiàn)信息的充分共享和信息發(fā)送的安全機制。系統(tǒng)將廠區(qū)6個生產(chǎn)車間近856個溫度、壓力和液面等測試點及報警點在中央控制室全集中監(jiān)控，并將現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)發(fā)布到公司網(wǎng)頁，用戶可在瀏覽器上進行瀏覽訪問，實現(xiàn)對各類信息數(shù)據(jù)的共享。要求控制網(wǎng)絡具有很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性，各控制分站可以實現(xiàn)對現(xiàn)場級工業(yè)設備進行安全可靠的監(jiān)視控制，并具有友好美觀的人機界面，能夠動態(tài)顯示工藝流程，并且參數(shù)設置簡單，歷史、實時趨勢曲線查詢、報警及報表自動打印等功能。

2、系統(tǒng)的設計

　　數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)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PROFIBUS現(xiàn)場總線互聯(lián)構成。各控制分站數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測系統(tǒng)綜合布線以PROFIBUS-DP為主架結構，在6個車間根據(jù)輸入點的不同，用14個S-300的PLC及I/O擴展模塊連接工業(yè)現(xiàn)場的傳感器;控制分站把PLC采集到的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)利用PROFIBUS總線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總線和INTERNET技術建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的緊密集成。控制網(wǎng)絡通過實時數(shù)據(jù)庫和OPC接口技術實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡的互聯(lián)，建立企業(yè)綜合實時信息庫，為企業(yè)的優(yōu)化控制、調度決策提供依據(jù)。

　　廣東某堿廠數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布式I/O數(shù)據(jù)采集、主站監(jiān)控、遠程監(jiān)控、公司內局域網(wǎng)、過程控制，網(wǎng)絡綜合布線等子系統(tǒng)組成。

　　系統(tǒng)結構與配置如下所示：

圖1.系統(tǒng)框圖

　　2.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

　　根據(jù)廣東某堿廠數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點，采用西門子公司的全集成自動化產(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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過PROFIBUS總線集成;經(jīng)多方考慮，該方案具有較高的性能價格比。在傳統(tǒng)的工廠自動化中，輸入/輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時,導致接線工作量大，成本高，柔性度低;系統(tǒng)應用SIMATIC ET200分布式I/O通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，是解決這些問題的最佳方案?？刂品终救藱C界面采用西門子全集成的PROTOOL組態(tài)軟件，開發(fā)出友好美觀的人機界面，能夠動態(tài)顯示工藝流程，并且使其參數(shù)設置簡單，歷史、實時趨勢曲線查詢、報警及報表自動打印等功能;現(xiàn)場執(zhí)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，實現(xiàn)單元級設備的優(yōu)化控制，能夠滿足現(xiàn)場設備的各種控制要求。

圖2.現(xiàn)場PROTOOL人機界面

　　2.2中央實時監(jiān)控層（調度中心）

　　主控制室采用WINCC作為上位監(jiān)控軟件，WINCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務的中性系統(tǒng)。該軟件具有使用簡單、組態(tài)方便、性能可靠、功能齊全等特點;它有大量的通訊接口，可以和各種智能設備相互通訊。基于西門子全集成自動化技術，WINCC通過SIMATIC S7協(xié)議集可以和SIMATIC S7設備進行各種協(xié)議的通訊。WINCC在系統(tǒng)中承擔了數(shù)據(jù)管理、工廠數(shù)據(jù)采集、報警、趨勢、數(shù)據(jù)記錄及中文報表等工作。操作員通過操作終端詳細了解全廠生產(chǎn)運行情況，實時監(jiān)控現(xiàn)場設備，實現(xiàn)全廠自動化控制。

　　WINCC組態(tài)軟件根據(jù)系統(tǒng)要求，實時顯示各設備的運行狀態(tài)，并具有良好的用戶界面。部分人機界面如下所示：

圖3.中心WINCC人機界面

3、控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的連接

　　傳統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)作為支撐現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的基礎設施，得到了廣泛的應用和發(fā)展。但過去，動用了當時最好的技術和最好的人才，可以開發(fā)出好的實時監(jiān)控系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)不具備開放性，各個部分的聯(lián)系過于緊密，使系統(tǒng)過于復雜。這樣系統(tǒng)的更新、擴展、升級變得非常困難。傳統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中出現(xiàn)的另一個主要問題是軟件的重復開發(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(xiàn)在OPC標準已經(jīng)成為工業(yè)界系統(tǒng)互聯(lián)的缺省方案，保證了自動化系統(tǒng)之間及商業(yè)系統(tǒng)之間可以經(jīng)過工廠來共享信息和相互操作。OPC規(guī)范基于OLE/COM技術，同時OLE/COM的擴展遠程OLE自動化與DCOM技術支持TCP/IP等多種網(wǎng)絡協(xié)議，因此可以將OPC客戶、服務器在物理上分開，分布于網(wǎng)絡不同節(jié)點上。下圖中OPC的客戶/服務器關系圖描述了OPC在SCADA系統(tǒng)的應用。

　　企業(yè)信息化、辦公自動化主要通過INTERNET技術和WEB技術實現(xiàn)，把信息發(fā)布到網(wǎng)上，通過網(wǎng)頁方式來瀏覽，達到資源共享。實現(xiàn)WEB頁面更新的方式主要有兩種：一是通過ActiveX技術，另一是通過動態(tài)頁面技術。ActiveX技術是通過下載ActiveX控件來實現(xiàn)與網(wǎng)上信息的動態(tài)更新和交互，實現(xiàn)的信息表示和交互方式也更為靈活，并有豐富的開發(fā)工具支持，但對客戶機的性能要求較高。動態(tài)頁面技術則通過CGI、ASP編程或嵌入各種Script語言來實現(xiàn)，現(xiàn)在比較流行的是ASP網(wǎng)頁技術。為了實現(xiàn)控制網(wǎng)絡的信息資源在信息網(wǎng)絡上共享，可以通過網(wǎng)頁嵌入JAVA腳本程序，訪問OPC服務器的實時數(shù)據(jù)，使實時數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁上動態(tài)刷新;訪問實時數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)頁上查看歷史趨勢圖。

　　WINCC服務器在系統(tǒng)中即作為中心監(jiān)控平臺，又作為OPC服務器。允許與其它具有OPC客戶機接口的應用程序進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)頁服務器（WEB、郵件服務器）通過OPC通訊接口程序和OPC服務器（WINCC服務器）通訊，就可以在公司網(wǎng)頁上顯示實時數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)頁瀏覽實時數(shù)據(jù)如圖所示

圖4.信息網(wǎng)絡網(wǎng)頁瀏覽

　　通過控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的結合,可以建立統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫,保證所有數(shù)據(jù)的完整性和互操作性;現(xiàn)場設備與信息網(wǎng)絡實時通信,使用戶通過信息網(wǎng)絡中標準的圖形界面隨時隨地了解生產(chǎn)情況;控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的緊密集成也便于實現(xiàn)遠程監(jiān)控、診斷和維護功能。為后期建立完整、高效、實用方便的ERP管理系統(tǒng)及生產(chǎn)綜合控制提供硬件平臺，真正實現(xiàn)辦公、過程控制的全集成自動化。

4、結論

　　本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大，控制分站多，系統(tǒng)可靠性高，并通過PROFIBUS總線和OPC接口技術基本建成了適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)信息化、辦公自動化達到資源共享,能夠可靠安全的運行，基本達到設計要求。

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