PROFIBUS_DP和ETHERNET构建的工控网在连铸机中的应用
2005/4/30 9:21:00
摘要：现代企业里，利用PROFIBUS—DP和ETHERNET组建成的测控管一体化的工业控制网络，实现了从控制级到现场级通讯的一致。
关键字：以太网 I/O 串行 接口
Abstract : In the modern times, the technology of process control network builted by PROFIBUS_DP And ETHERNET actualizes the coherence from the control level to field level.
Key word: ETHERNET input/output serial interface
0 引言
现场总线PROFIBUS能够满足生产过程中现场级数据的可存取性。一方面它满足了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高管理之间的联系，将现场总线技术和以太网技术结合起来，运用于工业控制系统中，实现了从控制级到现场级通讯的一致。
济钢第三炼钢厂连铸区域就是利用PROFIBUS—DP和ETHERNET组建成为测控管一体化的工业控制网络。整个控制网络分为3层：第一层为现场控制层，采用PLC和PROFIBUS现场总线进行控制；第2层，为过程监控层，采用工业控制计算机和带以太网通讯模块的PLC组成工业以太网，监控系统采用FACTORYLINK软件；第3层，为生产管理层。整个系统构成如图1所示。
1 现场控制层
现场总线PROFIBUS的结构是透明的和开放的，PROFIBUS已成为事实上的国际公认的标准（现场总线PROFIBUS是国际标准IEC 61158的组成部分Type III）。它由3部分组成：即PROFIBUS—DP（分散型外围设备）；PROFIBUS—FMS（现场总线报文规范）；PROFIBUS—PA（过程自动化）PROFIBUS–DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。PROFIBUS–DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
整个连铸区域分为4大主站及单体设备部分，每个主站均采用独立的PLC控制，PLC采用西门子S7-400。现场控制设备还有西门子ET200M分布式I/O，SIEMENS变频器和C7等现场智能设备。PLC和现场设备的通信均采用PROFIBUS—DP。PROFIBUS已集成在SIMATIC S7系统内部。分散连接的I/O外围设备通过DP协议由STEP7组态工具全部集成在系统中。亦即，已在组态和编程阶段，就把分散的I/O设备作为类似于在中心子机架或扩展机架中本地连接的I/O来对待。同样的道理适用于故障、诊断和报警；SIMATIC S7 DP从站起着类似于集中插入的I/O模块的作用。SIMATIC S7提供集成的或插入的PROFIBUS-DP接口用于连接有更复杂功能的现场设备(例如：变频器、触摸屏等)。由于PROFIBUS第1层、第2层的特性和内部系统通信S7功能，可以将编程器（PG）、PC、HMI等设备与SIMATIC S7 PROFIBUS-DP系统连接。
一个完整的PROFIBUS-DP网络由以下几部分组成（如图2）：1主控器（PLC）;2现场I/O模块（ET200），用于连接各种现场装置；3其他智能装置，如变频器，触摸屏等；4.网络附件（交换机等）。它能够直接完成设备的顺序、连锁、闭环控制，完成过程参数的采集以及报警功能。
图2 Profibus-DP网络结构示意图
以铸流PLC为例，有3条Profibus-DP构成，CPU为CPU417-4DP,它最多带有四个PROFIBUS-DP接口供用户使用，如图3所示。
图3 铸流PLC Profibus-DP网络结构
·PROFIBUS-DP（1） 主站为CPU417-4DP，从站为ET-200。DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，主站负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，在总线上向从站发送数据并向从站所取数据，只有当主站STRAND PLC请求时总线上的DP从站才可能活动，才能与主站进行数据交换。也就是说， DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。图4指出在DP主站上是怎样处理轮询表的。DP主站与DP从站间的一个报文循环由DP主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。
图4在DP-主站上处理轮询表的情况
PROFIBUS-DP(2) 主站为CPU417-4DP，从站为SIEMENS公司的23台变频器，为了连接成PROFIBUS 系统，必须采用PROFIBUS 模板。这一模板安装在变频器的正面，通过RS485 串行接口与变频器进行通讯。SIEMENS公司变频器与PLC进行PROFIBUS数据通信，PROFIBUS 模板是一个可选件，用户采用这一选件后，可以通过PROFIBUS－DP 串行总线（SINECL2-P）对MICROMASTER4 进行控制。所有的变频器参数都可以通过串行链路进行访问，变频器的从站地址（参数P0918）必须正确设置，使它与PROFIBUS 主站上配置的从站地址相一致，总线上定义的每个变频器的地址必须是唯一的，这样，PLC与变频器才能正常、准确的进行通讯。
PROFIBUS-DP(3) 主战为CPU417-4DP，从站为SIEMENS公司的变频器，其通讯过程及结构构成类似于（DP2）
2 过程监控层
由工业控制计算机PC和PLC加以太网通讯模块（CP443-1）组成工业以太网，即组成过程监控层。采用客户机/服务器结构，根据现场需要，可增加/删减操作站，为了保证系统的可靠性、安全性，服务器均采取双机热备，当前台运行的服务器出现故障时，后台运行的服务器能实时无影响的切换到前台，从而使系统正常运行。工控机利用FACTORYLINK组态软件实现对现场设备的监控，将现场第一线的数据传送到控制室，置于实时数据库，进行控制及计算、动态实时显示参数、报警及历史曲线的显示及数据保存，并将实时数据库的数据送到服务器的数据库中，进行保存和数据处理（图5）。
图5 系统网络结构图
以太网技术的发展增强了其通信的确定性，首先，在网络拓扑结构上，采用星形连接及交换式Hub，交换式Hub提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能，使数据冲撞及重发机会最小化；其次，快速以太网(100Mbit/s,1Gbit/s)的发展及网络冗余技术使以太网更适应于实时应用；另外，改进的通信协议克服了TCP/IP协议中的缓冲器满再发送及冲撞控制中的允许“丢”包等缺点。光纤不受噪声干扰，适合使用在实时监控的高噪声现场环境。具有TCP/IP接口的现场设备(Field Device)可以无须透过现场的计算机，直接连接INTERNET，实现远程监控(Remote Control)的功能。
从传感器到管理层的直接通讯，可进行整个工厂的联网。实现了以太网上的不同工业自动化设备间的互操作和互换。FACTORYLINK与PLC的通信是通过TCP/IP协议。因此必须在PLC的硬件组态上给以太网通信模块CP443-1分配IP地址，在上位机为FACTORYLINK软件安装S7I/O DRIVER，通过SIMATIC NET的COM S7为FACTORYLINK软件设置好正确的连接数据库文件。
3 生产管理层
通过网络，可将生产、计划等进行统一组织、调度，采用通用TCP/IP协议，通过访问服务器数据库，可对数据库记录进行增加，修改或删除。也可直接通过访问服务器来了解现场的生产动态。对生产设备状态在线监控、设备故障诊断及维护等，使生产处于动态控制状态中，根据现场实际情况，实时、协调组织。
4 结束语
随着网际网络与信息技术的的日渐成熟，工业界有越来越多的通信与自动化应用正逐渐形成一股采用以太网和TCP/IP协议作为主要通信接口的新趋势。它融现场技术、PLC技术、以太网技术、可视化人机接口技术及生产管理技术为一体，此技术的应用，系统稳定、可靠，投资成本低。
参考文献
《运用PROFIBUS-DP实现分散自动化》 现场总线PROFIBUS专业委员会
通讯地址： 孔德才 （1976－）济南钢铁集团总公司第三炼钢厂 250101 电话：0531－8847017 EMAIL：kongdecai2004@163.com
关键字：以太网 I/O 串行 接口
Abstract : In the modern times, the technology of process control network builted by PROFIBUS_DP And ETHERNET actualizes the coherence from the control level to field level.
Key word: ETHERNET input/output serial interface
0 引言
现场总线PROFIBUS能够满足生产过程中现场级数据的可存取性。一方面它满足了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高管理之间的联系，将现场总线技术和以太网技术结合起来，运用于工业控制系统中，实现了从控制级到现场级通讯的一致。
济钢第三炼钢厂连铸区域就是利用PROFIBUS—DP和ETHERNET组建成为测控管一体化的工业控制网络。整个控制网络分为3层：第一层为现场控制层，采用PLC和PROFIBUS现场总线进行控制；第2层，为过程监控层，采用工业控制计算机和带以太网通讯模块的PLC组成工业以太网，监控系统采用FACTORYLINK软件；第3层，为生产管理层。整个系统构成如图1所示。
1 现场控制层
现场总线PROFIBUS的结构是透明的和开放的，PROFIBUS已成为事实上的国际公认的标准（现场总线PROFIBUS是国际标准IEC 61158的组成部分Type III）。它由3部分组成：即PROFIBUS—DP（分散型外围设备）；PROFIBUS—FMS（现场总线报文规范）；PROFIBUS—PA（过程自动化）PROFIBUS–DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。PROFIBUS–DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
整个连铸区域分为4大主站及单体设备部分，每个主站均采用独立的PLC控制，PLC采用西门子S7-400。现场控制设备还有西门子ET200M分布式I/O，SIEMENS变频器和C7等现场智能设备。PLC和现场设备的通信均采用PROFIBUS—DP。PROFIBUS已集成在SIMATIC S7系统内部。分散连接的I/O外围设备通过DP协议由STEP7组态工具全部集成在系统中。亦即，已在组态和编程阶段，就把分散的I/O设备作为类似于在中心子机架或扩展机架中本地连接的I/O来对待。同样的道理适用于故障、诊断和报警；SIMATIC S7 DP从站起着类似于集中插入的I/O模块的作用。SIMATIC S7提供集成的或插入的PROFIBUS-DP接口用于连接有更复杂功能的现场设备(例如：变频器、触摸屏等)。由于PROFIBUS第1层、第2层的特性和内部系统通信S7功能，可以将编程器（PG）、PC、HMI等设备与SIMATIC S7 PROFIBUS-DP系统连接。
一个完整的PROFIBUS-DP网络由以下几部分组成（如图2）：1主控器（PLC）;2现场I/O模块（ET200），用于连接各种现场装置；3其他智能装置，如变频器，触摸屏等；4.网络附件（交换机等）。它能够直接完成设备的顺序、连锁、闭环控制，完成过程参数的采集以及报警功能。
图2 Profibus-DP网络结构示意图
以铸流PLC为例，有3条Profibus-DP构成，CPU为CPU417-4DP,它最多带有四个PROFIBUS-DP接口供用户使用，如图3所示。
图3 铸流PLC Profibus-DP网络结构
·PROFIBUS-DP（1） 主站为CPU417-4DP，从站为ET-200。DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，主站负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，在总线上向从站发送数据并向从站所取数据，只有当主站STRAND PLC请求时总线上的DP从站才可能活动，才能与主站进行数据交换。也就是说， DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。图4指出在DP主站上是怎样处理轮询表的。DP主站与DP从站间的一个报文循环由DP主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。
图4在DP-主站上处理轮询表的情况
PROFIBUS-DP(2) 主站为CPU417-4DP，从站为SIEMENS公司的23台变频器，为了连接成PROFIBUS 系统，必须采用PROFIBUS 模板。这一模板安装在变频器的正面，通过RS485 串行接口与变频器进行通讯。SIEMENS公司变频器与PLC进行PROFIBUS数据通信，PROFIBUS 模板是一个可选件，用户采用这一选件后，可以通过PROFIBUS－DP 串行总线（SINECL2-P）对MICROMASTER4 进行控制。所有的变频器参数都可以通过串行链路进行访问，变频器的从站地址（参数P0918）必须正确设置，使它与PROFIBUS 主站上配置的从站地址相一致，总线上定义的每个变频器的地址必须是唯一的，这样，PLC与变频器才能正常、准确的进行通讯。
PROFIBUS-DP(3) 主战为CPU417-4DP，从站为SIEMENS公司的变频器，其通讯过程及结构构成类似于（DP2）
2 过程监控层
由工业控制计算机PC和PLC加以太网通讯模块（CP443-1）组成工业以太网，即组成过程监控层。采用客户机/服务器结构，根据现场需要，可增加/删减操作站，为了保证系统的可靠性、安全性，服务器均采取双机热备，当前台运行的服务器出现故障时，后台运行的服务器能实时无影响的切换到前台，从而使系统正常运行。工控机利用FACTORYLINK组态软件实现对现场设备的监控，将现场第一线的数据传送到控制室，置于实时数据库，进行控制及计算、动态实时显示参数、报警及历史曲线的显示及数据保存，并将实时数据库的数据送到服务器的数据库中，进行保存和数据处理（图5）。
图5 系统网络结构图
以太网技术的发展增强了其通信的确定性，首先，在网络拓扑结构上，采用星形连接及交换式Hub，交换式Hub提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能，使数据冲撞及重发机会最小化；其次，快速以太网(100Mbit/s,1Gbit/s)的发展及网络冗余技术使以太网更适应于实时应用；另外，改进的通信协议克服了TCP/IP协议中的缓冲器满再发送及冲撞控制中的允许“丢”包等缺点。光纤不受噪声干扰，适合使用在实时监控的高噪声现场环境。具有TCP/IP接口的现场设备(Field Device)可以无须透过现场的计算机，直接连接INTERNET，实现远程监控(Remote Control)的功能。
从传感器到管理层的直接通讯，可进行整个工厂的联网。实现了以太网上的不同工业自动化设备间的互操作和互换。FACTORYLINK与PLC的通信是通过TCP/IP协议。因此必须在PLC的硬件组态上给以太网通信模块CP443-1分配IP地址，在上位机为FACTORYLINK软件安装S7I/O DRIVER，通过SIMATIC NET的COM S7为FACTORYLINK软件设置好正确的连接数据库文件。
3 生产管理层
通过网络，可将生产、计划等进行统一组织、调度，采用通用TCP/IP协议，通过访问服务器数据库，可对数据库记录进行增加，修改或删除。也可直接通过访问服务器来了解现场的生产动态。对生产设备状态在线监控、设备故障诊断及维护等，使生产处于动态控制状态中，根据现场实际情况，实时、协调组织。
4 结束语
随着网际网络与信息技术的的日渐成熟，工业界有越来越多的通信与自动化应用正逐渐形成一股采用以太网和TCP/IP协议作为主要通信接口的新趋势。它融现场技术、PLC技术、以太网技术、可视化人机接口技术及生产管理技术为一体，此技术的应用，系统稳定、可靠，投资成本低。
参考文献
《运用PROFIBUS-DP实现分散自动化》 现场总线PROFIBUS专业委员会
通讯地址： 孔德才 （1976－）济南钢铁集团总公司第三炼钢厂 250101 电话：0531－8847017 EMAIL：kongdecai2004@163.com
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