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、全數字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網絡。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，數據傳輸速率為9.6 kbps～12mbps。在濟南國際機場航站樓的電力參數監(jiān)控系統(tǒng)設計時，考慮到現(xiàn)場參數變量較多，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)場設備之間的數據通信工作。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)網絡拓撲結構

根據在工業(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、從站數據讀寫、從站遠程參數化工作。

(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總線網絡上，不是二類主站，不能直接讀取從站數據合完成遠程參數化工作。監(jiān)控站所需的數據只能在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總線網絡上。該方案的監(jiān)控站可以完成遠程編程、參數化及在線監(jiān)控功能。

(4)使用pc機加profibus網卡作為一類主站，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網絡，車間要增加幾個監(jiān)控站等，最好采用兩級網絡結構。

3 硬件組成

在開發(fā)設計濟南國際機場航站樓電力參數監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，根據系統(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)網絡結構如圖1所示。網絡結構分為兩層，上層為管理層，下沉為數據監(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數據，利用力控上位機組態(tài)軟件，設計友好的人機界面，連接讀取的數據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據報表、進行數據分析等工作。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，數據監(jiān)控網絡采用profibus網絡通信方式，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據通信，讀取各個從站儀表的數據參數，存放在plc控制器的數據區(qū)中，供上位機讀取訪問。

圖1 系統(tǒng)網絡結構圖

4 軟件設計

profibus網絡的節(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，以減小網絡信號傳輸干擾。

在網絡連接好之后，我們使用step7對整個網絡進行組態(tài)。組態(tài)包括從站的硬件配置和網絡設置兩部分。在從站配置中，采用濟南萊恩達網絡儀表科技有限公司提供的具有profibus總線接口的pmm2000/pmm2100系列數字式微型多功能電力監(jiān)測網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，組態(tài)時需要設置它的網絡地址，通訊速率以及輸入輸出參數長度等；網絡設置時，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。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據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)送數據使用db塊。db塊是用來存儲系統(tǒng)數據的數據塊，在db塊使用之前，需要定義它的存儲類型，大小等參數。在系統(tǒng)運行時，如果想在線監(jiān)控db存儲區(qū)中的數據，則可以建立一個數據變量表vat(如圖3中的vat_1)，并在vat中添加需要監(jiān)控的數據變量地址，程序在線運行時，即可觀察到存儲區(qū)的數據內容，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，然后在力控實時數據庫系統(tǒng)中進行數據連接組態(tài)。在profibus網絡通信中，各從站的參數信息已傳輸到主站中，故只需建立起力控組態(tài)環(huán)境中的各個點參數與plc數據塊中參數變量的對應連接，力控軟件便可間接讀取各個從站的參數信息，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，使用戶可以通過網絡遠程查看系統(tǒng)中各個現(xiàn)場設備的參數數據。

5 結束語

濟南國際機場航站樓電力參數監(jiān)控系統(tǒng)已經投入運行，實踐證明，該系統(tǒng)采用profibus網絡技術來實現(xiàn)分布式監(jiān)控，網絡速度快、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。