基于OPC、Ethernet和Profibus技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳明永 王國(guó)偉 吳明亮

(1.蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，以網(wǎng)絡(luò)為主干的自動(dòng)化分布式控制系統(tǒng)成為行業(yè)趨勢(shì)，并深入到工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)層次當(dāng)中，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、PLC、I/O設(shè)備等硬件到操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及HMI的應(yīng)用，可謂無(wú)處不在，它已經(jīng)成為整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的靈魂。

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)化的日趨完善，鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)亦采用網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)方法成為必然。本文以甘肅省天水市某集中供暖工程為背景進(jìn)行了基于OPC和Industrial Ethernet和Profibus技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)整體的計(jì)算機(jī)化、最優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)化，獲得最佳的節(jié)能效果。

1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)鍋爐設(shè)備實(shí)際安裝位置和監(jiān)控任務(wù)，本著“分散控制、集中管理”的原則，整個(gè)控制系統(tǒng)按3層結(jié)構(gòu)和3種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)劃和系統(tǒng)組態(tài)。三層結(jié)構(gòu)即為操作管理層、過(guò)程控制層和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)層;3種網(wǎng)絡(luò)即為工業(yè)以太網(wǎng)、Porfibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和Modbus網(wǎng)絡(luò)［1］。其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

操作管理層主要由1臺(tái)工程師站(ES)和2臺(tái)操作員站(OS)組成。ES負(fù)責(zé)PLC硬件和通訊組件的組態(tài)，并設(shè)計(jì)帶有操作功能和工藝圖的操作界面，以及對(duì)歸檔和協(xié)議的設(shè)計(jì)等;OS用來(lái)控制鍋爐設(shè)備，并同時(shí)承擔(dān)過(guò)程值和消息的管理、維護(hù)和歸檔功能等。

操作管理層采用西門子的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)，具有實(shí)時(shí)通道通訊服務(wù)和等時(shí)同步實(shí)時(shí)通訊服務(wù)功能，在網(wǎng)絡(luò)通信量增大和實(shí)時(shí)性要求較高的情況下保持系統(tǒng)的良好網(wǎng)絡(luò)性能和魯棒性。

過(guò)程控制層的S7-300 PLC站一方面通過(guò)Porfibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)層的遠(yuǎn)程I/O站ET200M和智能從站S7-200進(jìn)行通訊，采集系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行，如調(diào)節(jié)循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵和爐排的運(yùn)行速度等。另一方面將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)上傳到操作管理層的監(jiān)控中心進(jìn)行處理，同時(shí)執(zhí)行OS站發(fā)出的操作指令。該層將支持Porfibus-DP和PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)接口的S7-300 PLC數(shù)據(jù)通過(guò)SIMATIC NET OPC和Ethernet/IP通訊方法連接到OPC服務(wù)器，通過(guò)OPC服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，OPC客戶端可以通過(guò)OPC服務(wù)器接口存取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息流的縱向流動(dòng);在設(shè)備層橫向通信方面，OPC服務(wù)器之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)層設(shè)備之間的通訊［2］。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)層由遠(yuǎn)程I/O站ET200M和S7-200 PLC組成。它們作為過(guò)程控制站S7-300 PLC的從站，采集現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)，控制相關(guān)設(shè)備的啟停、PID閉環(huán)調(diào)節(jié)等。并通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能從站S7-200 PLC與現(xiàn)場(chǎng)變頻器進(jìn)行Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊，完成引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等變頻器的頻率設(shè)定，采集變頻器的反饋頻率、電壓、電流參數(shù)。

2 通過(guò)Ethernet實(shí)現(xiàn)OPC與S7-300通訊

通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)S7-300 PLC與OPC通訊的前提條件是PLC配備以太網(wǎng)模塊(如CP343-1)或者使用帶有PN接口的PLC(這里采用了CPU315-2PN/DP型PLC)，并在組態(tài)計(jì)算機(jī)(PC)上安裝了STEP7 V5.4和SIMATIC NET 2006等軟件。

OPC(OLE for Process Control)指用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)。它以微軟的COM(組件對(duì)象模型)和DCOM(分布式組件對(duì)象模型)技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一套標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的應(yīng)用程序、控制器能夠相互交換數(shù)據(jù)［3］。若上位監(jiān)控軟件(如WinCC)和各種應(yīng)用程序通過(guò)Siemens提供的SIMATIC NET OPC技術(shù)進(jìn)行讀寫S7-300 PLC主站數(shù)據(jù)，可大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)集成的兼容性，同時(shí)，也提高了軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，便于系統(tǒng)的升級(jí)和日常維護(hù)。

2.1 在Step7軟件中組態(tài)PC站

在組態(tài)之前，要先把PG/PC接口改為“PC internal(local)”。因?yàn)榻M態(tài)的PC站的組態(tài)結(jié)果最終要下載到PC本機(jī)上，PC站要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是OPC服務(wù)器的組態(tài)，二是CPU315以太網(wǎng)通訊PN口的客戶端組態(tài)。在該項(xiàng)目中插入一個(gè)PC站，在1號(hào)槽位中插入OPC Server，在3號(hào)槽位中插入IE General，然后雙擊IE General模塊并點(diǎn)擊“Properties”按鈕，在組態(tài)畫面中輸入IP地址和子網(wǎng)掩碼，這里的地址與PC機(jī)上的IP地址和子網(wǎng)掩碼必須相同［4］，如圖2 所示。

2.2 以太網(wǎng)通訊測(cè)試

在Windows界面的開始菜單欄“運(yùn)行”中鍵入CMD，進(jìn)入DOS界面，使用網(wǎng)絡(luò)命令PING測(cè)試以太網(wǎng)通訊是否建立，PING的命令如下:ping目標(biāo)IP地址，參數(shù)。

這里 PN 口的 IP 地址為 192.168.0.2，子網(wǎng)掩碼:255.255.255.0;PC 組態(tài)機(jī)的 IP 地址為 192.168.0.1，子網(wǎng)掩碼:255.255.255.0。在測(cè)試界面中，若顯示數(shù)據(jù)連續(xù)讀取，表示以太網(wǎng)通訊已經(jīng)建立。

2.3 OPC服務(wù)器的組態(tài)

在SIMATIC NET的組態(tài)軟件“Station Configuration Editor”中組態(tài)OPC服務(wù)器。在1號(hào)槽位中插入“OPC Server”，在3號(hào)槽位中插入“IE General”，這與Step7中組態(tài)的PC站是相對(duì)應(yīng)的，其中“Station Name”一定要與在Step7中組態(tài)的“PC Station”的名字相同，在本項(xiàng)目中使用的默認(rèn)的名字“SIMATIC PC Station(1)”。組態(tài)好的OPC服務(wù)器如圖3所示。

2.4 OPC客戶端訪問(wèn)服務(wù)器

組態(tài)好OPC服務(wù)器，就要對(duì)其進(jìn)行通訊測(cè)試。由于SIMATIC NET提供了測(cè)試OPC服務(wù)器的客戶端程序，在本機(jī)器上運(yùn)行OPC Scout軟件，測(cè)試本機(jī)OPC Server的建立是否成功，選擇所需變量后觀察變量連接 OPC Server的 Quality欄，如果顯示為“good”則連接成功，表示此時(shí)OPC Server已在這臺(tái)機(jī)器上正常運(yùn)行，可以在PLC主站和OPC Server之間交換數(shù)據(jù)。

3 通過(guò)PLC的DP口連接ET200M和S7-200 PLC

用Profibus紫色電纜將CPU315、IM153的DP口與EM277的DP相連，并將兩個(gè)IM153端的網(wǎng)絡(luò)連接器上的撥鈕撥到“off”，

并將首端CPU315和末端EM277的網(wǎng)絡(luò)連接器上的撥鈕撥到“on”。并分別對(duì)兩個(gè)ET200M和EM277的“BUS ADDRESS”撥盤開關(guān)的PROFIBUS地址設(shè)定為3、4、5(可任意設(shè)定)。

3.1 組態(tài)ET200M站

組態(tài)遠(yuǎn)程I/O站ET200M，是為了減少電纜的敷 設(shè)，可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近放置不同類型的I/O模塊，其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖 4所示。組態(tài)過(guò)程如下［5］

(1)先插入一個(gè)S7-300站，然后雙擊“Hardware”選項(xiàng)，進(jìn)人“Hw config”窗口。點(diǎn)擊“catalog”圖標(biāo)打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號(hào)依次插人機(jī)架、電源、CPU等。

(2)點(diǎn)擊 DP總線“master:DP master system(1)”，在 PROFIBUS-DP選項(xiàng)中，通過(guò)左邊的“PROFIBUS-DP→ET200M→IM153-1”路徑，選擇接口模塊IM153-1，添加到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上。

(3)定義ET200M接口模塊IMl53-1的PROFIBUS站地址，組態(tài)的站地址必須與IMl53-1上撥碼開關(guān)設(shè)定的站地址相同。

(4)在ET200M站上添加I/O模塊。

組態(tài)之后，分布式I/O將如同集成在S7-300 PLC機(jī)架上的I/O一樣。

圖4 ET200M網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

3.2 通過(guò)EM277組態(tài)從站S7-200

S7-300與S7-200通過(guò)EM277進(jìn)行PROFIBUS-DP通訊時(shí)，需要在STEP7中進(jìn)行S7-300站組態(tài)，而在S7-200系統(tǒng)中不需要通訊組態(tài)和編程，只需對(duì)進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V存儲(chǔ)區(qū)與S7-300組態(tài)EM277從站時(shí)的硬件I/O地址相對(duì)應(yīng)就可以了。

3.2.1通訊映射區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系

EM277通過(guò) PROFIBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須對(duì)硬件組態(tài)預(yù)先設(shè)定通訊區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)通常稱為通訊映射區(qū)或緩沖區(qū)，因?yàn)樵撏ㄓ崊^(qū)就通訊雙方來(lái)說(shuō)是互為映射的。主從站緩沖區(qū)的關(guān)系如圖5所示。

3.2.2在STEP7中 組態(tài)EM277

選中STEP7的硬件組態(tài)窗口中的菜單Option GSD，導(dǎo)入SIEM089D.GSD 文件，安裝 EM277從站組態(tài)文件［6］。

圖5 通訊映射區(qū)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

EM277的輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200 CPU變量存儲(chǔ)器(V存儲(chǔ)器)內(nèi)，輸入緩沖區(qū)緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區(qū)的大小是由 DP主站組態(tài)設(shè)定的(設(shè)定為16?Word?Out/16?Word?In)。組態(tài)后，EM277可接收從主站S7-300來(lái)的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回給主站。?

進(jìn)行硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)設(shè)定的EM277站地址必須與EM277本機(jī)的左上方的撥碼開關(guān)設(shè)定的地址一致。在變動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)之后，必須重新啟動(dòng)S7-200 CPU電源才能使通訊地址生效。

4 通過(guò)Modbus實(shí)現(xiàn)變頻器與S7-200的通訊

目前國(guó)產(chǎn)的過(guò)程儀表和變頻器大都采用基于串行接口的Modbus RTU通訊模式，西門子S7-200的編程軟件專門為Modbus RTU通信開發(fā)了指令庫(kù)，極大地簡(jiǎn)化了Modbus RTU通信的開發(fā)，以便于快速實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用。通過(guò)Modbus RTU主站指令庫(kù)，使得S7-200可作為Modbus RTU中的主站設(shè)備集成到Modbus網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)與Modbus從站設(shè)備(國(guó)產(chǎn)變頻器)的通信。其編寫部分程序如圖6所示。

圖6 Modbus主站通訊程序

西門子Modbus主站協(xié)議庫(kù)包括兩條指令:MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令。

(1)MBUS_CTRL指令

MBUS_CTRL指令用于S7-200端口0的MBUS_CTRL指令可初始化、監(jiān)視或禁用Modbus通訊。在使用MBUS_MSG指令之前，必須正確執(zhí)行MBUS_CTRL指令。指令完成后立即設(shè)定“完成”位，才能繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。MBUS_CTRL指令在每次掃描且EN輸入打開時(shí)執(zhí)行。該指令必須在每次掃描時(shí)(包括首次掃描)被調(diào)用，以允許監(jiān)視隨MBUS_MSG指令啟動(dòng)后所出現(xiàn)的通訊進(jìn)程消息。除非每次調(diào)用MBUS_CTRL，否則Modbus主設(shè)備協(xié)議將不能正確運(yùn)行。

(2)MBUS_MSG指令

MBUS_MSG指令用于啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的請(qǐng)求并處理應(yīng)答。當(dāng)EN輸入和“首次”輸入都為1時(shí)，MBUS_MSG指令啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的請(qǐng)求。發(fā)送請(qǐng)求、等待應(yīng)答、并處理應(yīng)答，通常需要多次掃描。EN輸入必須打開以啟用請(qǐng)求的發(fā)送，并應(yīng)保持打開直到“完成”位被置位。必須注意的是，一次只能激活一條MBUS_MSG指令。如果啟用了多條MBUS_MSG指令，則將處理所執(zhí)行的第一條MBUS_MSG指令，之后的所有MBUS_MSG指令將中止并產(chǎn)生錯(cuò)誤代碼6。

5 結(jié)束語(yǔ)

以O(shè)PC、Ethernet和Profibus技術(shù)構(gòu)建的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得開關(guān)和模擬信號(hào)不再用電線、電纜進(jìn)行互連，這樣就使信號(hào)傳遞方式發(fā)生了根本性變化。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制功能將更加分散，系統(tǒng)的構(gòu)成更加靈活、可靠性更高。通過(guò)OPC、Ethernet和Profibus技術(shù)的相互融合，有效地解決了基礎(chǔ)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程和管理控制系統(tǒng)之間的無(wú)縫集成問(wèn)題。

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