多協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)創(chuàng)新型試驗設(shè)計

孫竹梅,王 琦,白建云,張 俊

(1.山西大學(xué)自動化系，山西 太原 030013；2.山西交通控股集團(tuán)有限公司朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000)

0 引言

結(jié)合行業(yè)的研究熱點和現(xiàn)有設(shè)備條件，針對自動化專業(yè)本科試驗教學(xué)，設(shè)計了創(chuàng)新型試驗項目：遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的多協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該項目旨在解決多協(xié)議現(xiàn)場總線設(shè)備的不兼容問題，實現(xiàn)異種協(xié)議現(xiàn)場總線設(shè)備的雙向數(shù)字通信。在常規(guī)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組態(tài)項目的基礎(chǔ)上，引入多協(xié)議兼容的控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)[1]。

試驗項目以綜合應(yīng)用自動化專業(yè)課程知識為宗旨，緊密聯(lián)系行業(yè)實際，與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合。試驗涉及Omron PLC、DeviceNet現(xiàn)場總線設(shè)備、Serial/PROFIBUS-DP協(xié)議轉(zhuǎn)換器、DeviceNet/PROFIBUS-DP轉(zhuǎn)換器，以及Modbus轉(zhuǎn)SMS/GPRS轉(zhuǎn)換器等多種設(shè)備的使用。該試驗可為本科生控制系統(tǒng)搭建、設(shè)備使用、系統(tǒng)調(diào)試的學(xué)習(xí)，以及設(shè)計與操作的實踐提供機(jī)會，培養(yǎng)本科生解決實際工程問題和研究創(chuàng)新的能力[2]。

1 試驗設(shè)計

以現(xiàn)場總線系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)按照功能劃分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是最底層，企業(yè)資源規(guī)劃層(enterprise resource planning，ERP)是最上層，而監(jiān)控、計劃、管理、調(diào)度等多項控制管理功能由中間的制造執(zhí)行層的制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)完成[3]。試驗項目組建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括底層和中間層，即在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，F(xiàn)CS)與制造執(zhí)行層MES建立網(wǎng)絡(luò)連接，上傳底層的各種數(shù)據(jù)信息，并接收由上層網(wǎng)絡(luò)下傳的控制指令。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS由PLC控制器、現(xiàn)場總線儀表和控制對象組成。制造執(zhí)行層MES由高端PLC控制器和上位系統(tǒng)組成[4]。由于制造執(zhí)行層MES和現(xiàn)場控制層FCS采用不同的現(xiàn)場總線協(xié)議，兩層間的通信需要用網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)；再通過GPRS協(xié)議，搭載供應(yīng)商通信網(wǎng)絡(luò)對控制系統(tǒng)重要信息，實現(xiàn)手機(jī)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控。試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

基于試驗室控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的實際情況，制造執(zhí)行層MES采用西門子高端PLC S7-400為控制器。S7-400 PLC與工程師站、操作員站，及其上層網(wǎng)絡(luò)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接[5]。各現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線接入MES。DeviceNet/PROFIBUS-DP協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接DeviceNet總線和PROFIBUS-DP總線。GPRS網(wǎng)絡(luò)與PROFIBUS-DP總線的通信，需要兩個網(wǎng)關(guān)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)主從關(guān)系連接，即MGS-801通過PM-160網(wǎng)關(guān)建立GPRS與Modbus網(wǎng)絡(luò)之間的通信，再通過PM-160網(wǎng)關(guān)建立Modbus與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)之間的通信[6]。

面對控制任務(wù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)試驗項目，學(xué)生首先要明確多協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在實現(xiàn)各現(xiàn)場系統(tǒng)控制功能的基礎(chǔ)上，做好通信兼容措施，從而實現(xiàn)MES的上位監(jiān)控。在試驗設(shè)計過程中，要做好現(xiàn)場控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能計劃，各現(xiàn)場控制系統(tǒng)與上位系統(tǒng)MES的兼容方法和MES的監(jiān)控設(shè)計。在項目實施過程中，具體工作包括控制器選型、通信設(shè)備選型、硬件系統(tǒng)集成、項目組建、通信方式的選擇、程序編寫和調(diào)試、通信測試等方面，遵循從底層系統(tǒng)到多協(xié)議系統(tǒng)、由部分到全局的順序，完成項目的整體調(diào)試[7]。

1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

本試驗項目底層現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由水箱對象和支持DeviceNet總線通信協(xié)議的Omron PLC控制器及現(xiàn)場總線儀表組成。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場信息采集站，完成對現(xiàn)場設(shè)備的信號采集以及對水箱水位的控制。同時，現(xiàn)場系統(tǒng)與上層MES相連，接收上級的控制命令，并向上級傳遞現(xiàn)場生產(chǎn)過程信息和設(shè)備實時狀態(tài)。

學(xué)生根據(jù)試驗任務(wù)，從試驗室設(shè)備中選擇底層PLC控制器類型及型號、被控對象及測量儀表，自行搭建現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。試驗要點包括：在計算機(jī)上安裝底層PLC的應(yīng)用軟件，將總線儀表廠家提供的設(shè)備描述EDS文件導(dǎo)入指定的文件目錄下；在PLC的應(yīng)用軟件環(huán)境中建立控制項目，進(jìn)行硬件組態(tài)；編譯下載無誤后，根據(jù)控制要求編寫控制程序，調(diào)試運行，直到滿足控制指標(biāo)要求[8]。

1.2 制造執(zhí)行層MES

制造執(zhí)行層MES完成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控、計算、管理和維護(hù)功能，采用西門子高端PLC。其支持不同現(xiàn)場總線協(xié)議現(xiàn)場控制層FCS，如Modbus網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)與制造執(zhí)行層MES之間的數(shù)據(jù)交換通過網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器(網(wǎng)關(guān))完成。學(xué)生根據(jù)試驗室條件，選擇能夠搭建分布式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜控制系統(tǒng)的高端PLC，以及支持總線通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)等設(shè)備；在硬件集成的基礎(chǔ)上，配置各設(shè)備參數(shù)、劃分存儲空間、設(shè)定通信方式等，實現(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通信兼容和工業(yè)以太網(wǎng)通信。

1.2.1 MES的創(chuàng)建

西門子高端PLC S7-400在本試驗項目中承擔(dān)制造執(zhí)行層MES的任務(wù)。在上位機(jī)中，安裝西門子過程控制系統(tǒng)軟件PCS7，完成控制項目創(chuàng)建、S7-400控制組態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)、工程師站和操作員站的組建，S7-400與現(xiàn)場控制系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線協(xié)議通信，S7-400與工程師站、操作員站用通信模塊通過Ethernet通信。硬件的具體選擇由學(xué)生完成[9]。

1.2.2 通信兼容配置

制造執(zhí)行層MES的西門子PLC系統(tǒng)與各FCS之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議通信，而水箱FCS支持DeviceNet總線協(xié)議，異種協(xié)議的FCS和MES系統(tǒng)的通信通過網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)PD-100S是PROFIBUS-DP總線協(xié)議和DeviceNet總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換器。PD-100S在PROFIBUS-DP側(cè)是從站，在DeviceNet側(cè)也是從站?，F(xiàn)場控制器Omron PLC集成有DeviceNet主站通信模塊，是DeviceNet的主站。主從站地址通過PD-100S上的撥碼和旋碼開關(guān)完成。在完成硬件連接以后，需要對PD-100S進(jìn)行設(shè)置，并在PROFIBUS-DP側(cè)和DeviceNet側(cè)分別配置[10-11]。

網(wǎng)關(guān)PD-100S的讀寫命令和參數(shù)通過計算機(jī)的超級終端進(jìn)行設(shè)置。需要設(shè)置：PROFIBUS-DP與DeviceNet輸入輸出字節(jié)數(shù)長度，西門子PLC、網(wǎng)關(guān)以及現(xiàn)場控制器PLC三者的數(shù)據(jù)映射地址區(qū)長度應(yīng)保持一致，DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)字、數(shù)據(jù)是否清零，以及如何更新數(shù)據(jù)。通常設(shè)置數(shù)據(jù)交換方式為兩字節(jié)交換[12]。

網(wǎng)關(guān)PD-100S在PROFIBUS-DP側(cè)是從站，通過主站對其進(jìn)行配置。首先，將網(wǎng)關(guān)PD-100S的GSD文件導(dǎo)入西門子PLC系統(tǒng)的指定文件夾下，通過硬件組態(tài)給網(wǎng)關(guān)分配用于雙方的通信地址，再編寫相應(yīng)的讀寫、監(jiān)視程序，保存編譯下載無誤后即可。

在DeviceNet側(cè)，現(xiàn)場控制器Omron PLC是主站，網(wǎng)關(guān)PD-100S是從站。首先，將網(wǎng)關(guān)PD-100S的EDS文件導(dǎo)入現(xiàn)場控制器Omron PLC系統(tǒng)的指定文件夾下，網(wǎng)關(guān)PD-100S組態(tài)通過現(xiàn)場控制器Omron PLC配置。

1.3 GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控及通信配置

通過GPRS搭載供應(yīng)商的通信網(wǎng)絡(luò)，可以對所監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程、實時的在線監(jiān)控。在本試驗項目中，通過GPRS可以實現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程啟動、停止該試驗系統(tǒng)；可以監(jiān)視重要設(shè)備運行狀況、報警信息，甚至是設(shè)備故障診斷信息等。

FCS將過程參數(shù)上傳到制造執(zhí)行層MES：GPRS通過Serial/PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PM-160，將MES層的PROFIBUS-DP總線信息轉(zhuǎn)換成Modbus總線信息，再通過MGS-801進(jìn)行Modbus協(xié)議與GPRS之間的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)GPRS對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控[13]。

網(wǎng)關(guān)PM-160是Modbus協(xié)議與PROFIBUS-DP協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，在PROFIBUS-DP側(cè)是從站，通過西門子PLC系統(tǒng)對其配置。網(wǎng)關(guān)PM-160在GPRS側(cè)是主站，連接MGS-801網(wǎng)關(guān)。MGS-801網(wǎng)關(guān)是Modbus總線協(xié)議與GPRS協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，在Modbus側(cè)作為從站并通過主站完成對從站的設(shè)置。在GPRS側(cè)通過無線互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，將MGS-801網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)的USB接口連接，通過網(wǎng)關(guān)軟件對其配置；配置好參數(shù)后，將其下載到網(wǎng)關(guān)即可[14]。

2 試驗項目的調(diào)試與運行

試驗系統(tǒng)自下而上逐級進(jìn)行調(diào)試。首先，調(diào)試現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；在系統(tǒng)達(dá)到控制要求之后，調(diào)試FCS與MES之間的數(shù)據(jù)交換；最后，調(diào)試GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是對水箱水位的控制，設(shè)計及調(diào)試的重點是控制器Omron PLC的控制程序，通過比例、積分和微分作用的配合，達(dá)到控制要求即可。MES層設(shè)計調(diào)試的重點是監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，包括過程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的上傳及監(jiān)控畫面的實時更新，控制指令的下達(dá)。必須保證FCS與MES控制的一致性。網(wǎng)關(guān)調(diào)試的重點是控制器和網(wǎng)關(guān)的主從關(guān)系、主從站地址配置和存儲器的地址分配。網(wǎng)關(guān)PD-100S在DeviceNet側(cè)的起始地址和地址長度是現(xiàn)場控制器PLC指定的，在現(xiàn)場層上傳的數(shù)據(jù)信息可以在現(xiàn)場控制器PLC分配給PD-100S地址寄存器讀取。此數(shù)據(jù)也可以由西門子PLC系統(tǒng)分配給網(wǎng)關(guān)PD-100S的地址寄存器中同時讀取，但必須是一一對應(yīng)的，方可說明FCS與MES之間數(shù)據(jù)交換調(diào)試成功。GPRS系統(tǒng)調(diào)試時需要對MGS-801和PM-160進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，MGS-801的Modbus地址、PM-160的Modbus地址、PM-160的Profibus-DP地址，需要作一一對應(yīng)，并監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的正確性。

通過硬件集成、軟件組態(tài)和系統(tǒng)調(diào)試，水箱水位控制系統(tǒng)可以在Omron PLC的自動控制下正常運行，MES層工程師站和操作員站可以實時顯示參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)通過操作員站設(shè)置給定值擾動后，F(xiàn)CS能夠?qū)崿F(xiàn)對水位的穩(wěn)定控制。FCS和MES之間的數(shù)據(jù)交換可在地址寄存器中進(jìn)行監(jiān)視；通過手機(jī)可以實現(xiàn)對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和啟?？刂?。

3 結(jié)束語

遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的多協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是涉及大量自動化專業(yè)知識的創(chuàng)新性試驗項目，特別是技術(shù)含量較高的PLC、FCS、監(jiān)控組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)化通信等技術(shù)。通過提升試驗室現(xiàn)有設(shè)備的硬件組合和功能，有效提高了試驗資源的利用率。試驗項目具有綜合性和科學(xué)性，符合學(xué)科特點，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。該研究注重試驗的方案設(shè)計和操作過程，鼓勵學(xué)生發(fā)揮自身的探索能力和創(chuàng)新能力。基于現(xiàn)有設(shè)備和試驗基礎(chǔ)，深入發(fā)掘試驗的功能，及時更新試驗設(shè)備，還能夠開發(fā)出更多具有創(chuàng)新性和綜合性的試驗[15]。在本科生試驗教學(xué)中開展此項目，學(xué)生參與了多協(xié)議系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備的選型、硬件的搭建、功能的探究和開發(fā)，學(xué)習(xí)了新設(shè)備的使用，提高了專業(yè)知識的應(yīng)用能力，培養(yǎng)了解決實際問題的能力。學(xué)生在自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信、程序編寫及系統(tǒng)調(diào)試方面得到不同程度的提升。

本文設(shè)計的綜合性試驗項目，在傳統(tǒng)試驗的基礎(chǔ)上更突出試驗內(nèi)容多元化、試驗項目層次化、試驗過程自主化，為學(xué)生提供更多的獨立思考、獨立試驗、獨立解決問題的機(jī)會，引導(dǎo)學(xué)生運用現(xiàn)有知識展開復(fù)雜問題研究，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)。