基于现场总线的自动化控制实验装置设计探讨

黄青涛

摘 要：现场总线控制系统完成了从底层的仪表控制单元到上层功能子系统的整体网络化，完善了由现场总线和企业网组成的两层系统结构，所有的工艺均实现了自动化控制，利用了总线系统的开放性和先进性，促进了经济的高速发展，同时为今后类似装置系统的改进提供了宝贵经验。

关键词：现场总线；自动化控制；装置设计

随着科技的迅猛发展，计算机技术不仅仅在生产过程中得到广泛的应用，其在控制层、监控层、管理层和决策层占据了主要的地位。计算机技术与PLC技术的飞速发展，现场总线控制系统在工业控制领域中得到了充分的应用。文章基于现场总线的自动控制实验装置，模拟了企业资源管理、车间监控及现场控制三层网络。

1 现场总线控制系统的类别

1.1 DCS现场总线控制系统

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又被称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，部分资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是一个由过程控制级、过程监控级组成的，以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。

工程师站是对DCS进行离线配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护网络节点等，其主要功能是对DCS提供组态，配置工作的工具软件（即组态软件），DCS在线运行时，实时监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置、设定一些系统参数，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能。现场仪表——安全栅——I/O卡件——控制器——服务器——操作站和工程师站都与服务器联系，用于组态和实时数据的调用等。

1.2 FCS现场总线控制系统

现场总线控制系统（FCS）已经经历了20多年的发展。它是在DCS/PLC基础上发展起来的新技术。现场总线是"控制室连接到现场设备的双向串行数字通信总线"，现场总线的"现场"更多的是指现场设备，而不是位置。FCS主要特点是采用总线标准，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性。FCS既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统。

FCS的关键要点有三点：（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标。只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。（2）FCS系统的基础是数字智能现场装置，数字智能现场装置是FCS系统的基础硬件支撑，其是因FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。（3） FCS系统的本质是信息处理现场化，对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加，而传输信息的线缆却大大减少了。

1.3 PLC现场总线控制系统

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。

而相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

2 现场总线自动化控制试验装置设计

2.1 总体设计

本次研究中现场总线控制系统是由西门子S7-300、S7-400系列PLC、Profinet、Prpfobus-DF、AS-I等现场总线。整个系统是由3层网络组成，分别是ERP层（企业资源管理）、MES层（车间监控层）、现场控制。其中ERP层是由Internet组成或者校园局域网组成；MES层是由实验室局域网、工业以太网组成；现场控制层是由S7-300和S7-400组成。

2.2 系统软件组成和硬件配置

2.2.1 软件组成

软件操作系统是Windows XP，自动控制系统软件包括SIMATIC WinCC FLEXIBLE 2007、SIMATIC WinCC（V6.2）、SIMATIC Manager Step7（V5.4）等等。

2.2.2 车间监控部分

其是整个自动化控制系统的中枢组成部分，其对全部现场设备的工作状态进行监视控制。主要外城状态、图形、数据显示及设备操作控制、历史数据存档、报表打印、故障记录等等，实现分布式控制。

2.2.3 特殊功能装置

系统通过SIMOTION S425配备一个5kW电源模块、两个0.4kW、一个双伺服电动驱动模块等，可对各种复杂的运动进行有效的控制。

2.2.4 现场控制部分

本次研究过程中Profinet网络是由西门子Scalence X208交换机、ET200S分布式I/O、TP177B触摸屏组成，其是控制电动机启动器的组成；使用的S7-300控制器使用的是CPU315F-2PN/DF安全控制CPU，其备有I/O模块和存储卡，传感器模块SM338可与多种传感器连接；S7-300控制部分DP网络连接有ET200S和MM440变频器，将PA网络和AS-I网络介入系统中后，仪表、执行器和现场开关都可通过S7-300、现场总线进行连接与通信。

S7-400控制器单纯配置了CPU模块，主要是充分利用强大运算处理功能。同时还配置了了SIWAREX FTA、SIWAREX U承重模块。S7-400控制部分可进行数据处理与采集、位置控制、速度控制、模拟生产工艺实现过程量控制等复杂控制，在大部分工业企业中属于非常重要的控制解决方案。

3 结束语

现场总线控制系统将成为新世纪工业控制系统的发展趋势，使用该系统的企业，将在管理现代化、综合自动化和信息集成化等方面有了长足的进步，虽然现场总线系统仍然存在许多的不足之处，相关的从业人员将对现场总线控制系统的进行不断的研究，促进行业的可持续发展。

参考文献

[1]白焰，杨国田，陆会明.现场总线控制系统的体系结构及其应用问题分析[J].华北电力大学.

[2]姜涛.现场总线控制系统的应用优势[J].科学观察，2010（6）.endprint