多协议现场总线控制系统创新型试验设计

孙竹梅,王 琦,白建云,张 俊

(1.山西大学自动化系，山西 太原 030013；2.山西交通控股集团有限公司朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000)

0 引言

结合行业的研究热点和现有设备条件，针对自动化专业本科试验教学，设计了创新型试验项目：远程实时监控的多协议现场总线控制系统。该项目旨在解决多协议现场总线设备的不兼容问题，实现异种协议现场总线设备的双向数字通信。在常规现场总线控制系统组态项目的基础上，引入多协议兼容的控制网络组网技术[1]。

试验项目以综合应用自动化专业课程知识为宗旨，紧密联系行业实际，与课堂教学有机结合。试验涉及Omron PLC、DeviceNet现场总线设备、Serial/PROFIBUS-DP协议转换器、DeviceNet/PROFIBUS-DP转换器，以及Modbus转SMS/GPRS转换器等多种设备的使用。该试验可为本科生控制系统搭建、设备使用、系统调试的学习，以及设计与操作的实践提供机会，培养本科生解决实际工程问题和研究创新的能力[2]。

1 试验设计

以现场总线系统为基础的企业控制网络按照功能划分为三层网络结构。整个企业网络中：现场总线控制系统是最底层，企业资源规划层(enterprise resource planning，ERP)是最上层，而监控、计划、管理、调度等多项控制管理功能由中间的制造执行层的制造执行系统(manufacturing execution system，MES)完成[3]。试验项目组建的企业网络系统包括底层和中间层，即在现场总线控制系统(fieldbus control system，FCS)与制造执行层MES建立网络连接，上传底层的各种数据信息，并接收由上层网络下传的控制指令。

现场总线控制系统FCS由PLC控制器、现场总线仪表和控制对象组成。制造执行层MES由高端PLC控制器和上位系统组成[4]。由于制造执行层MES和现场控制层FCS采用不同的现场总线协议，两层间的通信需要用网间协议转换器实现；再通过GPRS协议，搭载供应商通信网络对控制系统重要信息，实现手机用户的远程监控。试验系统网络结构如图1所示。

图1 试验系统网络结构图

基于试验室控制网络设备配置的实际情况，制造执行层MES采用西门子高端PLC S7-400为控制器。S7-400 PLC与工程师站、操作员站，及其上层网络通过工业以太网连接[5]。各现场总线控制系统通过PROFIBUS-DP总线接入MES。DeviceNet/PROFIBUS-DP协议转换器连接DeviceNet总线和PROFIBUS-DP总线。GPRS网络与PROFIBUS-DP总线的通信，需要两个网关依据网络主从关系连接，即MGS-801通过PM-160网关建立GPRS与Modbus网络之间的通信，再通过PM-160网关建立Modbus与PROFIBUS-DP网络之间的通信[6]。

面对控制任务多、结构复杂的多协议现场总线控制系统试验项目，学生首先要明确多协议现场总线控制系统的网络架构，在实现各现场系统控制功能的基础上，做好通信兼容措施，从而实现MES的上位监控。在试验设计过程中，要做好现场控制系统的结构功能计划，各现场控制系统与上位系统MES的兼容方法和MES的监控设计。在项目实施过程中，具体工作包括控制器选型、通信设备选型、硬件系统集成、项目组建、通信方式的选择、程序编写和调试、通信测试等方面，遵循从底层系统到多协议系统、由部分到全局的顺序，完成项目的整体调试[7]。

1.1 现场总线控制系统

本试验项目底层现场总线控制系统由水箱对象和支持DeviceNet总线通信协议的Omron PLC控制器及现场总线仪表组成。现场总线控制系统作为现场控制站与现场信息采集站，完成对现场设备的信号采集以及对水箱水位的控制。同时，现场系统与上层MES相连，接收上级的控制命令，并向上级传递现场生产过程信息和设备实时状态。

学生根据试验任务，从试验室设备中选择底层PLC控制器类型及型号、被控对象及测量仪表，自行搭建现场总线控制系统。试验要点包括：在计算机上安装底层PLC的应用软件，将总线仪表厂家提供的设备描述EDS文件导入指定的文件目录下；在PLC的应用软件环境中建立控制项目，进行硬件组态；编译下载无误后，根据控制要求编写控制程序，调试运行，直到满足控制指标要求[8]。

1.2 制造执行层MES

制造执行层MES完成企业网络系统的监控、计算、管理和维护功能，采用西门子高端PLC。其支持不同现场总线协议现场控制层FCS，如Modbus网络、DeviceNet网络、GPRS网络与制造执行层MES之间的数据交换通过网间协议转换器(网关)完成。学生根据试验室条件，选择能够搭建分布式结构的复杂控制系统的高端PLC，以及支持总线通信协议的网关等设备；在硬件集成的基础上，配置各设备参数、划分存储空间、设定通信方式等，实现现场总线系统的通信兼容和工业以太网通信。

1.2.1 MES的创建

西门子高端PLC S7-400在本试验项目中承担制造执行层MES的任务。在上位机中，安装西门子过程控制系统软件PCS7，完成控制项目创建、S7-400控制组态、监控系统组态、工程师站和操作员站的组建，S7-400与现场控制系统通过PROFIBUS-DP总线协议通信，S7-400与工程师站、操作员站用通信模块通过Ethernet通信。硬件的具体选择由学生完成[9]。

1.2.2 通信兼容配置

制造执行层MES的西门子PLC系统与各FCS之间采用PROFIBUS-DP现场总线协议通信，而水箱FCS支持DeviceNet总线协议，异种协议的FCS和MES系统的通信通过网关完成协议转换。网关PD-100S是PROFIBUS-DP总线协议和DeviceNet总线协议的转换器。PD-100S在PROFIBUS-DP侧是从站，在DeviceNet侧也是从站。现场控制器Omron PLC集成有DeviceNet主站通信模块，是DeviceNet的主站。主从站地址通过PD-100S上的拨码和旋码开关完成。在完成硬件连接以后，需要对PD-100S进行设置，并在PROFIBUS-DP侧和DeviceNet侧分别配置[10-11]。

网关PD-100S的读写命令和参数通过计算机的超级终端进行设置。需要设置：PROFIBUS-DP与DeviceNet输入输出字节数长度，西门子PLC、网关以及现场控制器PLC三者的数据映射地址区长度应保持一致，DeviceNet网络的状态字、数据是否清零，以及如何更新数据。通常设置数据交换方式为两字节交换[12]。

网关PD-100S在PROFIBUS-DP侧是从站，通过主站对其进行配置。首先，将网关PD-100S的GSD文件导入西门子PLC系统的指定文件夹下，通过硬件组态给网关分配用于双方的通信地址，再编写相应的读写、监视程序，保存编译下载无误后即可。

在DeviceNet侧，现场控制器Omron PLC是主站，网关PD-100S是从站。首先，将网关PD-100S的EDS文件导入现场控制器Omron PLC系统的指定文件夹下，网关PD-100S组态通过现场控制器Omron PLC配置。

1.3 GPRS远程监控及通信配置

通过GPRS搭载供应商的通信网络，可以对所监控设备实现远程、实时的在线监控。在本试验项目中，通过GPRS可以实现手机远程启动、停止该试验系统；可以监视重要设备运行状况、报警信息，甚至是设备故障诊断信息等。

FCS将过程参数上传到制造执行层MES：GPRS通过Serial/PROFIBUS-DP网关PM-160，将MES层的PROFIBUS-DP总线信息转换成Modbus总线信息，再通过MGS-801进行Modbus协议与GPRS之间的转换，最终实现GPRS对现场总线控制系统的远程实时监控[13]。

网关PM-160是Modbus协议与PROFIBUS-DP协议的转换器，在PROFIBUS-DP侧是从站，通过西门子PLC系统对其配置。网关PM-160在GPRS侧是主站，连接MGS-801网关。MGS-801网关是Modbus总线协议与GPRS协议的转换器，在Modbus侧作为从站并通过主站完成对从站的设置。在GPRS侧通过无线互联网进行信息交换，将MGS-801网关与PC机的USB接口连接，通过网关软件对其配置；配置好参数后，将其下载到网关即可[14]。

2 试验项目的调试与运行

试验系统自下而上逐级进行调试。首先，调试现场总线控制系统；在系统达到控制要求之后，调试FCS与MES之间的数据交换；最后，调试GPRS远程监控系统。现场总线控制系统是对水箱水位的控制，设计及调试的重点是控制器Omron PLC的控制程序，通过比例、积分和微分作用的配合，达到控制要求即可。MES层设计调试的重点是监控系统的组态，包括过程参数和设备状态的上传及监控画面的实时更新，控制指令的下达。必须保证FCS与MES控制的一致性。网关调试的重点是控制器和网关的主从关系、主从站地址配置和存储器的地址分配。网关PD-100S在DeviceNet侧的起始地址和地址长度是现场控制器PLC指定的，在现场层上传的数据信息可以在现场控制器PLC分配给PD-100S地址寄存器读取。此数据也可以由西门子PLC系统分配给网关PD-100S的地址寄存器中同时读取，但必须是一一对应的，方可说明FCS与MES之间数据交换调试成功。GPRS系统调试时需要对MGS-801和PM-160进行联合调试，MGS-801的Modbus地址、PM-160的Modbus地址、PM-160的Profibus-DP地址，需要作一一对应，并监测数据发送和接收的正确性。

通过硬件集成、软件组态和系统调试，水箱水位控制系统可以在Omron PLC的自动控制下正常运行，MES层工程师站和操作员站可以实时显示参数及设备状态。当通过操作员站设置给定值扰动后，FCS能够实现对水位的稳定控制。FCS和MES之间的数据交换可在地址寄存器中进行监视；通过手机可以实现对现场总线控制系统的远程监视和启停控制。

3 结束语

远程实时监控的多协议现场总线控制系统是涉及大量自动化专业知识的创新性试验项目，特别是技术含量较高的PLC、FCS、监控组态和网络化通信等技术。通过提升试验室现有设备的硬件组合和功能，有效提高了试验资源的利用率。试验项目具有综合性和科学性，符合学科特点，能够有效培养学生的综合实践能力。该研究注重试验的方案设计和操作过程，鼓励学生发挥自身的探索能力和创新能力。基于现有设备和试验基础，深入发掘试验的功能，及时更新试验设备，还能够开发出更多具有创新性和综合性的试验[15]。在本科生试验教学中开展此项目，学生参与了多协议系统的设计、设备的选型、硬件的搭建、功能的探究和开发，学习了新设备的使用，提高了专业知识的应用能力，培养了解决实际问题的能力。学生在自动控制、网络通信、程序编写及系统调试方面得到不同程度的提升。

本文设计的综合性试验项目，在传统试验的基础上更突出试验内容多元化、试验项目层次化、试验过程自主化，为学生提供更多的独立思考、独立试验、独立解决问题的机会，引导学生运用现有知识展开复杂问题研究，逐渐培养学生的创新思维和科研素养。