西门子模块6ES351-1AH02-0AE0
目前，石油化工行业中使用的微机发油控制系统大都采用自行开发的单片机系统控制油泵，并通过RS-485总线与PC机的串口（使用RS-232转485转换器）相连，依靠上位机管理软件监控下位机。但化工行业中的设备复杂，且RS-485总线方式抗干扰性弱，使得系统稳定性下降，调试复杂。本系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术，下位机为抗干扰性极强的PLC，上位机通过专用PROFIBUS通讯卡CP5611构建的整套系统，分布性、可靠性与可扩展性都得到了极大的**。本文章通过结合现行开发的基于PROFIBUS-DP的石油化工发油控制系统，主要介绍了现场总线技术，以及如何实现PROFIBUS总线与PLC通讯的相关技术。
关键词：PROFIBUS-DP;PLC;现场总线;
引言
自动化控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线（fieldbus）正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（fieldbus control system），是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的基于现场总线的新一代控制系统。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线（FF，Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是当前为流行的现场总线技术之一。
PROFIBUS是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。PROFIBUS于1996年成为欧洲标准EN50170，1999年底成为IEC61158的组成部分，已被全世界接受。
PROFIBUS根据应用特点可分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。
PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。
PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，**大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。
PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。
1 PROFIBUS 基本特性
1.1 协议结构
PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498以开放系统互联网络OSI为参考模型。PROFIBUS协议结构采用OSI的层、第二层和第七层。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据和应用软件。
1.2 传输技术
由于单一的传输技术不可能兼顾传输可靠性、传输距离和高速传输等要求，PROFIBUS提供三种类型：DP和FMS的RS485传输;PA的IEC1158-2传输;光纤（FO）传输。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之间可通过DP/PA耦合器（Coupler）或链接器（bbbb）相连接。
1.3 存取协议
PROFIBUS的DP，FMS，和PA均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第二层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和从站之间的主从方式。任意时刻只能有一个主站拥有令牌，直到该主站的时间片用完或已无信息传递，才将令牌按一定的环路传给下一个主站。这样保证每个主站在一个有限时间内得到总线的控制权。同时主站与从站采用轮询（Polling）存取方式，这样系统配置可能实现下列三种：纯主-从系统;纯主-主系统;混合系统。
2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式
SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论是独立运行还是相连成网络皆能实现复杂控制功能。此系列PLC的CPU型号有：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM。本控制系统采用CPU224，它具有四种通讯方式：
一：PPI方式
PPI通讯协议是通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，物理上采用RS485电平，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通讯网络是一个令牌传递网。
二：MPI方式
S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。
三：自由通讯方式
S7-200可以由用户自己定义通讯协议，与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯。波特率高为38.4kbit/s（可调整）。
四：PROFIBUS-DP网络
在S7-200系列的CPU中，都可以通过增加EM277扩展模块的方法支持PROFIBUS DP网络协议。高传输速率可达12Mbit/s。
3 现场信号与系统监控软件之间的连接桥梁——OPC
现场总线作为开发的控制网络能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信息出现在计算机的各应用平台上，OPC完美地解决了此类信息传递问题。OPC（OLE for Process Control）是过程控制中的对象链接嵌入技术，建立在bbbbbbs的对象链接嵌入（OLE，bbbbbb bbbbing and bbbbbding）、部件对象模块（COM，Component bbbbbb Model）、分布部件对象模块（DCOM，Distributed Component bbbbbb Model）技术的基础上进行开发的。OPC是一个开放的接口标准、技术规范。它的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各客户/服务器之间可组成如图1所示的链接方式，各客户/服务器间形成即插即用的简单规范链接关系。
图1
有了OPC作为通用接口，就可把现场信号与上位机监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与PC机的某些通用开发平台链接起来，如VB,VC++,Excel等。这样给我们开发上位机监控软件带来很大的方便。
4 系统实例简介
在石油工业中，由于控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，所以在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和现场总线技术如PROFIBUS。在智能发油控制系统中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224控制发油泵，并通过PROFIBUS-DP现场总线由工控机（或PC机）进行监控。
4.1 智能发油控制系统组成
本系统是由PROFIBUS-DP构成的单主站系统，具有简单设备一级的高速数据传输特性。系统组成如图2所示。
图2
（1） 整个控制系统连接在两路PROFIBUS-DP总线上，每路总线包含一个总站和20个DP从站，两个总站和开票机构成局域网，主站和从站之间为主从关系。
（2） 两个工控机主站和发票机通过TCP/IP协议，组成局域网。
（3） 系统以SIMATIC工控机作为DP类型2主站，通过现场总线接口卡CP5611使工控机与PROFIBUS-DP总线相连，能完成组态、运行、操作等功能。主站上的应用程序与CP5611的信息传递采用OPC通用接口服务软件实现。
（4） 每个从站完成对两路发油系统的监控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模块，通过EM 277扩展模块以DP从站形式接入PROFIBUS-DP网络，按主/从模式向上位机发送数据。
4.2 智能发油控制系统的软件设计
软件部分包括bbbbbbs 2000操作系统、SIMATIC OPC接口服务软件、主站监控软件和从站编程软件。
4.2.1 从站发油控制系统PLC通信接口软件设计
从站发油控制系统的PLC采用了SIMATIC S7-200的配套编程工具Step7，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理等功能。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成，其中OB是系统操作程序与应用程序的接口界面，用于控制程序运行;FB、FC是用户子程序;DB是用户定义的数据存储区，在本系统中它是上位机监控软件与Step7程序的数据接口点，配置与其相对应的DB块就可实现上位机监控软件OPC与Step7程序的数据接口。其通信接口程序如下。
CALL “DP-SEND”
CPLADDR：=W#16#170
SEND ：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240
DONE ：=M0.0
ERROR ：=M0.1
STSTUS ：=MW1
CALL DP-RECV
CPLADDR：=W#16#170
RECV ：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240
NDR ：=M128.0
ERROR ：=M128.1
STATUS ：=MW46
DPSTATUS：=MB120
L DB2.DBW 0
L 0 == I
JC m001
CALL FC 63
M001: NOP 0
CALL FC 64
4.2.2 主站通信接口软件设计
工控机作为主站，是通过通讯卡CP5611与从站进行数据交换的。选择操作系统控制面板的Set PG/PA Interface 选项，对其硬件进行设置，可自动完成总线各部分配置。但对于自行开发的、带有Profibus-DP接口的从站，需要自己编写一个＊.GSD文件加入到配置库中。本系统将EM 277的GSD文件加入至OPC服务接口配置库中，完成对总线配置后，即生成一个ldb文件供系统运行使用。
4.2.3 工控机人机界面设计
工控机的人机界面设计，即发油控制管理系统，以bbbbbbs 2000操作系统作为平台，通过标准通讯接口OPC，采用Microsoft VC++程序设计语言编制程序，完成系统的控制要求，实现对油库的储运收发过程进行监控和管理。开票机开出发票后，通过局域网将信号传给发油机，发油机则使用PROFIBUS-DP网通知下位机PLC，由PLC控制油泵，并检测油量计和温度，自动完成发油过程。图3为发油机主程序流程图。图4为PLC S7-200主程序流程图。
图3
图4
5 结束语
工程实践证明,本控制系统采用PROFIBUS-DP网络技术实现分布式控制,网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，**了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求1引言
为确保性能可靠，铁路内燃机车用柴油机每次大修后需进入柴油机试验站进行台架试验，经验收合格后方可装车运行。实现柴油机台架试验自动控制的主要困难是：一、程序复杂，步骤繁多，逻辑关系复杂，各种条件相互关联；二、所测参数种类众多，整个试验过程需检测温度参数33种，压力参数51种，转速3种，电流4种，电压4种，**2种，共计97种，报警种类82种；三、现场环境恶劣，高温潮湿，主发电机等其它各种电机的电磁干扰强（高电压770V，大电流4800A），机械震动大，这些都对控制设备的抗干扰性和可靠性提出了较高要求。
基于这种情况，并结合锦州机务段的实际情况，我们开发了一种基于现场总线控制系统结构SHCAN2000的柴油机试验站自动测试系统，解决了上述问题，并通过FIX组态软件实现了以下几项基本功能：①、自动控制试验过程；自动采集全部数据，并对采集到的数据进行管理；自动进行故障报警，对报警记录进行保存；②、开通网络接口，接入企业内部局域网；③、根据现场提供的基本性能参数和所采集数据，对试验柴油机进行质量评定；④、根据故障报警所示信息，进行初步的自诊断，以方便查找故障处所。
2系统体系结构
2.1柴油机试验站结构
锦州机务段16V240ZJ型柴油机试验站主要由柴油机、11个各种电机及其它控制设备组成（如图1所示），采用“SHCAN2000型现场控制系统”
2．2SHCAN2000分布式控制系统
（1）SHCAN2000的硬件体系
本系统控制部分采用现场总线控制系统，对大修柴油机的运行性能进行监测，由于采用FCS进行监控，与以往测试方案相比，其突出特点为高可靠性和方便的扩充能力，系统结构如图2所示。
现场总线控制系统”示意图
系统配置2套工业PC机同时监测试验柴油机的全部运行参数及设备的运转状况，每台上位机都可以独立地构成整个系统的监控操作站，且互不干扰，不分主次、三重冗余，互为热备份。若用户对于生产、管理方面提出新的要求需对上位机系统进行扩充，只需拉一根双绞线即可实现，对系统原配置无需任何改动，从而满足了建立全厂控制一管理一体化的需要。
SHCAN2000型系统的总线通信标准采用CAN2．0B。CAN总线的短桢结构、CRC校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性，具有较强的抗干扰能力。在柴油机试验站现场高温、油水和强电磁干扰下，从未出现通信故障，证明了CAN总线通信的高可靠性。
（2）SHCAN2000的软件体系
SHCAN2000系统选用美国Inbbblution公司的汉化FIX DMACS作为组态软件完成人机界面（MMI）和数据的操作管理，软件操作平台采用bbbbbbs 2000，通过自行开发的网卡和I／O驱动程序（SHCANIO）实现FIX与SHCAN智能测控组件的连接，从而形成功能强大的系统。
SHCAN2000系统中的软件包括两大部分：
①运行在监控站PC上的FIX DMACS、I／O驱动、SHCAN2000下载与调试程序（SHCANCFG）。
②运行在SHCAN智能测控组件中的SHCAN组态软件部分。SHCAN2000软件结构如图3所示：
3系统功能实现
3.1归纳数学模型
本柴油机测控系统能够自动完成16V240ZJB/C型柴油机的全部出厂试验。整个试验共包括三类工况：①、磨合试验工况（包括19种试验工况）；②、调整检查试验工况（包括13种试验工况）；③验收试验工况（包括13种试验工况）。整个试验流程复杂，项目繁多，每种工况又包括多个小项，需控制的开关量众多，多达30多个。累计试验65小时。面对如此复杂的试验流程，为了清晰地描述柴油机试验的控制过程，我们首先归纳出系统的数学模型。
柴油机试验流程的控制包含开关量的逻辑控制和柴油机转速的闭环调节，两者紧密结合，各工况的切换主要以计时为基准同时又要兼顾不同级别的82种报警而采取不同的应急措施。为了清楚地分析柴油机试验过程中不同状态下的控制内容，我们将柴油机试验按控制逻辑分解成若干步骤，依试验项目不同，步骤数目也不同。限于篇幅，只列出调整试验部分流程表格。
通过以上流程图，我们分析试验流程中的控制关系。一方面，在不同的试验项目以及每一个试验项目的不同试验步骤，每个开关都具备一个确定的状态逻辑，柴油机功率的调节内容也由相应的试验步骤决定；另一方面，每一个试验步骤的切换逻辑由32个线路开关的状态逻辑和柴油机工作状态标志位决定。这样开关、步骤之间相互制约，建立起逻辑上的互锁关系，试验流程的开关量部分的框架就这样建立起来了。模拟量调节内容依据试验步骤标志，由分支程序选择不同的闭环调节。当被控量达到给定值时，会产生标志位，满足步骤切换逻辑，试验进行下一步。这样试验流程就会依次自动进行下去。由于所测柴油机型号不同，切换的条件和报警值不同，因此每次试验开始前，都要进行柴油机型号、增压器型号、测速电机型号的选择。若遇特殊情况，可随时切换到总手动进行人工干预。步骤逻辑和工况切换条件的数学表达式可以概括如下（其中Step（N）代表第N种试验工况，Step（M）代表某种工况的第M步骤，Step（M,N）代表M工况下第N步，work代表手动或自动模式，Type代表柴油机型号）。
在这里工况的切换主要以计时为主，辅以各开关量和报警级别来实现。它们不分主次，相辅相成，试验步骤与开关“互锁”，并且步骤逻辑自身可以“自锁”。这种按步骤归纳逻辑关系的方法能够把开关量连锁控制与模拟量调节结合起来。在工业生产现场大量存在一种控制方式，包含开关量逻辑控制和模拟量闭环调节，二者要求同样严格，不分主次。
3．2现场总线条件下系统功能实现
柴油机试验过程中，各设备关系紧密，需要共同配合完成试验流程，试验台的控制必须兼顾各个设备，作为一个整体进行控制。而控制分散在现场，所以各个测控单元的信息必须是开放的、可以与其他单元共享。CAN总线的多主性通信方式使网络上节点之间可自由通信。SHCAN2000现场总线控制系统中提供了CAN总线网络和现场智能测控单元构成的分布式实时数据库，实现了自由、开放的通信方式，使得系统内任何单元的测控数据和设备状态，对于其他单元都是可见的，从而使试验台的整体控制成为可能。依据现场功能的不同方面，SHCAN2000现场控制单元可按以下组态方案实现：
（1）通信功能
通信包括现场与上位机的通信、现场单元之间的通信。为了实现控制信息共享，在现场单元分布式实时数据库中，每个设备的控制信息都通过CAN总线同地址映射到相同地址单元，实现了大范围的信息共享。例如，需要访问柴油机功率是否达到给定值标志位，各控制单元只需访问本地数据库的S17N10单元即可。现场单元与上位机以及现场各个单元之间的通信由模块实现,且有分频器模块控制通信速率，使CAN网络不致阻塞。
（2）控制功能实现
控制功能包括开关量控制、工作点调节和流程的控制。开关量控制通过开关量运算模块，实现步骤切换逻辑运算和开关状态逻辑运算。柴油机转速的控制采用闭环控制，并设置前馈控制，以达到**控制转速的目的，减少中间继电器的动作频次，延长使用周期；同时还可根据需要进行人工干预。在试验进行中，根据检测到的油水温和设定的上下限报警值，自动调节三个热交换器阀门的开度，使柴油机工作在正常的油水温下。
3．3上位机监控管理软件
上位机的监控管理软件采用美国Inbbblution公司Fix6．15,实现系统的监控和管理。监控界面由模拟试验线路、虚拟仪表和操作按钮组成。试验员可以通过模拟试验线路观察电路开关状态；试验主画面显示当前所属工况、进程、主要的监视参数、各开关状态、各种按钮及所发生的报警；温度总览画面显示全部的温度参数；压力总览画面显示全部压力参数，其它总览画面显示电流、电压、**、转速等参数，不同画面间通过虚拟按钮可任意切换。FIX与现场的数据交换由自行开发的I／O驱动程序——现场测控单元的通信模块来完成现场实时数据的“上传”和上位机组态数据、控制命令的“下达”。柴油机发电机组的温度、压力、电压、电流、转速的超限保护动作由现场智能测控模块完成，一旦发生报警，在发出灯光和声音报警信号的同时，自动采取相应的应急措施并自动弹出对话框，提示相应的检查项目，同时上位机保留这些报警事件的历史纪录（发生时间，超标准限值，操作者等），以备查询、参考。本系统中不同的操作权限具有不同口令保护，使试验操作员和系统工程师权限不同，各司其职，消除由操作员误操作带来的对系统组态功能的破坏。作为试验的终结果，试验报表系统是由FIX组态软件调用Microsoft Office Excel电子表格软件自动生成报表，同时长期保留整个试验过程历史数据库
扩展至较大的系统