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选矿厂现场总线控制系统设计,毕业设计
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第 i 页 选矿厂现场总线控制系统设计 摘 要 目前，冶金行业中的生产控制系统部分大量使用的 DCS 系统控制，并通过线缆和 PC 机的 I/O 相连，依靠上位机管理软件监控下位机。但冶金行业中的设备复杂，且 DCS 系统控制相对集中，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-DP 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提高。本文章通过结合现行开发的基于PROFIBUS-DP 的选矿控制系统，主要介绍了现场 总线技术，以及如何实现 PROFIBUS 总线与PLC 通讯的相关技术及上位机和下位机的组态。 关键词 :PROFIBUS-DP， PLC，现场总线，组态 nts 第 ii 页 The Design of Field Control System in the Mill Run Abstract At present, DCS control system is widely used in metallurgy industry, relying on upper system managing softwares monitoring lower system through the connection between cable bus and I/O in PC. However, the equipments complexity in metallurgy industry and centralized control in disturbance suppression lead to the declining of system stability and the complication of debugging. This system adopts the PROFIBUS-DP Fieldbus technology in which upper system is PLC that is not easy to be disturbed and upper system constructs the whole system through the special PROFIBUS-DP communication card CP5611, which results in the huge increasing of distribution, reliability and expansibility. This article mainly introduces the way to realize the communication between the PROFIBUS bus and PLC using fieldbus technology combined metallurgy control system based on Profibus-DP and the configuration of the upper system and the upper system. Keywords: Profibus-DP, Programmable logic control, FieldBus, Configuration nts 第 I 页 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 扩能任务及课题的提出 . 1 1.3 本文所作的工作 . 1 2 选矿厂工艺简介 . 2 2.1 竖炉焙烧系统 . 2 2.2 球磨浓度系统 . 2 2.3 磁选部分 . 2 3 现场总线技术 . 3 3.1 现场总线的特点和优点 . 3 3.1.1 现场总线的结构特点 . 3 3.1.2 现场总线的技术特点 . 5 3.1.3 现场总线的优点 . 6 3.2 PROFIBUS 概貌 . 7 3.2.1 PROFIBUS 的特点 . 7 3.2.2 PROFIBUS-DP 的概述 . 8 3.3 选矿厂现场总线控制系统的实施方案 . 10 3.3.1 系统设计思想 . 10 3.3.2 系统软硬件要求 . 10 3.3.3 网络系统设备组件 . 10 3.3.4 系统功能 . 13 3.3.5 PROFIBUS-DP 主站的组态 . 13 3.3.6 PROFIBUS-DP 从站的组态 . 17 3.3.7 通过 OPC 读写 PLC 数据 . 19 4 系统监控与组态 . 21 4.1 控制系统的集中监控 . 21 nts 第 II 页 4.2 组态王软件 . 22 4.2.1 组态王的工作原理 . 23 4.2.2 组态画面设计 . 24 4.2.3 组态王与 S7-200 的 PROFIBUS-DP 通信方式 . 29 4.3 组态王组态软件的应用现状及发展前景 . 32 5 现场控制网的组成 . 33 5.1 现场总线于 DCS 系统 I/0 总线上的集成 . 33 5.2 现场总线于 DCS 系统网络层的集成 . 35 5.3 现场总线通过网关与 DCS 系统并行集成 . 36 5.4 应用前景 . 37 6 现场总线的发展趋势和前景 . 39 6.1 现场总线技术的发展趋势 . 39 6.2 现场总线应用工程的发展趋势 . 40 6.3 现场总线的前景 . 41 7 结论 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 45 nts 第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景 2005 年，酒钢选矿厂系统扩能、改造。 之前，酒钢选矿厂有 22 座 100 立方米竖炉 、 8 个磨矿系列、 10 台 SHP-3200型强磁选机、 5 台 50 米浓缩机、 18 台过滤机以及配套的矿石输送和动力供应系统，形成了矿石还原焙烧磁选和粉矿强磁选两大生产工艺流程，涉及年处理原矿 500 万吨。 扩能改造方案设计处理铁矿石为 650 万吨，年生产铁精矿为 333 万吨。增加的主要设备有： 4 台 100 立方米双层燃烧室竖炉； 4 台 3235 球磨机； 9 台SLON2000 型高梯度强磁选机； 6 台旋流器组； 2 座 25 米高效浓缩大井等。 1.2 扩能任务及课题的提出 我们模拟设计扩能可分为 4 部分：铁矿竖炉焙烧部分、球磨部分、溢流浓度部分 和现场总线控制系统部分。本文就是对其中的第四部分 现场总线控制系统部分进行一些设计和研究。 系统新增的设备比较多，原有控制系统预留部分已不能满足此次扩能改造的要求，需增加相应的网络及控制站。 1.3 本文所作的工作 本文主要进行选矿厂现场总线技术的研究与设计，在研究的基础上采用 PC机、 S7 200 和通信模块卡件等组成硬件系统。为了进行更好的验证以及更快的将研究成果应用到工业现场，本文将使用软件 STEP7-MICROWIN3.2、 SIMATIC NET6.0 和组态王 6.5 实现对的上位机与下位机硬件及软件组 态和控制，从而使这个计控系统对整个选矿厂现场设备进行统一管理和控制，进一步提高原有及新增的设备的生产能力，仅而提高效率达到增产的目的。 nts 第 2 页 2 选矿厂工艺简介 E - 1 1溢 流 槽分 级 机焙 烧 炉球 磨 机磁 选 机水水矿石矿 液烘 干精 矿图 1.1 选矿厂工艺流程图 2.1 竖炉焙烧系统 竖炉内的加热过程为还原焙烧过程。还原焙烧是在还原气中焙烧矿石。通常要向物料中添加还原剂（高炉煤气和 CO 的混合气体）。采用的还原剂有煤粉和碳粉。铁矿过程中还原焙烧主要用于增加铁矿的磁性，其目的均是使赤铁矿和褐铁矿还原成四氧化三（一种强磁性物质），这 就可以在弱磁场磁选机内进行磁选富集。 2.2 球磨浓度系统 球磨浓度系统是冶金行业选矿过程中一个复杂而又重要的环节，矿石在球磨机内受钢球的作用被研磨成粒度在几十 m 左右的细矿。生产过程中，要实时监控给矿量、给水量以及加球量等诸多因素，才能达到最佳的磨机生产率，而影响磨机生产率的主要操作因素是球磨机的磨矿浓度。 在磨矿过程中需严格控制加水量，保证球磨机内合适的磨矿浓度。对给水量的实时控制，成为磨矿浓度系统控制的关键所在。 2.3 磁选部分 本部分的功能主要由磁选机来完成。 磁选机适用于实时选别细颗粒的强性矿物 ， 它 可以连续给矿和排矿、磁场深度大，工作间隙大，具有较高处理能力。其原理是当矿浆进入磁场区时，其中强磁性矿物被吸附在圆筒表面，弱磁性矿物被甩排出，而吸附在原表面上的强磁性矿物随圆筒旋转，被带出磁场区，用冲洗水冲入精矿槽中，完成分选作业。 nts 第 3 页 3 现场总线技术 进入 20 世纪 90 年代，工业生产的规模越来越大，生产的过程也日益强化；并且人们对环境保护和生产安全的意识也更加提高，国家也制订了与之有关的规程或法令。此外，随着经济的国际化，企业之间的竞争不可避免，这就迫使企业的生产向着稳产、高效、优质、节能、环保与安全的方 向发展。因此对生产过程进行监测与控制的点数与质量要求也越来越高。因此，寻求现场仪表的数字化、智能化，使大量的一般控制功能下放到现场去解决，以减少主机的负担：同是通向控制室的电缆数量也要求减少。因此，现场总线就充当了这种角色，而解决了此问题。 现场总线控制系统是采用现场总线作为通信系统的控制系统。现场总线控制系统将使控制得到最终的分散，从而使 DCS 系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度等工作。现场总线控制系统把控制功能移到现场，减少了 DCS 系统所需的空间，减少了输入输出的 接口，减少了机柜的空间和附属设备，例如安全隔离栅、接线端子等。 现场总线是上位机与现场进行数据交换的协议，是用于现场仪表与控制室系统的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它是一种在制造业自动化和过程自动化领域有着广泛应用的、与设备制造商无关的、开放的现场总线标准。 3.1 现场总线的特点和优点 3.1.1 现场总线的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控制系统采用一对一的设备连接，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关 、电动机之间均为一对一的物理连接。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪器可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底nts 第 4 页 的分散控制。现场总线控制系统（ FCS）与传统控制系统（如 DCS）结构对比如图 3.1： 操作站L A N控制站4 传统的模拟仪表操作站L A N服务器P R O F I B U S - DPH 1D e v i c e N e t现场总线L o n W o r k s现场总线现场设备图 3.1 FCS 与 DCS 结构比较 由于采用数字信号代替模拟 信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要 D/A、 A/D 转换器件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接线缆与各种安装、维护费用创制了条件。表 3-1 为 FCS 与 DCS 的详细对比。 FCS DCS 结构 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号 可靠性 可靠性：数字信号传输抗干扰能力强，精度高 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰 互换性 用户可以自 由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的同类仪表互连。即使某台仪表故障，换上其他品牌的照样工作，实现“即接即用”。 尽 管 模 拟 仪 表 统 一 了 信 号 标 准（ 420mA） DC，可是大部分技术参数仍由制造商自定，致使不同的品牌仪表不能互换。 nts 第 5 页 仪表 智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能 控制 控制功能分散在各个智能仪表中 所有的控制功能都集中在控制站中 表 3.1 FCS 与 DCS 的对比 3.1.2 现场总线的技术特点 （ 1） 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可以进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力与建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备和系统相连。一个具有总线功能的现场总线系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 （ 2） 互可操作性与互用性 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系 统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。可互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 （ 3） 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 （ 4） 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系机构，从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 （ 5） 对现场环 境的适应性 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境nts 第 6 页 工作而设计的，它可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现电力传送与通信，并可满足安全防爆要求等。 3.1.3 现场总线的优点 1. 用户对产品的选择权增至最大。采用现场总线标准的智能仪表不仅具有强大的各种功能，而且，由于具有可互操作性，使得用户不必为所选仪表是否能与原有的仪表、接口互配而烦恼。 2. 消除了 4 20mA 模拟仪表通信的瓶颈现象。 3. 降低现场安装费用和减少相应的设备。 4. 为用户提供更 多的功能。由于采用双向通信，因此，用户可以在控制室通过现场总线对位于现场的智能仪表进行标定、校验和进行故障的诊断等，用户可以得到仪表的更多信息，例如仪表位号、最近一次标定的时间等。此外，由于控制功能下移到变送器或执行器，是采样周期缩短，控制质量提高。 5. 增加了系统的自治性。采用现场总线标准的智能仪表后，操作人员可以在控制室方便地对生产过程进行监视、操作和控制。原分散过程控制装置的功能在现场仪表中实现，从而增加了系统的自治性。 6. 提高了系统的监测精度。 7. 系统组态简单，安装、运行和维修方便。现场总线仪表的组态可以在 控制室进行，它的调试也比模拟仪表方便和快捷。自诊断的功能是维修变得十分方便。 在信息技术飞速发展的同时，自动化领域也发生了深刻的技术变革，产生了自动化领域的开放系统互连的通信网络 现场总线控制网络，形成了全分布式网络集成自动化系统。由现场总线构成的控制系统成为工业企业网中控制网络的典型模式。现场总线控制系统用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用，为实现企业“综合自动化”奠定了现场级的过程自动化基础。基 于计算机网络技术、现场总线技术、控制系统技术等融合的现场总统控制网络技术，属于综合性、实用的技术，因此现场总线控制技术已经成为世界上新的自控技术热点，被誉为跨世纪的自控新技术。 nts 第 7 页 3.2 PROFIBUS 概貌 PROFIBUS 是作为德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线，ISO/OSI 模型也是它的参考模型。由 PROFIBUS-DP、 PROFIBUS-FMS、 PROFIBUS-PA组成了 PROFIBUS 系列。 DP 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。 FMS 为现场信息规 范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而 PA 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 IEC1158-2 标准。该项技术是以西门子公司为主的十几家德国公司、研究共同推出的。它采用 OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集， DP 型隐去了第 3 7 层，而增加了直接数据连接似合作为用户接口， FMS 型只隐去了第3 6 层，采用了应用层，作为标准的第二部分。 PA 型的标准还处于制定过程中，其传输技术遵从 IEC1158 2（ H1）标准，可实现总线供电与本质安全防爆。 PROFIBUS 支持主 从系统、纯主站系统、多主多从系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权、可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内具有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按 PROFIBUS 的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主 从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播（不要求应答），或有选择的向一组站点广播。 PROFIBUS 的传输速率为 9.6Kbit/s 12Mbit/s，最大传输距离在 9.6Kbit/s时为 1200m，在 12Mbit/s 为 200m，可使用中继器延长至 10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂 127 个站点。 PROFIBUS 协议通常用于实现与分布式 I/O（远程 I/O）的高速通讯。可以使用不同厂家的 PROFIBUS 设备。这些设备包括普通的输入 /输出模块、电机控制器和 PLC。 3.2.1 PROFIBUS 的特点 PROFIBUS 定义串行现场总线系统的技术特征。串行现场总线可以从现场级到单元级，使分散的数字可编程的控制器形成网 络。 PROFIBUS 是一个多主站系统，他允许若干个带各自从站的分散外设的自动化系统、工程系统或可视化系nts 第 8 页 统在一条总线上联合运行。 PROFIBUS 分为主站设备和从站设备两类。 ( 1 ) 主站设备（ Master device）决定总线上的数据通信。当主站持有总线存取权时，它可以发送报文而不需要有外部请求。主站也称为主动站。 ( 2 ) 从站设备（ Slave device）时外围设备，如设备、阀门、驱动器和测量变送器等。它们没有总线存取权，他们只能应答所接收到的报文或当主站请求时向主站回发报文。从站称为被动站。由于它们只需要实现总 线协议的一部分功能，因此其实现特别经济。 3.2.2 PROFIBUS-DP 的概述 1. 概述 PROFIBUS DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（ PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外， PROFIBUS-DP 还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态诊断和报警处理。 2. PROFIBUS-DP 的特性及系统组成 （ 1） PROFIBUS-DP 的特性 PROFIBUS-DP 使用物理层，数据链接层和用户接口，用于现场层的 高速数据传送。主站周期地读取从站地输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。此外， PROFIBUS-DP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。 PROFIBUS-DP 基本功能和特性如下 : (1) 远程高速通信 支持 9.6Kbps 到 12Mbps 的传输速率 ; 12Mbps 时最大传输距离为 100m，1.5Mbps 时为 200m，另外还可以用中继器延长 ; (2) 分布式结构 各主站间令牌传递，主站与从站为主从传送 ;每段可有 32 个站，用连接线可扩展到 126 个站 ; nts 第 9 页 (3) 易于安装，开放式的通讯网络 ; (4) 可靠性高，具备自诊断功能。 PROFIBUS-DP 主站分为一类主站和二类主站。一类主站完成总线通信控制与管理，完成周期性数据访问，包括 PLC、 PC 或可做一类主站的控制器。二类主站完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断等，包括操作员工作站 (如 PC 机加图形监控软件 )、编程器、 HMI 等。 PROFIBUS-DP 从站主要进行输入、输出信号采集和发送，包括 PLC 或其他控制器、分散式 I/O、智能现场设备等。 3. 系统组成 为便于叙述和理解，现组成一个双主站单从站的 PROFIBUS-DP 网络，如图 3.2 所示。具体配置如下 : 图 3.2 PROFIBUS-DP 网络 (1) 硬件 :带 Siemens CP5611 卡的 PC 机两台，一台配置为一类主站，另一台配置为二类主站 ;从站为 Siemens S7-200 系列 PLC 的 CPU224 一块，带 Siemens EM277-DP 通讯模块 ;三个网络连接器 ;连接线为 9 针 D 型连接线。 (2) 软件 :用于软件编程的 STEP7-MICROWIN3.2和用于实现 PROFIBUS-DP协议网络配 置的 SIMATIC NET6.0。 nts 第 10 页 3.3 选矿厂现场总线控制系统的实施方案 3.3.1 系统设计思想 酒钢选矿厂自动控制系统由三个子系统构成 : 竖炉焙烧系统：由 S7 200 PLC 2#机和上位监控系统组成，主要完成对铁矿石进行焙烧和还原，实现对燃烧室温度、还原煤气流量、炉顶负压的闭环控制。 球磨控制系统：由 S7 200 PLC 3#机和上位监控系统组成，主要完成对烧结后的矿石进行研磨，实现对球磨机给矿量及磨矿浓度的闭环控制。 磨矿溢流浓度控制系统：由 S7 200 PLC 4#机和上位监控系统组成，主要完 成出料浓度和溢流槽液位的控制。 PROFIBUS 现场总线是当今国际上比较流行的一种现场总线 ，具有很好的灵活性和可靠性，在性能价格比上也占有很大的优势。 PROFIBUS-DP 具有快速、即插即用、效率高、成本低等特性。根据现场的实际应用条件，因此设计采用SIEMENS PROFIBUS-DP 网络构建选矿厂局域网系统。依据各系统的不同功能，该局域网分别以上述 3 个子系统作为网络节点（ 2#、 3#、 4#分站） ,并以上层的工业 PC 为主站。整个网络系统将完成三个系统内的各工艺环节重要设备信号参数的数据通信，通信数据在上位 机监控系统上进行实时显示，并实现对整个选矿生产的全面实时监控。 3.3.2 系统软硬件要求 * PC 机 4 台 ， Windows 2000 操作系统 * CP5611 通信板卡（ PROFIBUS-DP） 4 块 * S7-200 系列 PLC 三台及 Siemens EM277DP 通讯模块 3 块 * 9 针 D 型 电缆 （ PROFIBUS-DP） * 安装 STEP7-MICROWIN3.2 软件 * 安装 SIMATIC NET6.0 软件 3.3.3 网络系统设备组件 nts 第 11 页 根据 PROFIBUS 网络组网特点，经过对网络传输率、信息长 度、节点间距离及通信设备备件数量及类型等方面综合分析考虑，对整个选矿系统局域网络设计，采用 PROFIBUS DP 通信协议，通信模版选用 CP5611， S7 200 使用通信模块 EM277 应用 RS 485 传输技术，使用屏蔽双绞线作为通信媒介，通过这些硬件连接成 PROFIBUS DP 网络。该系统结构图如图 3.3 所示。由图可见，数据传输是通过 CP5611 通信模块（主站）向下面的 EM277（从站）进行通信的。 E M 2 7 7E M 2 7 7E M 2 7 7C P 5 6 11C P 5 6 11C P 5 6 11C P 5 6 11S 7 - 2 0 0S 7 - 2 0 0 S 7 - 2 0 02 号 号 号号 号 号 号号 号 号 号号 号 号 号 号 号号 号 号 号号 号 号 号 号3 号 号 号4 号 号 号P R O F IB IS - D P图 3.3 选矿系统配置图 一些硬件的定货号为 EM 277 PROFIBUS-DP 模块 6ES7 277-0AA22-0XA0 CPU224AC/DC/继电器 6ES7 214-1BD20-0XB0 CP5611 PCI 通讯卡 4380 6GK1 561-1AM00 PROFIBUS 网络电缆 6XUI830-0AH10 整个系统由 S7-200 完成现场采集，通过冗余的 PROFIBUS 现场总线与中央管理控制系统的冗余通信、数据服务器相连接，并使用组态王 6.5 软件进行所有可编程控制器的集中管理、组态和维护，实现整个选矿系统的控制、协调和管理，由此提 高了系统的可靠性、可用性、灵活性，优化了系统结构和性能。控制系统划分为三个技术层次，即现场控制层（包括中央控制器）、数据库服务层、中央管理层。 nts 第 12 页 （ 1）低层（现场控制层）：现场控制功能按层可分为铁矿竖炉焙烧子系统、球磨机给矿子系统、溢流浓度子系统三部分。其中每个子系统区域由区域控制器（ SIEMENS S7 系列可编程控制器）实现各部分相关信号的检测与控制。 （ 2）中间层（数据库服务层）：作为现场控制层与中央管理层之间的数据接口。一方面，数据库服务器通过 PROFIBUS 总线实现现场控制的数据记录与管理，另一方面， 服务器中的数据库又是上层即中央管理系统的数据来源。 （ 3）最高层（中央管理层）：负责实时监视系统状态，并根据需要控制现场设备动作、统计系统运行信息、调整系统功能等。 整个控制系统采用德国西门子公司的全集成自动化技术，由于硬件、软件之间的充分协调，以及在整个系统内完全一体化，使得系统的整体性非常高。各个区域控制器通过冗余的环形光缆 PROFIBUS 总线而成为一个整体，任何控制器都可以透明、快捷的访问系统中任一个输入 /输出点和进行信息交换如同人体血液流动一样自然通畅。 使用 EM277 将 S7-200CPU 作为 DP 从 站连接到网络 通过 EM277PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将 S7-200CPU连接到 PROFIBUS-DP网络。 EM277 经过串行 I/O 总线连接到 S7-200CPU。 PROFIBUS 网络经过其 DP 通信端口，连接到 EM277PROFIBUS 模块。 作为 DP 从站， EM277 模块接受从主站来的多种不同的 I/O 配置，向主站发送和接受不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多 DP 站不同的是， EM277 模块不仅仅是传输 I/O 数据。 EM277能读写 S7-200CPU 中定义的变 量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到 S7-200CPU 中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其他计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在 S7-200CPU中的变量存储器内，并可移到其他数据区。 主站通过将其输出区来的信息发送给从站的输出缓冲区（称为“接受信箱”），与每个从站交换数据。从站将其输入缓冲区（称为发送信箱）的数据返回给主站的输入区，以响应从主站来的信息。 EM277 可用 DP 主站组态，以接受从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。输出和输入数据缓冲区驻留 在 S7-200CPU 的变量存储器（ V 存储器）内。nts 第 13 页 当用 0 户组态 DP 主站时，应定义 V 存储器内的字节位置。从这个位置开始为输出数据缓冲区，它应作为 EM277 的参数赋值信息的一个部分。用户也要定义 I/O配置，它是写入到 S7-200CPU 的输出数据总量和从 S7-200CPU 返回的输入数据总量。 EM277 从 I/O 配置确定输入和输出缓冲区的大小。 DP 主站将参数赋值和I/O 配置信息写入到 EM277 PROFIBUS-DP 模块，然后， EM277 将 V 存储器地址和输入及输出数据长度传送给 S7-200CPU。 3.3.4 系统功能 组成网络以后，通过 PC 机管理人员简单操作即可实现对 每个子系统 实行集中监控。该系统主要有以下一些功能： 1对 设备的运行情况 进行远程监控：通过 PC 机上的简单操作，可以对每台机器的控制 。可以对每 个系统 的控制参数进行设置。 2实时监控：实时显示 各部分的 运行状态，同时显示温 度、压力等参数 ，并可以设定 PC 机及 HMI（ TP7）控制优先级。 3报警功能：能立即显示每个设备 当前产生的故障，同时能查询历史故障信息。 4曲线实时记录：能对温度 、流量、压力 以曲线的形式显示，从而根据曲线能够很好地分析控制规律，来对 控制程序实现实施优化。 5打印功能：能对 系统 运行的状态、温度曲线、故障信息等用户所关心的数据和信息进行打印，便于分析 选矿 系统的运行情况。 6联机帮助：用户可以通过联机帮助方便和准确地操作，有利于分析和解决一些问题。 3.3.5 PROFIBUS-DP 主站的组态 在这里我以对双主站单从站的 PROFIBUS-DP 系统进行硬件组态为例说明，系统结构如图 3.2 1. 一类主站的组态 在 PC1(一类主站 )使用 SIMATIC net 6.0软件来组态整个 PROFIBUS-DP网络。具体步骤如下 : nts 第 14 页 (1) 使用 SIMATIC 程序组中的 Configuration Console 设定 PROFIBUS 的模式为Configured Mode，插槽号随意，如图 3.4 所示 : 图 3.4 Configuration Console (2) 用 PC Station Wizard 进行一系列简单的设置后新建一个工程 设置 CP5611 的参数 :网络类型设为 PROFIBUS，站地址为 1(也可为其他值，但不能重复，其他站点地址的设定与此类同 );加上 PROFIBUS-DP 总线 (DP master system(1)，并把 CP5611 设为 DP-Master(即一类主站 )。导入 EM277 的 GSD 文件，在视窗右侧的从站设备栏里面就可以找到 EM277 模块了。将 EM277 图标拖到 DP 总线上，站地址为设置 2， V 存储器偏移量本例设置为 4000，然后根据需要设定 EM277 的发送和接收缓冲区大小。最后将配置结果下载到模块。结果如图 3.5 所示 : nts 第 15 页 图 3.5 一类主站的组态 至此，本 PROFIBUS-DP 网络结构一类主站与从站的主从关系已经确立了。下面接着配置二类 主站。 2. 二类主站的组态 (1) 同样还是在 PC1 上，在图 3.5 的界面中点击图标 (Configure Network)，弹出如图 3.6 的界面。添加一个 SIMATIC PC Station(此时这个 PC Station 还没有挂到 DP 网上 )，并双击它，弹出如图 3.7 的窗口 (此窗口与图 3 类同 )。手动添加 OPC Server 和 CP5611，槽位随意。将 CP5611 站点地址设为 3，从属于之前添加的 DP 网，并设定为 DP Master Class 2(即二类主站 )，将配置结果下载到模块。再次点击 ，可看到 PC Station 挂到 DP 网上了。 nts 第 16 页 图 3.6 Configure Network 图 3.7 二类主站的组态 (2) 现在操作对象转到 PC2 上。同样运行 Configuration Console，设置也与PC1相同。打开 PC Station Wizard新建一个工程。将 CP5611设为 DP Master Class nts 第 17 页 2，站地址设为 3，同样要从属于 DP master system(1)。将配置结果下载到模块。 3.3.6 PROFIBUS-DP 从站的组态 1. 从站的组态 为了将 EM277 作为一个 DP 从站使用，必须设定与主站组态中的地址相匹配的 DP 端口地址 (之前设定的地址为 2)。从站地址是使用 EM277 模块上的旋转开关设定的。在变动旋转开关之后，用户必须重新启动 CPU 电源。 EM277 输出和输入数据缓冲区驻留在 S7-200CPU 变量存储器 (V 存储器 )内，输入缓冲区紧紧跟随输出缓冲器。缓冲区的大小是由 DP 主站组态设定的 (之前设定为 8 Bytes Out/8 Bytes In)。组态后， EM277 可接收从主站来 的输出数据，并将输入数据返回给主站。主从站缓冲区的关系如图 3.8: 图 3.8 主从站的缓冲区 若 EM277 PROFIBUS-DP 从站模块为 I/O 链中的第一个智能模块，则它的状态信息从 CPU224 中的 SMB200 到 SMB249 获得 ;若 EM277 为第二个智能模块，其状态从 SMB250 到 SMB299 获得。只有 DP 主站才可以组态运行了 DP 方式下的EM277 DP 模块，用户不能通过改写有关 SMB 存储单元来组态 EM277 DP 模块的缓冲区大小或位置。 由表 3.1 中专用存储器字节的说明，不难写出 CPU224 的 DP 通信程序，见nts 第 18 页 表 3.2。 表 3.1 nts 第 19 页 表 3.2 3.3.7 通过 OPC 读写 PLC 数据 OPC(OLE for Process Control)是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于 Windows 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。可以通过 Siemens提供的 OPC Server 程序读写 PLC 中的数据。 1. 一类主站 PC1 读写 PLC 在 PC1 上打开 SIMATIC 程序组中的 OPC Scout，新建一个组名。打开新建组的“ OPC-Navigator”，在 DP 目录下的 Slave002 就是从站 CPU224， M00_I 和 M00_Q即对应从站的输入和输出缓冲区。将 M00_I 和 M00_Q 目录下的变量按需求添加nts 第 20 页 (如图 3.9)，确认后 OPC 就开始运行了。如果变量的“ Quality”显示“ good”，表示 OPC Server 程序已经通过 PROFIBUS-DP 总线协议和 PLC 建立了连接运行关系。此时不仅可以读取 PLC 中的数据，还可以向 PLC 写数据。 2. 二类主站 PC2 的数据访问 在 PC2 上同样打开 OPC Scout，新建组名。在该组名的“ OPC-Navigator”下添加二类主站相应的输入和输出缓冲区，确认。 PC2 就可以访问网络中的数据了，各数据的变化同 PC1 中的是同步的。 要注意的是 :当 PC1 的 OPC Scout 关闭的时候， PC2 的 OPC Scout 对 DP 网络的数据访问也中断了。这证明了 CPU224 仅仅从属于一类主站 PC1，而二类主站PC2 不能控制它 (仅能进行数据访问 )。 图 3.9 OPC-Navigator nts 第 21 页 4 系统监控与组态 随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂化，各个国家的组态软件已经相继问世。它融合自动控制技术 、计算机技术与通信技术为一体的，具有技术先进、功能完备、应用灵活、运行可靠等优点。它凝结着高科技成果，是实现全工厂自动化集中综合管理、功能及位置分散的组态软件。自 80 年代以来，世界各大控制系统公司都各自相继开发出具有各自特色的组态软件。我国也早已注视并引进了这一技术及系统，现在已经有了自己的组态软件 组态王，并开始有成效地应用到一些重点工程及大型石油、化工、电力、冶金、轻工等企业中。 4.1 控制系统的集中监控 监控部分的集中操作监控级（组态王）主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能。它把过程 参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行采集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。显示操作站的另一功能是系统组态，因此可进行控制系统的生成、组态。 显示操作站主要是由监控计算机、键盘、 CRT 显示器、打印机等几部分构成。 （ 1） 监控计算机 当今监控系统的显示操作站功能强、速度快、记录数据大，因此对显示操作站的监控计算机提出了很高的要求。一般监控系统的显示操作站的监控计算机都采用 16 位或 32 位的 微机，。目前许多新推出的监控系统采用工业 PC 机来做显示操作站的监控计算机。 （ 2） 键盘 在显示操作站中，有两种类型的键盘，一种为操作员键盘；另一种为工程师键盘。工程师键盘通常利用标准 ASCII 代码 101 键盘；操作员键盘则是面向操作工操作键盘，力求操作简单、直观、易掌握。 显示操作站为用户提供仪表化的操作环境，通过 CRT 操作来实现整个分散型控制系统的高效率运转。它是信息集中分配中心，也是显示操作的中心。具nts 第 22 页 有控制系统的生成、组态、集中监视操作、报警、显示、报表、通信等功能；显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统 的功能；操作员在运转整个系统时作必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时作必要的工程师功能。 （ 3） 操作员功能 操作员功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由画面指示构成。 （ 4） 工程师功能
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