基于PROFIBUS-DP的在尾矿脱水自动化

1  引言
               
　　随着制造业自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线技术应用日益广泛，它实现了数字和模拟输入输出模块、过程调节装置于可编程序控制器plc和pc之间的数据传输，把i/o通道分散到实际需要的现场设备附近，从而使整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本、设备调试和维修成本大为降低。现场总线profibus(中国国家标准gb/t 20540-2006 profibus规范)具有单元级领域的所有网络通讯功能，并能满足生产过程现场级数据可存取性的重要要求。笔者参与某铁精矿尾矿脱水处理系统生产自动化设计，本系统的特点是设备分布区域广，要求各设备既能单独控制完成自动循环，主控室主站也要能够给各设备发送控制数据，并采集各设备的运行数据便于分析和储存。根据系统特点要求采用profibus-dp高速现场总线通讯网络来构建整个系统，从而保证了系统的可靠运行。
            
2  系统组成
               
　　profibus-dp主要应用于现场级，是一种高速(可达12mbit/s) 和便宜的通信连接，它被设计为设备级自动控制系统与分散的外围设备之间的通信，可以承担现场控制与监控的通信任务，具有较高的性价比，是当今实现自动控制系统理想的总线技术。profibus-dp的网络协议采用了osi参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层和用户自己定义的用户层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，特别适合plc与现场分散的i/o设备之间的通讯。profibus-dp是一个主站/从站(master/ slave)总线系统，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息，主站可以是plc、pc 等；从站为外围设备(典型的从站包括输入/输出装置、阀门、驱动器和测量发送器等)，从站没有总线控制权，仅当接受到信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。profibus-dp有多种网络拓扑结构：总线形，星形，环形等。该系统采用总线形拓扑结构。
           
　　2.1 尾矿脱水处理自动化系统
               
　　该尾矿脱水处理系统由5台过滤设备和泵类风机等多台设备组成。自动化系统设计方案采用上位机+profibus-dp主站+从站的网络控制方式。上位机采用研祥工业控制计算机监控，组态软件采用simatic wincc6.2。上位机中插有通讯卡cp5611,通讯卡加入profibus驱动程序就可以作profibus网卡并支持profibus协议。采用s7-300系列plc的cpu315-2dp为主站，通过profibus通讯模块em277和分站s7-200交换信息，协调各单台压滤设备连锁和工艺步序排队。

　　系统中的五台过滤设备各为一套完整的控制系统，采用s7-200 plc (cpu 224xp) +i/o模块 +em277+现场人机界面siemens mp277 +10.4”触摸屏等组成分站，负责控制立式压滤机的运行、模拟量信号处理、报警等本体设备控制，并通过profibus-dp现场总线网络实现对整个设备网监控系统的通信，用于实现实际生产中的典型流水线工艺。基于profibus-dp现场总线的网络监控系统的组成如图1所示。

图1  尾矿脱水控制监控系统网络图
           

　　2.2 profibus dp 配置
           
　　(1) s7-300与s7-200通过em277进行profibus dp通讯，需要在step7中进行s7-300站组态，再在硬件组态窗口中的菜单 optionàinstall new gsd，导入siem089d.gsd文件，安装em277从站配置文件。
           
　　(2)在s7-200中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放在v存储区与s7-300的组态em277从站时的硬件i/o地址相对应就可以了。对于本工程控制系统的profibus dp 配置为在s7-300站组态五个em277子站，每个em277子站分别对应一套压滤设备。根据控制程序需要将每个子站的通讯字节数为8字节输入和8字节输出。五个em277子站的profibus dp 地址分别是：3，4，5，6，7。我们配置后的profibus-dp系统如图2所示。

图2  profibus-dp系统配置图
           

　　3)组态完系统的硬件配置后，将硬件信息下载到s7-300的plc，当中下载完成后，将em277模块上的拨位开关拨到与硬件组态的设定值相一致。在s7-200中编写程序将进行交换的数据存放在与s7-300 plc的外设输入/输出存储区pi和pq相对应的v存储区中，打开step7中的变量表和step7 micro/win32的状态表可监控s7-300与s7-200通过em277的数据通讯。[page]

2.3 wincc环境下cp5611通讯卡配置
               
　　本节说明wincc使用cp5611卡通过profibus-dp连接s7-300的过程。  
           
　　(1) 首先对step7硬件进行组态：
           
　　使用step7软件组态plc的硬件信息，将相应的板卡在hardware进行硬件组态，选择要连接wincc的对应端口指定为profibus，设置profibus端口的地址为2，在参数窗口下新建一个profibus网络并设置相应的参数。
           
　　(2) profibus程序和设置参数：打开wincc工程在变量管理中点击simatic s7 protocol suite，右键点击profibus选择“系统参数”在对话框中选择“单元”查看逻辑设备名称，本项目名为“s7online”。
           
　　(3)设置pg/pc接口：在windows控制面板中或在step7中选择“设置pg/pc接口”，如图所示，在“为使用的接口分配参数”里选择“cp5611(profibus)”,设置cp5611的通讯参数，在这里肯定要使用“dp”作为具体通讯协议。
           
　　(4)添加通道连接设置：打开wincc项目工程在变量管理中打开simatic s7 protocol suite，右键点击profibus在点击”新驱动程序的连接”,在出现的对话框中输入名字”金正系统”(本项目名字)。在属性设置中把s7-300的站地址设备“2“，如图3所示。

            图3  通道连接设置图
        

　　通过连接测试和通讯诊断程序即可测试通讯的建立(本处不再叙述)，至此wincc使用cp5611通讯卡通过profibus连接s7-300plc完毕，也就是说整个系统的profibus-dp网络完全建立起来了
            
3  软件设计
           
　　3.1 step7 v5.4中文版编程设计
               
　　本项目系统的设备控制程序利用step7 v5.4中文版编程设计。用户程序设计是构建一个电控系统最为复杂繁琐而且十分重要的工作，step7v5.4中文版是模块化的设计软件，使用模块化设计，可以大大减少编程工作量，使程序结构简洁增强程序的可读性。在本系统程序中合理运用ob组织块、功能块fc、功能块fb41“cont-c”(pid连续控制调节)，特别是应注意pid参数中重要的几个变量，给定值，反馈值和输出值都是用0.0~1.0之间的实数表示，也就是进行规格化处理便于理解——对于输入和反馈，执行：变量*100/27648，然后将结果传送到pv-in和sp-int，对于输出变量，执行：lmn*27648/100，然后将结果取整传送给pqw即可；在这里要注意输入参数pvper_on”缺省为“false”，不要置位以免影响”pv_in”值的规格化处理。规格化程序如图4所示。

            图4  模拟量处理程序
   

        
　　3.2 plc多机数据交换
               
　　s7-300和s7-200间的数据交换程序，是根据在上面叙述的在s7-200中编写程序将进行交换的数据存放在与s7-300plc的外设输入/输出存储区pi和pq相对应的v存储区中，本例中根据控制要求在s7-200编程将某一阀动作状态传给vb552，然后在s7-300中根据对应的pib取某位进行再编程控制其他回路。列举简短程序如图5所示。[page]

            图5  数据交换程序
3.3 采用wincc对系统变量进行组态  
               
　　通过cp5611卡接入profibus网，在变量管理中的profibus通讯程序下建立工程所需的变量，根据需要在画面中对各个元件进行变量连接。列举变量连接如图6所示。

            图6  组态变量连接
           

　　3.4 监控画面设计
               
　　在上位监控计算机中，我们通过wincc完成了外部设备定义、数据库的构造等工作后，再利用wincc画面编辑器，来制作开发本系统工程工艺流程所需要的各种画面。进一步在wincc的画面开发系统中建立变量连接，将画面中的图素与数据库中的变量相对应。上位机包含了主系统画面、开机权限画面、系统网络图、手动实验、报警等五个主画面窗口。其中主系统画面如图7所示。

             
            图7  尾矿脱水系统主画面

4  结束语
               
　　本系统组建的profibus-dp现场总线网络现场使用一年多来非常稳定可靠，大大降低了系统成本和故障率。wincc组态软件功能强大，step7软件编程简洁，数据交换方便明了。基于profibus-dp总线的尾矿脱水处理系统，是工业控制中比较先进合理简明的控制方案，完全可以应用到其他系统控制方案中。