Profibus现场总线技术的可视化监控冗余系统

　　1 引言

　　计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步，特别是近十年来兴起的现场总线技术(Fieldbus)，它的发展促使了自动化系统结构发生重大变革。基于现场总线技术控制系统(Fieldbus Control System-FCS)的应用越来越普遍，并朝着智能化、网络化以及监控管理一体化的方向发展。

　　计算机可视化监控在20世纪80年代就已在国外出现。由于技术和经济等方面原因，我国直到90年代中后期才得到应用。功能由简单到复杂;在监控范围方面，从最初的单机到生产线乃至整个产业;从监控的网络系统结构来看，由初期的一主一从发展到一主多从、多主多从;硬件由初期的封闭式的自行设计发展到采用开放的、规范的系统集成方案或商业产品。

　　在应用计算机可视化监控技术之前，通常使用专用的人工操作台和生产工艺控制模拟屏，上面布置许多主令电器、指示灯及显示仪表等，在模拟屏口还有相应的工艺流程，这种监控方式实质上是一种“硬件布线逻辑”，必将被新型监控方式取而代之。

　　2 可视化监控通信网络方案

　　2.1 基于“简单协议”的可视化监控通信网络

　　这里所说的通信协议的“简单”是相对OSI/RM模型而言，图1中一台IPC对一台PLC[1]进行监控。在IPC一方，利用VB中的Mscomm控件完成对其串口的读写，VB程序Mscomm.setting=”9600,N,8,1”.这种通信能适应单主站——单从站的通信要求,能实现较为单一的功能,如果情况复杂则有较大局限性。例如当在RS485上增加PLC，所有PLC都是通信从站，IPC是主站，IPC的硬、软件出现问题时监控就无法进行。

　　2.2 基于现场总线的可视化监控通信网络

　　现场总线技术的通信协议是以OSI/RM模型为基础，以开放互联为目的。现场总线通过多层次的协议能改变诸如总线控制、冲突检测、链路保护等问题。通信中可无“主，从”之分或多个主站存在，这样就为冗余设置提供了基础。因此只能采用基于现场总线的可视化监控通信网络才能实现冗余设置。

　　可视化监控的冗余是建立在现场总线Profibus基础上，在总线访问协议上PROFIBUS在数据全链路层采用了混合介质存取方式，为保证可视化监控系统可靠运行，形成监控冗余系统也应采用混合方式。

　　3 可视化监控冗余系统的构成

　　笔者以我校承担的湖南金健米业股份有限公司的480吨精米生产自控控制系统项目讨论可视化监控冗余系统的设计。

　　金健米业股分有限公司生产工艺流程图如图2所示。由图2可知，除了初清、清理工段为公共工段外，主要生产工段由两条生产线构成，该系统I/O信号的特点是：点多(接近2000点)，分布广。该系统控制特点是：工艺流程长、变化多、连锁关系复杂多变、物流延时、批量与连续过程兼有等等。根据工艺控制任务和要求及控制系统的特点，构成现场总线控制系统(FCS)如图3所示。

　　3.1 硬件方面

　　图3中PLC1主要控制公共的初清、清理工段;PLC2、PLC3分别控制一、二线生产(分别有砻谷、碾米及整理包装工段)。每个PLC又带有若干个I/O远程控制站。IPC1 为操作员站，主要负责监控;IPC2为工程师站，除了PLC编程、网络配置、监控组态之外，也作为IPC1监控的备用。PLC采用德国西门子公司的S7-200型(CPU315-2DP);IPC采用台湾研华公司的工控机(P2型)，配备19″显示器和UPS、打印机等。

　　3.2 通信网络及接口

　　通信网络采用PROFUBUS现场总线，它是由SIEMENS公司等13家企业和5家科研机构联合提出，目前已提到了广泛应用。各PLC均通过西门子CP341[2]通信模块与PROFIBUS现场总路线相连。IPC则通过西门子CP5412A通信适配卡相连。如图4、5所示。

　　3.3 软件

　　软件采用西门子Wincc[3]可视化监控组态软件。它基于32位Windows95/98/2000标准操作系统。它具有图形设计器、报警处理器、报表编辑器、变量管理器等。

　　通过Wincc软件,使精米生产的计算机可视化监控具有较强的功能。按照生产工艺分成10幅监控主画面和若干生产数据报表画面，各画面可随时可任意切换。操作者可在监控站上对工段选择运行方式,当处于自动控制方式时，各工段自动启停;处于手动方式时，可在监控站上对各设备直接进行人工操作。故障报警方面，在系统进行自动故障处理的同时，除了系统声光报警、相应画面相应图案变色或闪烁外，还立即生成各成信息表。

　　可视化监控软件冗余体现在可视化监控组态软件Wincc的“冗余度“功能。这种功能使两个并行的Wincc监控站同时运行，以保证监控的连续性。图3中，如果IPC1发生故障，IPC2即可接替监控。当IPC1恢复运行时，在IPC1停止运行期间IPC2秘采集的全部数据都会自动自制到IPC1，从而再一次同时运行两个Wincc监控站。

　　4 可视化监控冗余系统的特点

　　与传统的控制方式相比，笔者认为至少有以下三方面的特点。

　　1)使生产的控制与管理过程可视化、科学化。计算机显示屏上的图形、图象以及键盘、鼠标等都是人机信息交互的手段。

　　2)工能齐全。目全计算机可视化监控技术的最大特点是实时多任务，即：数据的采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储与检索、实时通信等多个任务在同一台计算机上同时进行。

　　3)运行可靠。大量开关、指示灯、仪表的操作台和模拟屏被取代后，硬件及接线大大减少，显著地降低了硬件故障引起监控异常的概率;此外若采用工业现场总线环境就允许设置多个监控主站，可形成冗余监控系统，监控主站之间可互为备用，这样就有效地提高了运行的可靠性。