现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。目前,现场总线种类繁多,还没有统一的标准,每种总线都有其独特的产生背景和应用领域,影响比较大的有CAN总线、lonworks总线、hart总线、FF总线、rpofibus总线等。Profibus-dp主要应用于现场设备级,它的响应时间从几百微秒到几百毫秒,数据传输速率为9.6 kbps~12mbps。在济南国际机场航站楼的电力参数监控系统设计时,考虑到现场参数变量较多,位置分散,且对信号的实时性和抗干扰能力都要求较高,一般的监控网络很难满足系统要求,因此在系统的监控层选用profibus-dp通信网络完成系统的主控设备s7-300 PLC与分布的现场设备之间的数据通信工作。在s7-300 plc与带通讯卡的上位机之间采用了mpi通信方式。
2 系统网络拓扑结构
根据在工业控制实际需要及其经费情况,系统的硬件组成通常有以下几种网络拓扑结构方案。
(1)以plc或控制器作为一类主站,不设监控站,但调试阶段配置一台编程设备。该方案的plc或控制器完成通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。
(2)以plc或控制器作为一类主站,监控站通过串口与plc一对一连接。该结构方案的监控站不在profibus总线网络上,不是二类主站,不能直接读取从站数据合完成远程参数化工作。监控站所需的数据只能在plc控制器中读取。
(3)以plc或控制器作为一类主站,监控站即二类主站连接到profibus总线网络上。该方案的监控站可以完成远程编程、参数化及在线监控功能。
(4)使用pc机加profibus网卡作为一类主站,监控站与一类主站一体化。该方案成本较低,但要求pc机具有高可靠性、能长时间连续运行,如果pc机出现故障,将影响整个系统的正常工作。另外,通信厂商通常只提供一个模板的驱动程序,总线控制、监控程序可能需要用户自己开发。
(5)紧凑式pc机(compact computer)加profibus网卡加soft plc的结构形式。该方案中用紧凑式pc机取代了一般的pc机,使系统的可靠性大大增强。soft plc是将通用型pc机改造成一台由软件(软逻辑)实现的plc,这种软件将plc的编程及其应用程序运行功能,操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台紧凑式pc机上,形成一个plc与监控站一体的控制器工作站。
(6)充分考虑未来扩展需要,如增加几条生产线和扩展出几条dp网络,车间要增加几个监控站等,最好采用两级网络结构。
3 硬件组成
在开发设计济南国际机场航站楼电力参数监控系统的过程中,根据系统本身性能的要求及其各种方案的优劣及其性价比,我们在网络拓扑结构方案2的基础上,加以改进,不再采用监控站通过串口与plc一对一连接,而是在监控站与plc之间采用通讯速率更高,更稳定的mpi通信方式,系统网络结构如图1所示。网络结构分为两层,上层为管理层,下沉为数据监控层。两层之间采用mpi-多点接口访问方式。上层管理层主要功能是从plc控制器中读取从站参数数据,利用力控上位机组态软件,设计友好的人机界面,连接读取的数据变量来完成对从站的监控工作。另外在管理层中,可以生成各种需要的数据报表、进行数据分析等工作。下层监控层在本实例系统中由两个相对独立的s7-300plc控制系统,每个控制系统由一个cpu314模块,cpu314上连接了四个通信模块cp342-5,以及在每个cp342-5模块上连接的36个智能从站仪表构成,数据监控网络采用profibus网络通信方式,在图1中给出了简单的分布结构,监控层主要完成与分布在工业现场的各个从站之间的数据通信,读取各个从站仪表的数据参数,存放在plc控制器的数据区中,供上位机读取访问。
图1 系统网络结构图
4 软件设计
profibus网络的节点连接采用lan(local area networks)插头。lan插头分为两种:一种不可以直接连接编程设备;另一种可以随时连接编程设备,对整个系统进行调试。在总线终端的lan插头处将终端电阻开关拨到on的位置,以减小网络信号传输干扰。
在网络连接好之后,我们使用step7对整个网络进行组态。组态包括从站的硬件配置和网络设置两部分。在从站配置中,采用济南莱恩达网络仪表科技有限公司提供的具有profibus总线接口的pmm2000/pmm2100系列数字式微型多功能电力监测网络仪表作为智能从站,来监控现场设备的电流、电压、功率等各种电力参数,组态时需要设置它的网络地址,通讯速率以及输入输出参数长度等;网络设置时,需要设置相应通信模块cp342-5作为通信主站,同时设定它的profibus地址,通讯速率及mpi地址等参数。组态完毕后,编译无误,下载到plc控制器中去,即完成整个系统监控层的硬件组态开发设计。硬件组态配置如图2所示。
图2 系统硬件组态配置图
4.1 系统程序设计 开始设计系统软件程序时,首先新建一个的项目(例adc),step7会自动建立s7程序的目录结构,并建立一个空的ob1,用来编写系统循环调用的主程序,如图3所示。
图3 新建项目示意图
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