欧洲杯基于两级网络的远程设备监控系统(一)

发布时间:2021-06-07 23:06

  20世纪80年代后期发展起来的现场总线(Field bus)技术是目前自动化领域中的一个应用热点,使得设备之间甚至传感器、执行器之间的互联成为可能,并以此构建了企业的控制网络。随着现代科学技术的飞速发展,不仅对生产过程自动化,也对生产管理提出了更高的要求,现场总线也面临着标准繁多、难以与企业管理网络集成等诸多问题,于是就出现了把自动控制与计算机管理系统结合起来,集管理和控制为一体的系统是当今工业自动化发展的趋势,一些复杂的控制系统常采用两级网络拓扑结构。底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近现场设备,上层采用工业以太网监控,从而实现对生产过程的集中管理和分散控制,这种将两层网络应用到自动化系统的方法,实现信息的完全共享,极大的提高了对复杂生产过程的检测,监督和控制功能,提高了系统的利用率。

  p; 为了实现计算机控制并保证可靠性,系统采用分层控制。实现系统的结构如图1所示,整个系统分为两层网络,上层网络为工业以太网,装有工业组态软件WinCC的上位机与下位机S7-300PLC通过以太网进行通讯,实现对整个系统现场设备运行状态的集中监控。下层网络为Profibus-DP通讯,S7-300PLC主站与从站通过Profibus-DP现场总线进行通讯以控制现场设备。上位机的功能主要是接受下位机发送的数据以及向下位机发送命令,远程监控工业现场状况;下位机接受上位机的命令控制现场设备,也可以利用存储器里的程序直接控制现场设备,完成控制功能。S7-300PLC作为主站可以直接控制现场设备,也可以与从站S7-200通过Profibus-DP通讯,使S7-200从站作为远程控制站去控制现场设备。S7-200本身没有集成的DP接口,所以要添加一个Profibus-DP模块EM277与S7-300PLC进行通讯,它与S7主站的通讯实际上是模块EM277与主站交换数据来实现的。

  工业以太网位于整个工业控制网络的上层,主要用于完成对系统的监控管理,其传输速率一般为10-100Mbps。它有以下优点:

  (1) 是一种标准的开放式网络,不同厂商的设备很容易互联,这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作性的问题;

  (3) 易于与Internet连接,能够在任何城市地方利用电话线通过Internet对企业进行监控;

  工业以太网的硬件选择比较简单,主要作用是将PLC主站与装有WinCC的远程监控PC及工作站进行互连,以实现系统工业以太网级的数据传输与监控。装有WinCC的PC采用的是CP1612通讯模块,用于将PC连接到主站S7-300,CP1612通讯模块插在PC的PCI插槽上,完成上位机与工业以太网的连接。主站S7-300PLC采用CP343-1通讯处理器实现上位机与主站PLC的物理互连,CP343-1用于S7-300PLC与工业以太网的连接,这个模块自身带处理器,可减轻CPU的通讯任务并可建立附加的连接。

  在系统中用到的工业组态软件WinCC(Windows Control Center,视窗控制中心)结合了西门子公司在过程自动化领域

  中的先进技术和Microsoft PC的软件技术,是具有极高性价比的SCADA级的操作监视系统。WinCC支持所有连接SIMATIC S7控制器的通讯通道。WinCC包括六个主要的功能编辑器:图形设计编辑器、全局脚本编辑器、报警存档编辑器、变量存档编辑器、报表设计编辑器、用户管理和项目安全编辑器。其中图形设计编辑器和全局脚本编辑器最为重要和关键。

  启动WinCC建立一个新的WinCC项目,在变量管理器(Tag Management)中选择添加支持S7协议的通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite CHN,然后选择通道单元Ethe

  rnet,为该通道单元组态逻辑连接,设置逻辑连接节点名、网络地址(网络地址必须与PLC中的设置相同)等参数,这样就建立了WinCC与S7-300PLC之同的通讯连接。在已建立的连接下定义变量组及相关变量,每个变量有三个设置项:变量名、数据类型、地址,其中最重要的是变量地址,它定义了此变量与PLC中某一确定地址如某一输入位、输出位或中间位等对应的关系。可以直接利用在STEP7中配置的变量表设置变量地址,将S7-300 PLC与WinCC之间需要通讯的数据定义变量,完成二者之间的数据通讯。

  利用图形编辑器编辑监控画面,并将其中的对象与相应标签建立动态连接。WinCC提供的图形对象有很多种,基本对象库里有OLE控件、按钮、滚动条、单选钮、应用窗口等等,图形库里有各种特殊的图形对象,如水箱、电机、阀门等等。除此之外,还可以针对特殊情况自己生成图形对象存入图形库中,待使用时从中选取即可。用户还能以BMP,WMF EMF,OLE等形式导入外部图形和文本数据。这样就可以建立非常逼线) 设置运行环境

  在项目环境的计算机属性一项中设置运行环境。包括运行时显示画面的形式、启动画面、运行的控制模块等。其中运行的控制模块中图形运行是必需的,其他选项视实际情况而定。

  启动项目的运行,画面上的对象将根据动态链接的设置按实际情况动态显示,使操作员可以在屏幕上看到类似于现场实际情况的监控画面。

  此外,WinCC还具有打印报表、历史趋势、报警、系统安全等功能,在此不一一叙述。

  Profibus(process fieldbus)是一种国际性的,开放的,已在世界范围内得到广泛应用的现场总线,Profibus根据应用特点分为Profibus-DP,Profibus-FMS,Profibus-PA三个兼容版本,其中Profibus-DP是一种经过优化的高速通信网络,专为自动控制系统和分散I/O设备之间通信设计,用于分布式控制系统的高速数据传输。本实验系统的主站S7-300 PLC与远程I/O、直流调速器和变频器采用Profibus-DP总线进行通讯,现场各检测

  仪表采集的传感器信号送至主站PLC的模拟量模块,经A/D转化后由主站PLC的CPU配合PLC程序进行计算,运算的结果送至远程I/O、整流器或变频器,再由它们驱动外围执行设备,从而实现PLC对现场信号的采集及与现场执行设备的通讯。4.2 应用实例&

  在STEP 7软件中创建一个项目,先组态主站,打开硬件目录,按订货号和硬件安装次序依次插入机架,电源,CPU,并建一个Profibus-DP网络,设置主站地址,再组态从站,把西门子6se70系列变频器挂在DP网上,确认通讯的PPO类型,本例选择PPO1,由4PKW/2PZD组成,并组态变频器的通讯区,给从站分配地址,正确设置变频器的必要参数完成通讯的组态过程,参数过程数据对象PPO的类型结构如图2所示。

  ; 将数据块中的数据地址与从站中的PZD,PKW数据区相对应,一般地,读写数据都写入一个DB中,且最好与硬件组态设定的I/O地址范围大小划分相同大小的区域,便于建立对应关系和管理。如图3所示,读变频器的数据的12个字节在DB0.0~DB11.0中,写给变频器的12个字节数据放在DB12.0~DB23.0中。

  编程软件采用的是西门子的STEP 7,通讯程序可以利用组织块OB1直接调用系统功能SFC14(DPRD _DAT),SFC15(DPWR_DAT)来完成对从站过程数据的读和写。

  完成对变频器的写操作,将控制字与给定值写入变频器,控制字启动变频器运行,给定速度。

  VRET-VAL表示:程序中的状态字,可以以编码的形式反映出程序的错误等状态。

  这样就完成主站PLC对西门子6se70系列变频器的读和写,可以通过PLC来控制变频器的启、停、速度给定等各项功能,主站进一步调节以达到工业现场的需要,满足工艺给定要求。也可以把读取变频器的数据通过上位机进行显示,达到在线监视和诊断的目的。

  用工业以太网建立工业组态软件WinCC与PLC的通讯,方便读取来自PLC的数据以及向PLC传送数据,对整个现场系统进行监控,又利用Profibus实现现场级的通讯,控制现场设备的正常运行。采用WinCC监控及时准确,直接显示现场设备的运行状况、参数、故障部位与发生故障的原因等,减少因不能及时处理故障而造成的损失,设备管理更加简单方便,提高了实验室自动化的控制管理水平。该实验系统与工业现场十分贴近,其双层网络的构建与设计思路对生产企业的设备远程监控系统的开发提供了有效经验。

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