摘要：简述了PROFIBUS现场总线的基本原理、性能。结合水泥行业工艺详细介绍了基于PROFIBUS实现可编程控制器（PLC）与集中控制计算机(PC)构成的监督控制与数据采集（SCADA）系统。该系统具有经济、可靠、易于扩展的特点，并已在龙成公司中得到成功应用，效益显著。
关键词：PROFIBUS、监督控制与数据采集（SCADA）、以太网、矿渣粉磨
引言：现场总线技术是近年来迅速发展起来的一种数据通讯总线，它主要用于现场的智能仪表、I/O模块、控制器等现场设备间的信息传递。目前，现场总线主要有CAN、PROFIBUS、FF、LONWORKS等多种形式。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。PROFIBUS协议结构采用国际标准ISO7498，以开放式系统互联网络OSI作为参考模型。PROFIBUS总线采用令牌传送存取协议，最高传输率可达12Mbps，可连接32个站点（不带中继），最多到127各站点（带中继器）。根据其应用特点分为三个兼容版本：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。其中PROFIBUS-DP为经过优化的高速、廉价的通信链，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，可选用双绞线和光纤二种传输介质。用于分布式控制系统的高速数据传输。PROFIBUS符合国际标准IEC61158和欧洲标准EN50170，目前已在加工制造、离散控制自动化等领域得到广泛应用。
在开发设计江苏科行环境工程技术有限公司卧辊磨工艺控制系统中，成功运用了PROFIBUS现场总线技术，取得了良好的效果。
1. 工艺流程简介
生产工艺流程如图所示：


控制系统的特点：
（1） 测量和控制参数多。要对各种温度、压力、流量以及阀门反馈信号进行采集。控制对象也比较分散。
（2） 受控设备多并且存在紧密的联锁关系。风机、热交换器、泵以及各种调节阀、电磁阀之间联锁性非常强。
（3） 通讯数据量大而且分散。根据低压配电室及车间信号采集点的实际布局，需设多个站点，对系统通信联网的方便性和可靠性要求很高。
2. 控制系统网络结构设计
根据以上系统的特点和要求，采用基于PROFIBUS-DP现场总线的监督控制与数据采集（SCADA）控制系统。
网络结构如图2所示。

整个网络结构包括3部分：
（1） 现场设备层主要功能是连接现场设备，如现场各种变送器、智能仪表以及开关量等，完成现场设备监视及控制。
（2） 车间监控层车间级监控通常要设立车间调度室，有操作员工作站及打印设备，主要实现负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。操作员控制室计算机向下通过工业以太网（Ethernet）与现场监控PLC相连，向上通过程控交换机接入局域网与厂调度中心计算机相连，车间调度室的服务器支持TCP/IP协议。
（3） 厂调度中心层通过设置监控计算机和厂长室监视计算机对现场数据进行处理后实现统一管理和调度，并定期打印数据报表。
2.1控制系统硬件设计

（1）控制单元：本系统选择西门子S7-300系列CPU315-2PN/DP作为主控制器（主站点），粉磨站数据量大，选用CPU315-2PN/DP，它除了集成有一个Profibus-DP口外，还有一个PN口，可以通过交换机与工业以太网相连接。烘干站选用远程I/OET200M模块作为远程信号的采集，采用Profibus-DP现场总线接口IM153，直接挂接于Profibus-DP网络。CPU315-2PN/DP没有安装集成的装载存储器，使用时必须插入微存储卡（MMC）用于保存用户程序和数据。三个主站均使用了ET200M远程I/O模块，分别用从站来控制现场的各种执行机构。
（2）人机界面操作站：在本系统中操作站选用研华公司的工业控制计算机，其规格为IPC-610/P4 3.0G/512M/80G/光驱/软驱/键盘/鼠标，其性能稳定，可靠，性价比高，触摸屏采用西门子触摸屏（TP177B），主要实现现场各工艺参数的检测与控制。
2.2控制系统软件设计
该系统的编程软件采用SIMATIC公司的STEP7V5.4版本，采用结构法编制控制程序，将复杂的自动化任务分解成可以反复使用的子任务，由相应的程序块来执行，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，通过组织块（OB）、功能块（FB、FC）、系统功能块（SFB、SFC）、数字块（DB）等模块之间的调用，实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。
根据现场设备及工艺流程的特点，对温度、压力、及流量等模拟量信号，编写了采样子程序、加权平均子程序、量程转换子程序。对于现场的电磁调节阀以及变频器等，编写了PID控制子程序。采用STEP7编程软件中SFB41“CONT_C”采用位置离散化算法：
在本控制系统中，为了防止执行机构的频繁动作而造成的小幅振荡，在SFB41“CONT_C”模块中，设置死区宽度DEADB_W，建立带死区特性的PID控制，有效地解决了调节阀执行机构频繁动作的问题。
2.3系统的组态
按照现场工艺要求，设计了粉磨和烘干两个操作主站，粉磨站设在车间调度室。ET200M 远程I/O为从站，并配以PROFIBUS网线组成。主站与从站之间采用主从协议（Master/Salve），主站对总线有控制权，从站只是响应一个主站的请求，从站对总线没有控制权。
主、从站交换数据，其过程是周期性的。ET200M与操作主站速率设置为1.5Mbps，满足了系统实时性要求。烘干站主机架配备有通讯处理模块CP342-5作为粉磨主站的DP从站。CP342-5周期性地与DP主站进行数据传输。输入信息放入DP输入区，DP输出区的信息被发出。DP主站与DP从站之间的数据交换是靠DP接口中的接收缓冲区与发送缓冲区来完成的。DP主站启动数据交换，将数据传出，并将DP从站数据取回。在PLC程序设计中，把需要传输的数据放入一DB数据块，应用STEP7软件中“AG-SEND”和“AG-REICV”模块可实现两站之间数据的发送和接收。在通讯时应注意收发双方数据的地址分配以及通讯速率的匹配。因为传输距离较远，根据现场调试，把通讯速率设置为19.2Kbps，如果过高，数据可能会发生紊乱。另外还需注意数据地址的合理分配。粉磨站上位机PC通过CP1613通讯卡及其驱动程序与PLC通讯，采用密码通信与校验，避免信号干扰。粉磨站CPU315-2PN/DP的PN口接交换机，该站上位机PC作为服务器通过以太网与厂调度中心上位机相连接。
2.4控制系统上位机设计
上位机软件采用WINCC6.2版本。利用WINCC6.2软件可以完成监视器显示所需的现场设备监控画面。系统状态图，硬件报警，工艺报警，报警禁止，模拟量趋势，对比趋势，操作日志，报表输出等。
3.结束语
目前该控制系统结构设计已在四川龙成公司得到成功应用。由于采用现场总线取得了如下效益：（1）经济性好，降低了硬件成本；（2）缩短了工程周期；（3）信号传递更加可靠稳定；(4)工艺修改更加灵活。

参考文献：
[1] 魏震,贾青．可编程控制器之间的以太网通信[J].自动化仪表,2003（2）.
[2]熊育悦,赵哲身.工业以太网在控制系统中的应用前景[J].自动化仪表,2002（9）
[3]SIEMENS.SIMATIC NET Industrial Ethernet Communication Networks Catalog IK 10[Z]
[4]SIEMENS.SIMATIC S7 Configuring Hardware And Communication Connections STEP7 V5.0 Manual[Z].
[5]SIEMENS.S7手册[M].北京：西门子（中国）有限责任公司自动化与驱动集团自动化系统部,1996.
[6]SIEMENS.SIMATIC NET-S7 Programming Interface[Z].