基于現場總線的電加熱爐控制系統應用

摘 要：本系統應用WinAC控制器、現場總線技術、STEP7組態軟件和WinCC監控軟件，將傳統的單機控制系統與現場總線技術結合在一起，設計出一種在現場總線技術支持下的新型電加熱爐監控系統，同時實現了現場控制和遠程監控，有效地提高了工作效率。

關鍵詞：現場總線;WinAC控制器;STEP7;電加熱爐;WinCC

1 引言

　　現場總線技術的興起和發展，為解決許多工業問題開辟了新的途徑：將現場總線技術與傳統控制方法結合，這樣就產生了基于現場總線的過程控制，它也成為了當前現場總線領域和過程控制領域共同的研究熱點。本文在PROFIBUS- DP現場總線基礎上，以電加熱爐為受控對象，設計了一種在現場總線技術下的過程控制方案。

2 PROFIBUS 現場總線的介紹

　　現場總線（Fieldbus）是用于過程自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領域的現場設備互連的通信網絡，是現場通信網絡與控制系統的集成。

　　其中，PROFIBUS是當今國際上現場總線的一個重要的組成部分。根據國際標準化組織ISO7498 標準，PROFIBUS的協議結構以開放系統互聯網絡OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數據鏈路層作為用戶接口，隱去了第3～7層，而增加了直接數據連接擬合。由于PROFIBUS現場總線標準是開放的、不依賴生產廠家通信系統標準，所以在各種工業控制中得到了廣泛的應用。

　　PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。由分散和外圍設備PROFIBUS- DP （Decentralized Periphery）、報文規范PROFIBUS- FMS（Fieldbus message Periphery）、過程自動化PROFIBUS - PA （Process Automation） 組成了PROFIBUS系列。其中，PROFIBUS- DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器（如PLC、PC），通過高速串行線同分散的現場設備（如I/O, 驅動器, 開關等） 進行通信。PROFIBUS- DP具有快速、即插即用、高效低成本等優點。在用于現場層的高速數據傳送時, 主站周期地讀取從設備的輸入信息并周期地向從站設備發送輸出信息。除周期性數據傳輸外, PROFIBUS- DP 還提供了智能化設備所需要的非周期性通訊以進行組態、診斷和報警處理。

3 電加熱爐監控系統的結構

　　如圖1所示，本控制系統主要由PROFIBUS-DP現場總線中的一臺PC機作為主站，西門子ET200S作為從站，通過它連接受控對象。其中在PC機內的PCI插槽上插有一塊SLOT PLC（CPU412-2 PCI），即WinAC SLOT 412, 它是一種置于PC的PCI總線的板卡式PLC控制器，可實現與S7-400系列處理器CPU412-2DP相同的控制功能，其操作控制性能和指令集也與西門子S7-400控制器系列一致，板卡上同時集成了MPI、PROFIBUS-DP通訊接口。電源擴展板選件用于提供獨立于PC電源的供電，使WINAC SLOT在PC斷電時也可以正常運行。同時，PC機上裝有編程組態軟件STEP7和監控組態軟件WinCC，構成控制主站。而通過PROFIBUS-DP現場總線連接至SLOT PLC（CPU412-2 PCI）的PROFIBUS-DP接口上ET200S模塊，則作為控制從站。ET200S上配有電源模塊（即PM模塊）、開關量和模擬量的輸入輸出模塊（即：DI、DO、AI、AO模塊）。而受控對象（電加熱爐）的變送器檢測信號和執行器的操作信號將通過信號線被準確地連接到ET200S上的AI、AO模塊上。

4 系統組態

　　完成設備連接后，將在PC上用SIEMENS STEP7軟件實現系統組態，過程如下。

　　4.1 硬件組態

　　建立一個新項目，設置其名字（如“project”）,在項目中加入SEMATIC PC站，名字設為PC機在以太網中的計算機名（“ZDH32”）系統將建立一個新的項目,打開右邊的“Configuation”進行硬件組態，將CPU412-2 PCI、PROFIBUS-D、ET200S（包括PM、AI、AO、DI、DO模塊）加入，如圖2所示。

　　4.2 軟件組態

　　采用STEP7軟件，編程語言主要有梯形圖、語句表和功能塊圖。一般地，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FC）、功能（FC）、數據塊（DB）構成。OB1是主程序循環塊，是必需的，其它的塊不一定要用到。如果程序簡單，可將所有的程序放入OB1塊中進行線性編程，如果程序復雜最好將程序用不同的邏輯塊加以結構化，再通過OB1調用這些邏輯塊。如圖3所示，是針對本系統受控對象（電加熱爐）控制策略編寫的程序（由于上、下加熱控制算法相同，只有地址不同，所以圖中只顯示了上加熱控制部分）。

　　4.3 通過WINAC軟件實現系統控制

　　組態下載前要進行端口設置，在控制面板中的“SET PG/PC Interface”中選擇“S7 Online（STEP7）”，再選擇“PC internal （local）”實現PC機與WinAC SLOT 412的本地連接。之后在“Component Configurator”中指定PC站的名字（即：“ZDH32”）

　　然后打開WinAC控制面板，如圖4所示。將之前硬件和軟件組態下載。如果組態沒問題，下載正確，則控制面板上的RUN指示燈會變為綠色。這樣就可以通過WinAC控制面板對系統進行控制，同時可以利用STEP7在線調試程序，還可以通過設置變量表在線修改參數和監視變量。

5 用WinCC實現監控

　　西門子公司的WinCC集成了SCADA、組態、腳本（Script）語言和OPC等先進技術, 為用戶提供了Windows操作系統環境下使用各種通用軟件的功能。用戶可以在WinCC友好的界面下進行過程組態、編程和數據管理, 很容易形成需要的操作畫面、監視面面、實時趨勢曲線、歷史數據報表、越限報警等。

　　WinCC提供了一個稱為“SIMATIC S7 Protocol”的通訊驅動程序，這個通訊程序支持多種網絡協議和類型，通過它的通道單元可以實現WinCC與各種SIMATIC S7 PLC以及WinAC的通訊。

　　本系統在WinCC變量管理器中添加新的驅動程序，先選擇驅動程序類型為“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”，而后選擇通道單元“SLOT PLC”，WinCC與WinAC SLOT 412的通訊連接。然后根據具體的過程對象，在“SLOT PLC”中建立變量連接，添加控制過程中監視和控制的過程變量。利用圖形編輯器、變量記錄組件來完成過程畫面設計、數據趨勢顯示和歸檔、越限報警等功能。本系統是對一個雙輸入、雙輸出電加熱爐溫度進行控制。其中期望輸出值、輸入電流量、反饋值還有P、I、D控制參數為過程變量和系統控制量。加入這些變量后，根據本系統需要的數據顯示、變量調節、還有數據歸檔等要求對其進行圖形編輯。本系統的人機監控具有以下功能：數據自動采集及歸檔;過程的實時監視;參數的在線設置和調整;手動-自動操作;歷史趨勢;數據歸檔查詢;超限報警等。

6 結束語

　　本系統在現場總線環境中實現了對電加熱爐的過程控制、監測報警以及遠程監控。通過WinCC的數據歸檔方便地采集到過程變量的歷史數據，為進一步的算法研究和模型仿真提供了基礎。

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