现场总线控制系统论文

河海大学常州校区 毕业设计（论文） 年级专业12级机电一体化技术 学生姓名许旸

指导教师 朱丹青

评 卷 人

教学地点 常州冶金技师学院 年 月 日

摘 要

作为自动化领域的热点之一，现场总线己成为自动化系统与分散的现场设备间信息交换的主要技术。PROFIBUS是国际上应用十分广泛的工业过程现场总线，主要应用于加工自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域。

文章从结合所研究的水厂的实际需要出发，将先进的现场总线技术、以太网技术与传统的机械电气技术相结合，并应用到水厂控制系统的实际设计过程中。在电气控制系统的设计过程中，采用了上位机加下位机的设计模式，组建了远程集中控制与现地控制相结合的控制网络。上位机选用功能强大的工控组态软件——组态王和操作方便灵活的触摸屏。下位机则采用可靠性高的可编程控制器和先进的PROFIBUS现场总线完成对现场设备的控制。

关键词：可编程控制器，现场总线，PROFIBUS-DP， 监控系统

The ControlSystem Based on Fieldbus

Abstract

Nowadays, the technology of Fieldbus has become the hotspot in the research field of automation and become the main method of communication and exchange of information in the DCS systems. And the Profibus is a kind of Fieldbus broadly used in many situations of process control of industry such as automation of processing, automation of machining and automation of building.

According to the actuality of the studied water station, the thesis combine the advanced Fieldbus technique,Ethernetand the traditionalmachine andelectric technique together, and use them to design the supervise controlling system of the water station. During the designing of the electricity control system, the thesis used the mode that made up of monitor system and control system, formatted a network thatiscombinedbyfarconcentratescontrolsystemandnearlycontrol system. The monitor system chooses the functional monitoring software—the king monitor and the man-machine interface, which operated conveniently. And the control system chooses dependablyprogrammablelogiccontrollerandadvanceProfibus Fieldbus to completely control the spot equipments.

Keyword：PLC, Fieldbus,PROFIBUS-DP,Supervise Controlling System

目 录

1 概论

1.1现场总线的产生与发展

控制论的创始人Norbet Wiener说，“如果一门科学是真正具有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移。”自动控制技术的历史，就是从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能化到高级智能化的发展过程。

现场总线控制系统是在自动检测控制技术和计算机网络技术飞速发展的推动下形成的，它是现代计算机技术和通信技术和检测控制技术的集成，人们称之为3C（Computer Communication Control）技术。

现场总吸纳控制系统（FCS, Fieldbus Control System）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中控制系统和集散式控制系统（DCS，Distributed Control System）后的新一代控制系统。FCS是信息数字化、控制功能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化向生产过程现场的发展。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。现场总线控制系统吧控制彻底的下放到现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才有上位机完成，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传给上位机，有益于设备管理 [1] 。

在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛接受和使用。2002年欧洲有40%自动化工程项目采用了现场总线控制系统。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。此外，市政工程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的DCS必将被FCS所全面取代。

现场总线技术的推广虽然只有短短二三十年，但其技术的先进性已经带到了工业界的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如Siemens、Motorola、Honeywell等诸多世界大公司的高度重视。就国内而言，自二十世纪末以来，现场总线技术的研究开始进入起步阶段，1997年5月中国现场总线（FF）专业委员会建立，并筹建FF现场总线产品认证中心；同年7月中国现场总线（Profibus）专业委员会组建，同时开始筹建现场总线（Profibus）产品演示及认证实验室。此后，包括清华大学、浙江大学在内的许多高校、科研院先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制技术的教学实践与研究开发。2001年11月，国家

发展计划委员会在《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2001年度）》中将现场总线技术及其智能仪表的研究、开发及推广应用列为优先发展的高科技重点领域之一。

作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展前景。它的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。对于我国这样的发展中国家而言，其意义更为重大。必须抓住有利条件，积极开展对现场总线控制系统的跟踪研究，用于尝试这项先进技术，尽早提高我国企业自动化水平。

1.2 现场总线的技术优势

现场总线技术的发展，促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变革，新一代、基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪，图1所示为基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统模式，该模式的系统具有以下优点：

图1 现场级与车间级自动化监控系统

（1）增强了现场级信息集成能力

现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA

信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性

不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

（3）系统可靠性高、可维护性好

基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

（4）降低了系统及工程成本

对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

1.3 流行现场总线简介

现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竞争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。

据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：

1.3.1PROFIBUS现场总线

1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自

动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。

PROFIBUS主要应用领域有：

制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。

电力：发电、输配电。

楼宇：空调、风机、照明。

铁路交通：信号系统

1.3.2FF现场总线

1994年由ISP 基金会和World FIP(北美)两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（Fundation Fieldbus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

1.3.3LONWORKS总线

LONWORKS现场总线全称为LONWORKS NetWorks，即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。

1.3.4CANBUS现场总线

CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO 11519（通讯速率小于125Kbps）。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。

1.3.5WorldFIP现场总线

90—91年FIP现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（EN 50170 V.3）。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。WorldFIP国际

组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s,制造业为1M bit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。

WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。

1.3.6 P-NET现场总线

P-NET现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN 50170 V.1）。1997年组建国际P-NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P-NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。

2PROFIBUS现场总线

2.1PROFIBUS概述

目前世界流行的现场总线及总线标准有很多种，其中PROFIBUS现场总线是欧洲标准，其产品在世界市场上已被普遍接受，在中国也组建了PROFIBUS现场总线专业委员会，它是目前世界上最成功的现场总线之一，长沙八水厂自控系统便是采用了该总线。

现场总线PROFIBUS协议由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三个兼容部分组成。采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层，支持主从系统、纯主系统、多主多从系统通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站可向从站发送、获取信息。根据应用特点可分为三个兼容版本：（1）PROFIBUS-DP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯;（2）PROFIBUS-FMS 主要解决车间级的通用型通信任务,可以提供灵活而大量的通信服务;（3）PROFIBUS-PA则专为过程自动化设计,它直接和现场的传感器或执行器连接,并可通过DP/PA接口与DP总线连接,使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合。

2.2PROFIBUS的协议结构

PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection—SIO）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2所示：

图2PROFIBUS协议结构

第一层:物理层（Physical Layer）定义了网络信道上的信号与连接方式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层（DLL）下发的数据，并将以某种电气信号进行编码并发送;当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。

第二层:数据链路层（Data Link Layer）定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差错检验。DLL提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务及事件之间的相关关系，DLL为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。

数据链路层是现场总线的核心。所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的。为了突出实时性，现场总线没有采用以往IEE802. 4

标准中定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。

在这种方式下，物理通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。

第三层:应用层（Fieldbus Application Layer）为用户提供了一系列的服务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其它层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。

第四层:用户（User Layer）是专门针对工业自动化领域现场装臵的控制和具体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能块可组态成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。

此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理，可提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。系统管理负责完成设备地址分配、功能块执行调度、时钟同步和标记定位等功能。

（1）PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。

（2）PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低层接口（Lower Layer Interface—LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

（3）PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。

3PROFIBUS-DP概述

PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

3.3.1PROFIBUS-DP的基本功能

（1）传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。

（2）总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主—从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主—从设备）数为126。

（3）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主—从用户数据传送和非循环主—主数据传送。

（4）运行模式：运行、清除、停止。

（5）同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。

（6）功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行配臵。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。

（7）可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

（8）设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。

3.3.2PROFIBUS-DP基本特征

（1）速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和512 bit/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。

（2）诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：

〃 本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。 〃 模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。

〃 通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。

4PROFIBUS-DP控制系统

4.1PROFIBUS-DP系统配臵和设备类型

PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配臵的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：

（1）一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。

（2）二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。

（3）DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。具体介绍如下:

PLC(智能型1/0) : PLC自身有程序存储器，PLC的CPU部分执行程序并按程序指令驱动I/O，可以作为Profibus的一个从站。在PLC存储器中划分出一段特定区域，作为PLC与主站通信的共享数据区。主站可以通过通信间接控制从站PLC的I/O接口。

分散式1/O(非智能型I/O ):通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。

驱动器、传感器、执行机构等现场设备:即带Profibus接口的现场设备，可由主站在线完成系统配臵、参数修改、数据交换等功能。至于哪些参数可进行通信及参数格式由Profibus行规决定。

（4）单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图3所示：

单主系统实现最短的总线循环时

DP-主站（1类） DP-主站（2类） 间，他们的组成：

● 1个DP-1类主站

● 1到125个DP-从站

● 1到DP-2类主站（可选）

1到125个DP-从站

图3 单主站系统

（5）多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映像，但是只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。如图4所示：

DP 2类主站

DP 1类主站 DP 1类主站

DP从站 DP 从站

PROFIBUS—DP系统多主系统的组成：3个主设备（1类or2类）、1到最多124个DP-从站。

图4 多主站系统

4.2PROFIBUS控制系统配臵的几种形式

4.2.1 按现场设备类型分

根据现场设备是否具备Profibus接口，Profibus控制系统配臵可分为三种形式。

总线接口型:现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。

单一总线型:现场设备都具备Profibus接口。这是一种理想情况。可使用现场总线技术实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。不过，在目前这种方案设备成本可能较高。

混合型:现场设备部分具备Profibus接口。在较长的一段时期内，这将是相当普遍的。这时应采用Profibus现场设备加分散式1/O混合使用的方法。不管旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备Profibus接口的设备的场合可能不是很多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。

在本课题对象的测控系统中，由于现场设备中某些变送器、调节阀不具备Profibus接口，还有一些设备在成本和使用的便利性上，使用传统的模拟仪表更为合算。因此，多现场总线实验室中建立的测控系统将采用混合型配臵。

4.2.2 按实际应用需要分

根据实际需要及投入资金情况，通常有如下几种结构类型:

（1）以PLC或控制器作为一类主站，不设监控站，调试阶段配臵一台编程

设备。这种结构类型中，PLC或控制器完成总线通信管理、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。这种结构类型中，监控站不在Profibus网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据或完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器读取。

（3）以PLC或其他控制器作为一类主站，监控站作为二类主站连接在Profibus总线上。在这种结构类型中，监控站完成远程编程、参数化以及在线监控功能。

（4）使用PC机+Profibus网卡作为一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低成本方案。在主站结构类型中，PC机故障将导致整个系统瘫痪。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制程序、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，工作量比较大。

（5）坚固式PC机（Compact Computer） +Profibus网卡+Soft PLC的结构形式。此方案和方案（4）比较，可靠性将大大提高。不过，由于控制器工作站是监控站与一类主站的一体化，要求Soft PLC软件必须完成:

1）支持编程，包括主站应用程序的开发、编辑、调试；

2）执行应用程序；

3）通过Profibus接口对从站的数据读写；

4）从站远程参数化设臵；

5）主/从站故障报警与记录；

6）图形监控画面设计、数据库建立等监控程序的开发与调试；

7）设备组态、在线图形监控、数据存储与统计、报表等功能。

Soft PLC是将PLC的编程(IEC1131)及应用程序运行功能，和操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台坚固式PC机上，形成一个PLC与监控站一体的控制器工作站。

4.3 应用PROFIBUS构建控制系统应注意的问题

4.3.1 项目是否适于使用现场总线技术

任何一种先进的技术都有一定的适用范围，超出这个范围可能不会产生所期望的结果。当希望应用现场总线技术构建一个系统时，应着重考虑以下几个问题:

现场被控设备是否分散这是决定是否使用现场总线技术的关键。现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统。现场总线的优势在于节省大量的现场布线成本，使系统故障易于诊断与维护。对于具有集中I/O的单机控制系统，现场总线技术没有明显优势。当然，有些单机控制，在很难有空间用

于大量的I/O走线时，也可以考虑使用现场总线。

系统对底层设备是否有信息集成要求现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统，如需要建立车间监控系统，或需要建立全厂的CIMS系统。在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备及生产数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的底层数据。

系统对底层设备是否有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求现场总线技术特别适合用于有远程操作及监控的系统。

4.3.2 系统实时性要求

系统的实时性是指现场设备之间在最坏情况下完成一次数据交换，系统所能保证的最小时间。简言之，就是现场设备的通信数据更新速度。如果实际应用问题对系统响应有一定的实时性要求，可根据具体情况考虑决定是否采用现场总线技术。

4.3.3 采用什么样的系统结构

用户确定采用Profibus总线技术后，下一个问题就是采用什么样的系统结构配臵。这里主要包括两点需要考虑:一是系统的结构形式，一是总线的选型。

在考虑系统的结构形式时，要注意的是:（1）系统是否分层，分几层，是否需要车间层监控；（2）有无从站，有多少，分布如何，从站设备如何连接，现场设备是否有总线接口，可否采用分散式I/O连接从站，哪些设备需选用智能型I/O控制。可以根据现场设备地理分布进行分组并确定从站个数及从站功能的划分；

（3）有无主站，有多少，如何划分，如何连接。在考虑总线的选型时，主要考虑:（1）根据系统是离散量控制还是流程控制，确定选用DP还是PA，是否需要考虑本征安全；（2）根据系统对实时性要求及传输距离，决定现场总线数据传输速率；（3）根据是否需要车间级监控和监控站，确定是否用FMS及连接形式；（4）根据系统的可靠性要求及工程投入资金，决定主站形式及产品。

4.3.4 如何与车间或全厂自动化系统连接

要实现与车间自动化系统或全厂自动化系统的连接，设备层数据需要进入车间管理层数据库。设备层数据首先进入监控层的监控站，监控站的监控软件包具有一个在线监控数据库，这个数据库的数据分为两部分。一是在线数据，如设备状态、数值数据、报警信息等;另一类是历史数据，是对在线数据进行了一些统计分类后存储的数据，可作为生产数据完成日、月、年报表及设备运行记录报表。这部分历史数据通常需要进入车间级管理数据库。自动化行业流行的实时监控软件，如FIX, INTOUCH, CITECT, WINCC等，都具有ACCESS, SYBASE等数据库的接口。

工厂管理层数据库通过车间管理层得到设备层数据。

5 基于PROFIBUS现场总线的水厂自动控制系统

现场总线控制技术因其巨大的技术优势，已在各个领域如机械、化工、汽车、电力、楼宇等得到广泛应用。近年来在自来水行业的应用也越来越普遍，基于现场总线的水厂自动化控制系统，它采用了计算机数字化通信技术，使水处理工艺过程参数及设备加入到信息网络，成为企业信息网络的底层，这样公司级信息沟通的覆盖范围便一直延伸到了生产现场。在CIMS系统中，现场总线是水厂计算机网络到现场级设备的通道，是支撑现场级与水厂级信息的技术基础。

5.1水厂自控系统现场总线结构形式

`

PC PC PC

A型 B型 C型

图5 现场总线结构形式

以PLC为一类主站，PC机监控为二类主站连接至PROFIBUS总线上，二类主站可完成远程编程、参数化及在线监控功能等（如图5所示）。

现场总线PROFIBUS控制系统的结构形式配臵，需根据现场设备是否具备PROFIBUS接口及系统本身的实际需要来确定，图6为水厂PROFIBUS控制系统网络结构图。

中控室 PC PC PC

图6 水厂PROFIBUS控制系统网络结构图

选择该网络构成形式，其理由如下：

（1）水厂处理生产工艺流程的各个环节，环节与环节之间、环节内部需检测的参数与各个现场被控设备之间都相对比较分散，且项目(系统)对各个工艺环节的数据集成有较高的要求，除要达到远程操作、诊断、监控、参数化功能外，还必须为整个系统提供丰富的现场设备及生产数据，为全公司的信息系统提供重要的底层数据。而恰到好处的解决这些问题正是现场总线技术的最大优势。

（2）为确保实际应用项目(系统)的成功实施，现场总线PROFIBUS的一些关键性技术能否在水行业得到正常应用，主要是看它在本行业是否有应用先例，经过调研，确认PROFIBUS不仅在制造、电力等方面，在水行业也已有成功的应用，且有相当的业绩。

（3）根据水处理工艺流程，现场总线PROFIBUS将PLC分为四个工作站，一泵房站、二泵房站、加药站、滤池站及中心控制室、厂长室，并设臵为主站，而加药和滤池主站则配臵为分别带有8个和12个智能型I/O从站的PLC。对四个PLC工作主站，考虑到系统功能的要求及用户的需要，每站分别配臵了一台计算机和网卡作监控主站。

5.2 系统配臵及设备选型

系统采用PROFIBUS现场总线的典型应用产品，SIEMENS公司产品。

（1）主站选择

1）选择S7-300系列的CPU315--2DP为一类主站，它带有一个DP和一个MPI接口，速率为9.6kbit/s 12mbit/s，数据传输距离1200M，可连接I/0数目：DI/DO 1024 AI/AO 128

2）选择CP343-5通信处理器，将PLC连接到BROFIBUS上，数据传输速率为

9.6K，1.5MBT/S。

3）选择PC机加BROFIBUS网卡作过程监控的二类主站。

（1）从站选择

选择S7-200系列的CPU215-2DP为智能型I/O从站，最大数据传输速率为12M，本身带有14DI/10DO，亦可扩展到62DV58DO或12AV4AO。

5.3 系统控制要求及控制方案的实现

5.3.1 中控室控制

为使水处理工艺各个环节的生产数据和生产现场设备在调度控制中心被实时监视控制，厂调度室和厂长室都配有一台惠普电脑连接至PROFIBUS现场总线上，通过Wincc组态图形软件既能监视各站点生产状况，又能控制操作现场设备的各种状态，达到非常理想的集中控制功能。

操作系统为WINDOWS NT WORKSTATION Ver 4.0, KER-NEL SP4 0监控平台使用美国Intellution公司的FIXMMI工业控制软件，直接嵌入NT操作系统内部。实现了生产现场的动态监控，调度主站的上位机具有监视、实时控制、数据记录、报表打印功能。直观的组态图形可以使调度答理人员监视到现场工艺动态流程;重要设备的运行状态；各工作站的工艺参数、机电参数、滤池反冲工艺参数;设备的启停及阀门的动作情况;实时控制实现了对滤池反冲过程参数的设定与修改;包括水位的设定;报警上、下限的设定。数据记录功能记录了各测量点200天的数据，完全满足了历史查询的需要。报表打印可打印过去有效时间的下作日志，也可即时打印，满足了生产数据的存档。调度主站操作系统设有操作员权限，即考虑到调度操作的方便，又有效地防止了关人员的误操作。

5.3.2 手动、自动控制

为了维护方便、操作灵活对各个PLC站点的设备均设臵有手动、键控和全自动控制方式。一泵房PLC通过PROFIBUS接受二泵房PIE采集的清水池水位，出

厂水流量等数据，对一泵房机组进行全自动闭环控制，二泵房则通过网络根据调度室确定的指令及流量、压力、设备状况进行自动控制。

5.3.3 滤池控制

滤池控制PIE站点，在控制室柜中装有西门子CPU 315PLC，在每格滤池操作台内装有西门子CPU215-2DP PLC，它们之间通过DP端口利用屏蔽双绞线连接在一起，构成PROFIBUS—DP总线，其中S7-300是主站，其它12台S7-200是从站，实现对滤池的全自动反冲洗。

我国于八十年代开始引进法国DEGREMONT(德利满)公司开发的V型滤池，V型滤池过滤和滤料再生的自动控制是滤池正常生产运行的保障。我们采用了可编程序控制器和工业电脑（PLC+IPC）组成的实时多任务集散型控制系统，对滤池过滤和反冲洗实行自动控制。其功能是:实现六套系统恒水过滤；滤池反冲自动化、实现调度对工艺的实时监控。整个控制系统是基于西门子系列可编程控制器对六个滤池控制由两套S7-300PLC实现。S7—200PLC控制六个滤池的反冲泵和风机系统，完成对六个滤池反冲的自动控制。

滤池恒水位过程的控制主要通过调节滤后水调节阀实现水位的恒定，在滤池的相应部位安装了水位传感仪、水头损失传感器。滤池的过滤就是通过它们测出滤池的水位和水头损失，将水位值及滤后水阀门的开启度送入PLC，经PLC中PID模块运算，调节滤后水调节阀实现水位的恒定，设计中应用PID模块，仅采用比例、积分控制，关闭微分回路，较好的实现了恒水位控制。

一组滤池的反冲洗由S7- 300来控制。当过滤达到过滤周期或滤池压差(水头)设定值时，滤池提出反冲洗请求，S7- 300根据滤池的优先秩序，组成一个请求反冲洗队列。一旦响应某个滤池的请求，PLC实施反冲洗的整个过程，在一组滤板中，不允许两个滤池同时进行反冲洗。当一只滤池正在反冲洗时.其它滤池请求反冲洗的信号则存入公用的PLC中，然后再按存储秩序，对滤池依次进行反冲洗。调度对滤池的监控通过PROFIBUS总线通信实现。

滤池反冲洗时，PLC的控制过程:打开反冲洗排水阀，当滤池水位下降到洗砂排水槽顶时，关闭滤后水控制阀；启动鼓风机，5秒钟后，打开滤池反冲洗气阀，对滤池进行1分钟气预冲；打开反冲洗水阀，启动反冲洗水泵，进行7分钟的气水同时反冲洗；关闭反冲洗气阀，5秒钟后，停鼓风机，打开空气隔膜阀排气，进行5分钟清水反冲漂洗后，停反冲水泵。5秒钟后，关闭水反冲洗阀，然后关闭反冲洗排水阀，打开待滤水进水阀，滤池恢复过滤。整个反冲洗过程历时约25分钟。

另外，PLC还能控制滤池的开启个数，它根据滤池进水流量确定滤池的开启个数，按先停先开的原则确定某个滤池的开、停。反冲过程执行时间可由监控微

机改变或TD200现场操作。调度对滤池的监控通过PROFIBUS总线通信实现。V型滤池自控部分设计了自动与手动两种功能，当自动部分出故障时，手动也能控制生产，保证了生产的正常进行。

5.3.4 加药房控制

加矾加氯及行车、反应池排泥站点，在控制室柜中装有西门子CPU 315 PLC为主站，在行车、反应池排泥处装有S7-200PLC为从站，共8台，它们之间连成PROFIBUS-DP总线，使行车排泥按时段进行全自动工作，加矾按流量比例前馈、SCD反馈控制，加氯按流量比例、余氯反馈闭环控制。

6课题总结

随着社会生产规模的扩大、生产水平的提高，电气控制技术的发展在不断前进，本课题正是在适应了电气控制技术的发展，并在结合了所研究的水厂的实际需要出发，提出了将先进的现场总线技术、以太网技术与传统的机械电气技术结合起来，使得该系统在满足该水厂在实际生产中的各项要求的同时还保证了该系统具有了相当的先进性。

由于本人是初次接触这样的课题，所以在系统的设计与开发中也总有不完善和值得探讨的地方。在论文的最后，我小结了几点，作为课题今后工作和努力的方向:

（1）优化下位机的可编程控制器的控制程序，使程序在能满足整个系统功能需要的基础上尽量简单，这样的程序才具有较强的可读性。这些是建立在实际现场经验的积累的基础上的。

（2）进一步熟练掌握工控技术和人机界面技术，对现有的画面和人机界面进一步优化，使之具有更好的交互性。

（3）进一步学习掌握现场总线控制技术及以太网技术，为以后组建整个水厂企业网打下坚实的基础。

（4）进一步探索传统的机械技术与先进现场总线技术等控制技术的结合点，并将之更好的应用到实际生产中去，进一步的促进机电液一体化技术的发展。 致谢

本文是在导师的精心指导和鼓励下完成的。大学期间，导师在学习上给了我们不倦的教导，在生活上给了我们殷切关怀和帮助。她学识渊博、思维敏捷、治学严谨、为人真诚，使我在大学学习过程中受益非浅。导师高尚的师德及对我的严格要求将使我受益终生。作为导师的学生，我感到非常的自豪和幸运。在此，向导师表示衷心的感谢。

感谢机电学院的老师们和在一起奋斗的兄弟们，谢谢你们对我的关心和帮助!

更感谢父母对我多年的辛勤培育，家人对我长期的支持与鼓励!

最后，谨向所有关心和帮助过我的人致以衷心的谢意!

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