采用profibus网络技术与PLC实现电力参数监控系统设计

1 引言

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

编写ob1时，双击打开ob1系统块，首先选择合适的编程语言，比如梯形图语言，根据工作任务要求调用系统提供的标准功能块，来完成从站的软件编程设计，如通过系统功能块可以完成分布从站仪表数据的接收及从站仪表是否在线工作诊断等。在主程序中，接收或发送数据使用db块。db块是用来存储系统数据的数据块，在db块使用之前，需要定义它的存储类型，大小等参数。在系统运行时，如果想在线监控db存储区中的数据，则可以建立一个数据变量表vat(如图3中的vat_1)，并在vat中添加需要监控的数据变量地址，程序在线运行时，即可观察到存储区的数据内容，这样整个监控层的就设计完毕，编译无误，即可与系统的网络组态分别下载到plc控制器中正常工作。

4.2 人机界面(hmi)的开发设计

人机界面(hmi, human machine interface)的开发采用力控组态软件来完成。在设计过程中，首先需要开发专门的仪表驱动程序，并将其添加到力控组态软件的i/o驱动列表中。进行组态时，建立一个新的i/o设备连接，并设定好plc的属性，然后在力控实时数据库系统中进行数据连接组态。在profibus网络通信中，各从站的参数信息已传输到主站中，故只需建立起力控组态环境中的各个点参数与plc数据块中参数变量的对应连接，力控软件便可间接读取各个从站的参数信息，从而使组态画面完成对各个现场从站设备的监控。力控软件还提供了远程访问功能，使用户可以通过网络远程查看系统中各个现场设备的参数数据。

5 结束语

济南国际机场航站楼电力参数监控系统已经投入运行，实践证明，该系统采用profibus网络技术来实现分布式监控，网络速度快、可靠性高、具有良好的可扩展性、抗干扰能力强、同时节约了安装、调试和设备维护的费用，提高了系统功能和管理水平。