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基于Profibus现场总线的水处理监控系统

作者：修瑞霞

来源：《科技视界》2012年第25期

【摘要】介绍了Profibus现场总线技术的主要特点，并结合水处理监控系统介绍了基于Profibus现场总线的水处理监控系统的软、硬件配置以及两者之间接口的实现方法。 【关键词】监控系统；水泵；Profibus；PLC；WINCC 前言

现场总线是20世界80年代中期在国际上发展起来的。它应用在生产现场，实现微机化测量设备之间的散化、网络化、智能化方向的发展，一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，到全世界的普遍关注。自80年代末以来，几种现场总线技术如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响。Profibus等已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响。Profibus是Process FieldBus的缩写，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，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。

本文以我公司水处理监控系统为例，简介Profibus现场总线技术在监控系统中的应用。 1 Profibus现场总线技术 1.2 总线拓朴结构

根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构可有多种形式，通常采用以下三种：线形、树形和环形。Profibus采用的是线形结构，其特点是简明，用一根总干线从控制器连到机械装置（控制对象），总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道。在这种总线结构下，可实现多主式和对等工通信，可以两个控制器共享同一个系统中的信息和I/O站。另外，不需关闭总线系统就可以把一个I/O设备从总线上拆下，这给总线系统的维护带来了很大方便。 2 水处理监控系统的硬件结构

Profibus-DP被应用于我公司水处理能控系统，整个系统由上位机、Profibus-DP主站、Profibus-DP从站及其现场设备组成。Profibus-DP总线将所有设备连接起来。其中，Profibus-DP主站、Profibus-DP从站均采用SIMATIC S7-300的模块系列，主站为CPU315-2DP系列模块，从站为相应I/O模块。如图1所示：

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（1）分布式I/O系统，本系统采用ET200通讯模块等Profibus-DP相连接，ET200充分利用了SIMATIC S7-300的模块系列，将所有的S7-300 I/O模块通过接口模板IM153与现场总线相连。I/O模块下的执行器和传感器连接到现场设备，I/O模块按主/从模块向现场设备提供输出数据并向CPU或上位机馈送输入数据。I/O模块属于DP从站。

（2）CPU 作为DP类型1主站，CPU位于控制中心，本系统采用CPU315-2DP模块化型PLC，它具有强大的处理能力，并集成了Profibus-DP现场总线接口装置，同时还具有0.3ms处理1024个语句的速度。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到

CPU315，并存储在CPU315中。CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制硬件设备。 3 水处理监控系统的软件结构

软件结构部分包括Windows xp操作系统、下位机编程软件、上位机监控软件。 3.1 下位机编程软件

本系统采用SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。通常，用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC是用户子程序。DB是用户定义的用于存储取数据的存取区，本系统中它是上位机监控软件与STEP7程序的数据接口点。在MPI中配置与其相对应的DB块就可实现上位机监控软件WINCC与STEP7程序的数据接口。 3.2 上位机监控软件

WINCC工控组态软件是由西门子公司开发的大型应用软件，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通讯等组件，提供一个友好的用户界面，使用户可根据实际生产需要生成相应的应用软件。

3.2.1 与Profibus现场总线的接口

（1）PLC运用I/O驱动程序从设备中读写数据，每个I/O驱动程序支持其特定硬件。对于本系统的PROFIBUS网络，采用DP驱动程序获取其数据。PLC软件首先通过DP驱动程序软件接口从现场的过程硬件中获取数据，存入PLC的内部数据库。

（2）MPI驱动程序的应用中很重要的问题是STEP7和WINCC软件数据连接的问题，WINCC软件通过建立变量将WINCC与PLC得数据连接起来。 3.2.2 用户界面开发

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本控制系统开发的人机接口界面有以下几种： （1）主画面

开机时直接进入主画面，显示整个水处理系统的各个子系统，并由此进入各个子系统画面。

（2）信息显示画面

信息显示画面主要显示水处理当前运行状态信息值，如当前各水循环系统的压力、水池水位，各个水泵电机的电流值等。如下图所示： （3）设备控制画面

尽管下位机程序能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，并实现PID控制等一些简单的控制算法，但控制功能仍需要在上位机上实现人工控制，（下转第187页）（上接第72页）在画面中点击相应设备按钮就可对该设备进行单独控制。如下图所示： （4）实时报警处理

对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理并自动进行相应的设备控制，如对故障信号的解锁及其恢复等。 （5）实时数据曲线显示

监视设备重要参数的变化趋势曲线，从而可以了解设备在一段时间的运行状况。 （6）历史趋势画面

功能与实时数据曲线类似，只是它显示的是过去一段时间设备的运行参数值。 我公司水处理监控系统现已投入运行多年，设备运转情况良好，经济效益显著。 4 结束语

PROFIBUS现场总线是一种国际化、开放式异步通讯标准，于1996年被批准为国际标准。PROFIBUS已经广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化等。