基于多级网络的高炉渣粒化监控系统的设计

田海，张勇

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

控制网络是自动控制技术和计算机通信技术发展和融合的网络化自动控制技术。当今工业控制网络系统正朝着数据集成化、通讯网络化、控制分散化和节点设备智能化的特征方向发展。由于技术发展的历史原因，再加上市场利益的作用，目前，自动化领域内有多种体系结构的控制网络系统同时存在，随之而产生了大量的支持不同通讯协议的智能设备，这种局面使具有智能接口设备的互连互操作遇到了障碍，导致了所谓的自动化系统“信息孤岛”现象，并且多种公开协议并存的局面在短时间内很难改变。“系统集成”成为当前制约控制网络发展的一个瓶颈问题[1]。

1 监控系统的总体方案

系统改造设计要求高炉渣粒化监控系统要提供一套分散性和开放性较好的网络通讯方案，实现数据的“无缝融合”。结合各工艺环节现场智能设备的接口现状和分散性，监控系统总体方案采用多协议、多级网络数据集成的方式，满足从现场设备层、过程监控层到企业管理层不同层面控制通讯的需求。系统的网络结构如图1所示。

2 网路结构设计及硬件配置

2.1 过程监控层

图1 监控系统网络结构图

该系统现场设备的分散性较强，具有较明显的现场总线控制特征，所以设计要求选择一种实时性、公开性和集成性较强的现场总线，对于支持其它协议的智能设备通过协议转换的方式将数据集成到该现场总线。通过对行业内目前流行的几种现场总线各方面性能进行综合评估，最终选定Profibus-DP现场总线，Profibus-DP(简称为DP)是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，主要用于设备级控制系统与远程I/O的一种通讯协议，特别适用于 PLC与现场分散式I/O间的通讯[2]。西门子PLC以其软件功能丰富、硬件系列齐全、可靠性高，特别是组网能力强大等优点，在工业控制领域得到广泛的应用，所以DP现场总线的中央控制器采用西门子公司的全集成自动化产品S7－300PLC，型号为CPU315－2DP，以其自身集成的 DP通讯口作为Profibus-DP网络主站。

高炉渣粒化车间的过程监控PC机与主站CPU315－2DP采用MPI(Multi-point Interface)通讯。MPI是一种低成本、用法简单、经济有效的网络解决方案，适用于小范围、少数站点间对通讯速率要求不高，通讯数据量不大的一种通讯方式，是西门子公司开发的专用通讯协议(非公开协议)。MPI接口是CPU315－2DP本机集成的通讯接口，主要用于硬件组态、编程，也可以在不增加其它软硬件开销的情况下利用该通讯口构成MPI数据通讯网络。通过对该过程监控层所需监控组态数据量的测算，在满足控制实时性并留有足够裕量的情况下，MPI网络完全可以满足数据通讯需求。所以该部分网络数据通讯采用MPI方式，过程监控PC机通过CP5611网卡与 CPU315－2DP的 MPI口直接连接，在监控PC机内通过Wincc7.0组态软件对CPU315－2DP内数据的变量连接和组态，完成对现场工艺参数的检测、控制、报警、故障判断、打印报表和查询等功能[3]。

2.2 现场设备层

通过对现场设备的通讯能力进行统计分析，分为以下四种情况，分别采取不同的数据集成方式。

(1)不带通讯接口的设备。通过合理的区域划分，在设备就近处设立若干个由ET200M和相应S7－300系列扩展模块组成的分散I/O站，直接面向现场采集和输出信号。各远程I/O通过接口模块IM153接入 Profibus-DP总线，在 STEP7中通过硬件组态使其成为DP总线的从站。由数字信号替代模拟信号的长距离传输方式，极大的减少了故障隐患和系统成本，使系统结构简化并可以充分利用Profibus进行故障诊断。

(2)支持DP通讯协议的设备。对于带标准DP通讯接口且支持Profibus协议的设备，通过各自的Profibus-DP通讯板直接接入DP网络，在STEP7中导入相应的GSD(General Station Description)文件通过硬件组态成为该Profibus-DP网络的一个从站。

(3)支持Modbus通讯协议的设备。Modbus是目前全球工业领域最流行的通讯协议之一，是一种主/从方式的数据通讯协议。针对本系统中Modbus到Profibus数据集成方式可以有以下几种参考方案。方案一:通过S7－200PLC集成。在西门子系列PLC中只有S7－200PLC中配备了 Modbus RTU通讯协议[4]，文献[4]中详细介绍了以S7－200PLC作为主站构成 Modbus通讯网络配置和主站软件的设计方法。但在本设计中，通过Modbus通讯网络将Modbus设备数据集成到S7－200PLC中后，还需将数据再集成到 Profibus-DP网络中，所以除了配置 S7－200PLC(Modbus网络中作主站)还需加装EM277通讯模块(DP网络中作从站)，硬件配置成本较高，同时S7－200PLC作为 Modbus网络主站的通讯软件开发也有一定的难度，所以不采用该方法。方案二:通过CP341通讯模块集成。在中央控制器CPU315－2DP主机架的扩展槽位上装载 CP341点对点通讯模块，另外购买Modbus RTU协议驱动软件来完成与现场Modbus设备的通讯，该方案软、硬件的投资成本较高，并且CP341通讯模块没有配置于现场，不能满足系统分散性的设计要求，故放弃了该方案。方案三:通过ASCII Driver协议的中间转换方法。该方案也需增设CP341通讯模块，通过软件编程的开发方法，使用集成在 CP341通讯模块内的 ASCII Driver协议来实现 Modbus RTU协议[5]，文献[5]中详细介绍了该方法的实现过程。该方案虽然免除了购买西门子公司Modbus RTU协议驱动模块的开销，但硬件成本仍然较高，最突出的问题是软件开发难度较大，不适合工程应用，故没有采用该方案。通过综合考虑，最终采用Profibus-Modbus协议总线桥(简称PB-M总线桥，北京鼎实创新科技公司产品，型号为PB-B-MM/RS232/485/V32)实现 Modbus RTU到 Profibus的协议转换，采用PB-M总线桥硬件成本相对较低，更重要的是软件开发难度较小，只需硬件组态而不需要编写通讯程序。

(4)支持AS-i通讯协议的设备。AS-i(Actuator/Sensor-interface)是符合IEC TG17B国际标准的现场总线协议，它位于控制网络最底层，用于现场自动化设备(即传感器和执行器)的双向数据通讯网络，是控制网络技术中成本最低、最简单的网络解决方案。系统中的反冲水装置是由微型控制器LOGO控制的一个独立系统，该LOGO控制器内置AS-i芯片，通过本机集成的AS-i接口可以将LOGO作为AS-i网络中的一个从站使用。为充分利用DP总线分散性现场控制的优势，设计时，将AS-i网络的主站模块CP343－2P安装在就近的DP从站ET200M的机架上。通过AS-i网络的主站模块CP343－2P将独立系统LOGO的数据集成到监控系统中。

2.3 企业管理层

针对企业管理层(先期建成的工业以太网)对数据集成的需要，通过在DP现场总线主站CPU315－2DP主机架的槽位扩展以太网CP343－1通信处理器，将CPU315－2DP主站内选择性的监控数据集成到企业管理层SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统中。在企业管理层监控中心PC内通过设置严格的访问权限，可以完成对整个系统监视和控制。

3 结束语

在高炉渣粒化监控系统改造设计时，针对新、老设备通讯接口支持不同协议标准的现状和设备分散性突出的特点，通过考察目前工控市场的软硬件开发环境，选择开放性和分散性较好Profibus网络平台，通过各种转换方式，将远程I/O从站(由ET200M接入)、DP设备、Modbus设备和AS－i设备的数据集成到统一的环境下，并通过协议转换的方法将企业管理层需要的数据集成到工业以太网，构成一个信息无缝连接的完整、协调的监控系统。在高效和安全的环境下，实现了对监控和管理任务的优化，本文可以给相似监控系统的设计提供一些思路和方法。

[1]阳宪惠.工业数据通讯与控制网络[M].北京:清华大学出版，2003.

[2]刘锴，周海.深入浅出西门子 S7－300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.

[3]田海，崔桂梅，王晓红，等.西门子 PLC控制网络的配置策略与应用[J].电气传动，2010，40(1):76 －80.

[4]何志勇，张茂青，钱伟清.PLC主站对 Modbus网络的监控方法[J].电气自动化，2007，29(2):26 －28.

[5]边凌燕.基于CP341模块的Modbus协议免驱动应用[J].电气传动，2009，39(2):72－75.