基于Profibus总线的海上油田电潜泵控制系统设计与应用

李志鹏 苗 杰

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

0 引言

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线技术得以实现的一个关键，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产品，系统集成商们能按照标准将不同产品组成系统，这就提出了一个确立现场总线标准的问题。Profibus就是所有现场总线标准中的一种，而Profibus-DP则是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信协议。

下面将详细介绍Profibus-DP现场总线在控制系统中的应用，并讨论如何用它来实现海上油田电潜泵控制系统的设计。

1 设计概要

以潜油电泵所采用的西门子G150变频控制系统为例，本设计基于Profibus-DP通信协议构建一个简单的控制系统实例。系统结构如图1所示。

图1 本设计的控制系统图

本系统可以应用于变频移动控制站。

2 主要系统硬件组成

（1）上位机：装有CP5611通信板卡的工控机电脑。

上位机系统：Windows XP操作系统、WinCC6.0组态软件、STEP7 5.3 PLC程序设计软件。

（2）PLC：采用西门子PLC S7-314C-2DP。此PLC硬件参数为：64 KB工作存储器；0.1 ms/1 000条指令；集成有DI24/DO16、AI5/AO2；4路脉冲输出（2.5 kHz）；4通道计数与测量增量型编码器24 V（60 kHz）；集成定位功能；MPI+DP连接器（DP主站或DP从站）；多排最多可组态31个模块；用于直接数据交换的发送和接收功能、恒定总线循环时间、路由、S7通信（可装载的FBs/FCs）、固化程序V2.0。

（3）变频器：西门子G150变频器，拥有Profibus接口的控制单元，如图2所示。

图2 西门子G150系列变频器带Profibus接口的控制单元

（4）所有硬件通过屏蔽双绞电缆和RS485连接。因为有中端电阻，电缆必须通过Profibus连接器连接，连接器如图3所示。

图3 有PG/PC连接的Profibus连接器

3 在STEP7中的系统硬件组态结构

在STEP7 5.3中，通过硬件添加即可组态这个硬件系统，设置相关参数后即可测试各硬件的连接状态。

组态步骤：新建项目→插入站点SIMATIC300→进入SIMATIC300硬件配置→在右侧硬件栏中选择SIMATIC300导轨：RACK-300→在导轨第一栏中添加PS-300中的一个电源→在导轨第二栏中添加CPU-300中的PLC S7-314C-2DP→设置DP中的参数，为其添加Profibus通信网络，此处速率选择了1.5Mbit/s，地址为30→在Profibus总线上添加变频器设备（若没有该硬件，可通过安装其GSD文件添加此硬件）→设置变频器控制单元上的地址，要与此变频器物理地址一致→在变频器插槽中添加其报文类型为Telegram MAX:16/16 PZD，其起止地址可设置为0～31。

STEP7下的硬件组态如图4所示。

表1 西门子G150变频器Profibus的报文结构

图4 STEP7下的硬件组态

4 在WinCC中的系统组态

WinCC系列组态软件是西门子公司针对自动化控制系统而开发的，实现了对控制系统的实时监控。它是对S7-300系列PLC监控的主要方法，通过组态监控界面对系统进行监控可以增加人机交互的能力，使操作人员实时地监控系统工作情况，并使系统操作变得方便。

WinCC采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好的选择。通过ActiveX、OPC、SQL等标准接口，WinCC可以方便地与其他软件进行通信。

WinCC的设置：在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择SIMATIC S7 Protocol Suite.chn→在其中的Profibus属性中设置站地址，此地址与PLC通信模块的地址一致，这里设置为30→建立外部变量，各变量地址对应PLC中的数据地址。

5 西门子G150变频器Profibus的报文结构

西门子G150变频器Profibus的报文结构如表1所示。

若使用标准报文，则将P0922参数设置为352。若使用自由报文，则将P0922参数设置为999。PIW0即为STW1对PLC的输入地址，PQW2即为PLC对频率设定值的输出地址，PIW4即为电流实际值对PLC的输入地址。各实际值均为16位，如速度实际值：位15确定速度实际值的符号，0为正，1为负，速度实际值通过P2000设定N_act=4000hex或16384dec=P2000中的速度。

6 结语

通过这种方式，G150变频器与PLC的通信很方便，变频器通过报文与PLC数据块中定义的地址连接，而上位机中的WinCC通过定义变量可以对PLC程序数据块中的地址进行访问，如此便实现了整个系统的数据通信及上位机控制。

通过上位机WinCC组态与PLC程序设计，可以实现很多的系统功能，包括数据通信、状态监视、系统控制、运行记录等，实现了对现场多个油井的潜油电泵进行集中监控，有效提高了整个油田生产系统的操作及运维效率。