工业以太网及PROFIBUS-DP总线在啤酒发酵控制系统中的应用

张 杰

(通化师范学院，吉林 通化 134002)

工业以太网通讯及PROFIBUS-DP总线技术的不断成熟与完善，及其可靠性与安全性的不断提高，使其在各个领域得到广泛的应用.Ethernet网络以其高速通讯能力广泛应用于管理层，PROFIBUS-DP用于过程控制层的高速数据传送.PROFIBUS-DP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.除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理.而AS-interface现场级总线以其安装简单、成本低廉、稳定可靠性在啤酒、饮料行业得到的广泛应用.

该系统采用Ethernet网络，PROFIBUS-DP总线，AS-interface总线，不仅满足了啤酒发酵工艺的需要，而且使安装、调试、维修更加方便、快捷，使控制系统在长时间内保持良好的先进性.

1 系统网络拓扑结构

图1 网络拓扑图

该电气控制系统由两台上位机、一套S7412-2DP PLC(作为主站)、三套ET-200M、二套DP/AS-i总线控制系统(作为从站)组成，网络拓扑图如图1所示.

2 系统硬件结构

上位机配置：研华工控机，配置为P IV/2.6G/1G/120G/DVD/19"LCD.

下位机配置：主站：①中央处理模块：CPU412-2DP(addr2)；②电源模块：PS 407 10A；③通讯模块：CP 443-1.

从站：ET 200M(addr3).

①总线接口模块：6ES7 153-1AA83-0XB0.

②模拟量输入模块：3×8RTD 6ES7 331-7PF00-OAB0；3×8AI 6ES7 331-7KF02-OAB0.

③模拟量输出模块：1×2AO 6ES7 332-5HB01-OAB0.

④数字量输出模块：1×32DO 6ES7 322-1BL00-OAA0；ET 200M(addr4).

①总线接口模块：6ES7 153-1AA83-0XB0.

②模拟量输入模块：3×8RTD 6ES7 331-7PF00-OAB0；2×8AI 6ES7 331-7KF02-OAB0.

③数字量输出模块：1×32DO 6ES7 322-1BL00-OAA0；ET 200M(addr5).

①总线接口模块：6ES7 153-1AA83-0XB0.

②数字量输入模块：1×16DI 6ES7 321-1BH00-OAA0；2×32DI 6ES7 321-1BL00-OAA0.

③数字量输出模块：2×32DO 6ES7 322-1BL00-OAA0；DP/AS-i Link站(addr6和addr7).

我们选用的是德国IFM AS-I-DP-CONTROLLER其中包括：

①AS-i MASTER模块：在精确的时间间隔内向其它站点从站传送数据.

②AS-i POWER模块：用于对从站供电，电压等级为30VDC.AS-i 电源必需能够同时保证数据解耦和从站供电(普通标准电源不适合).

③AS-i SLAVE I/O模块：用于直接安装在现场.

④黄色和黑色标准扁平电缆.

3 系统软件配置

上位机人机界面软件在WINDOWS XP环境下运行，利用Wonderware公司组态软件INTOUCH V9.0，以S7-400PLC为中心，PLC与上位机之间采用以太网连接，PLC与ET200M和IFM DP/AS-i CONTROLLER之间由PROFIBUS-DP网络连接，IFM DP/AS-i CONTROLLER部分组态软件由IFM产品厂家提供，在组态前将此信息拷到SIEMENSSTEP7S7DATAGSD下，再启动STEP7管理软件-硬件组态OPTIONS-UPDATEDDB FILES，然后在硬件组态中PROFIBUS-DP上加入ADDITIONAL FIELD DEVICES的相应设备，SIEMENS STEP7即可认识这个外公司产品的网络组态连接.这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统高效地运行.

系统软件配置如下：

①首先通过SIMATIC NET COML S7创建一个*.TXT和一个*.LDB文件，如图2(SIMATIC NET配置图)所示，为SMATIC NET通过标准的以太网卡连接SIEMENS CP 443-1模块.编辑S7连接参数，其中网络类型选择TCP/IP，NAME:S7_TCPIP，VFD NAME:VFD1，REMOTE ADDRESS:192.168.1.59，LOCAL TSAP(The Transport Service Access Point):01.00，后两位必须设置为零，ROMOTE ISAP:03.03，前两位数字含义，01=PG，02=OS，03=others，后两位数字含义，一般设置为03.0X，0代表机架号，X代表CPU插入槽号，然后保存到SINEC/COMS7.NT文件夹下，之后生成一个*.LDB文件，同样存在相同的文件夹下.

②Setting the PG/PC interface，设置PG/PC参数，S7协议选择生成*.TXT和*.LDB的目录文件.

③打开S7项目SIMATIC Manager S7 400管理器，设置CP 443-1地址，IP地址设置192.168.1.59，子网掩码为255.255.255.0，物理地址默认.然后用D：》PING192.168.1.59命令测试通讯PC与CP443-1通讯.

④配置S7 I/O SERVER，如图3(I/O SERVER配置图)所示，这里CP-NAME：S7ONLINE，VFD选择前面的VFD1名，CONECTION选择前面的S7_TCPIP.

⑤测试S7 TCP/IP和Wonderware S7 I/O Server通讯.用WWClient进行测试.

图2 SIMATIC NET配置图

图3 I/O SERVER配置图

软件配置完成测试成功后，通过人机界面，可实现对整个系统的动态监控管理，如故障报警，故障复位，状态记录，历史查询，温控曲线、工艺曲线等功能.

下位机组态软件为SIEMENS公司STEP7 V5.4工具包开发梯形图，STEP7 V5.4完成下位机组态和编程，下位机PLC完成生产工艺的全部任务.

系统主要输入输出信号：该系统中发酵罐有12个，每个罐有三个温带区，分上温、中温、下温，并带有压力控制、温度、液位显示，每个温带区通过控制该区电磁阀实现各区温度控制，清酒罐有4个，控制与发酵罐相同.阀阵四个，每个阀阵有27个现场从站设备(双密封单座阀和双座阀)，其中发酵罐与清酒罐由ET-200M(Addr3)和ET-200M(Addr4)中模块控制，而现场阀阵由ET-200M(Addr5)、DP/AS-i Link站(Addr6)、DP/AS-i Link站(Addr7)中模块控制完成.阀阵主要是CIP清洗管道和罐装车间用，当罐装车间有罐装要求时，相应的阀门打开，另一些阀门按照PLC程序关闭.每个温带区的温度控制均采用恒温供冷方式，恒温供冷控制系统根据发酵工艺要求设定的温度值(SV值)与温度传感器测定的现场温度值(PV值)之偏差ΔT=SV-PV进行控制.通过PLC内部的PID运算，当ΔT>0时，提高控制阀门开断时间，从而使阀门开时间增大，实现冷媒流量的增加，使实际温度趋向设定值.当ΔT<0时，降低阀门开通时间，从而减少冷媒流量，实现冷媒温度的减少，使实际温度趋向设定值.当ΔT=0时，维持不变的开阀时间，以保证冷媒温度的恒定.

4 系统操作流程(如图4所示)

图4 系统操作流程

控制过程：依次合上低压柜内的电源总开关；控制电源开关，PLC柜上控制电源指示灯亮；启动上位机.

通过上位机人机界面首先进入主画面，用户登陆，验证用户身份后进入相应画面，其中：

退出系统级：权限只能退出系统，确保程序正常退出，减小程序出错几率，其它级别人员不能随便退出系统，以保持程序运行不被间断，保持历史数据连续性.

管理员级：除有退出级权限外，还能进行增加、删除用户，更改用户权限，更新数据库，诊断系统故障等.

超级管理员级：除上述权限外，能进行程序设计，编译、修改等.

操作员级：操作员具有监控生产各个阶段过程监控，各阶段曲线、记录浏览及帮助信息.

工艺员级：工艺员级除具有操作员级权限外，还能进行增加新工艺、新工艺参数设定、修改、原工艺参数设定、修改、及各工艺运行情况监控等.

5 结束语

本系统自动化程度较高，数据采集量大，通过使用以网和PROFIBUS-DP总线，在通信响应时间和数据传输正确率等各技术指标上完全达到了系统设计要求，充分体现出了S7-400系列PLC强大的通信能力和在分布式工控系统中良好的适应性.通过采用SIEMENS的产品和技术，系统基本达到设计要求，使啤酒发酵控制变得简单，生产效率明显提高，运行效果较好.而且该系统成本优势是非常可观的，采用AS-interface后，可以节约至少25%的安装费用.尽管采用AS-interface模块的初始成本比较高，但实际应用结果表明，它是一种低成本的、稳定的、最佳的解决方案，通常可节约20%的成本.

参考文献：

[1]许洪华．现场总线与工业以太网技术[M]．北京：电子工业出版社，2007．

[2]廖常初．S7-300/400 PLC应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[3]崔坚．西门子工业网络通信指南[M]．北京：机械工业出版社，2005．