基于Profibus總線的海上油田電潛泵控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

李志鵬 苗 杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

0 引言

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線技術(shù)得以實現(xiàn)的一個關(guān)鍵，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商們能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)，這就提出了一個確立現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。Profibus就是所有現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中的一種，而Profibus-DP則是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信協(xié)議。

下面將詳細介紹Profibus-DP現(xiàn)場總線在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并討論如何用它來實現(xiàn)海上油田電潛泵控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 設(shè)計概要

以潛油電泵所采用的西門子G150變頻控制系統(tǒng)為例，本設(shè)計基于Profibus-DP通信協(xié)議構(gòu)建一個簡單的控制系統(tǒng)實例。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 本設(shè)計的控制系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)可以應(yīng)用于變頻移動控制站。

2 主要系統(tǒng)硬件組成

（1）上位機：裝有CP5611通信板卡的工控機電腦。

上位機系統(tǒng)：Windows XP操作系統(tǒng)、WinCC6.0組態(tài)軟件、STEP7 5.3 PLC程序設(shè)計軟件。

（2）PLC：采用西門子PLC S7-314C-2DP。此PLC硬件參數(shù)為：64 KB工作存儲器；0.1 ms/1 000條指令；集成有DI24/DO16、AI5/AO2；4路脈沖輸出（2.5 kHz）；4通道計數(shù)與測量增量型編碼器24 V（60 kHz）；集成定位功能；MPI+DP連接器（DP主站或DP從站）；多排最多可組態(tài)31個模塊；用于直接數(shù)據(jù)交換的發(fā)送和接收功能、恒定總線循環(huán)時間、路由、S7通信（可裝載的FBs/FCs）、固化程序V2.0。

（3）變頻器：西門子G150變頻器，擁有Profibus接口的控制單元，如圖2所示。

圖2 西門子G150系列變頻器帶Profibus接口的控制單元

（4）所有硬件通過屏蔽雙絞電纜和RS485連接。因為有中端電阻，電纜必須通過Profibus連接器連接，連接器如圖3所示。

圖3 有PG/PC連接的Profibus連接器

3 在STEP7中的系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

在STEP7 5.3中，通過硬件添加即可組態(tài)這個硬件系統(tǒng)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后即可測試各硬件的連接狀態(tài)。

組態(tài)步驟：新建項目→插入站點SIMATIC300→進入SIMATIC300硬件配置→在右側(cè)硬件欄中選擇SIMATIC300導(dǎo)軌：RACK-300→在導(dǎo)軌第一欄中添加PS-300中的一個電源→在導(dǎo)軌第二欄中添加CPU-300中的PLC S7-314C-2DP→設(shè)置DP中的參數(shù)，為其添加Profibus通信網(wǎng)絡(luò)，此處速率選擇了1.5Mbit/s，地址為30→在Profibus總線上添加變頻器設(shè)備（若沒有該硬件，可通過安裝其GSD文件添加此硬件）→設(shè)置變頻器控制單元上的地址，要與此變頻器物理地址一致→在變頻器插槽中添加其報文類型為Telegram MAX:16/16 PZD，其起止地址可設(shè)置為0～31。

STEP7下的硬件組態(tài)如圖4所示。

表1 西門子G150變頻器Profibus的報文結(jié)構(gòu)

圖4 STEP7下的硬件組態(tài)

4 在WinCC中的系統(tǒng)組態(tài)

WinCC系列組態(tài)軟件是西門子公司針對自動化控制系統(tǒng)而開發(fā)的，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。它是對S7-300系列PLC監(jiān)控的主要方法，通過組態(tài)監(jiān)控界面對系統(tǒng)進行監(jiān)控可以增加人機交互的能力，使操作人員實時地監(jiān)控系統(tǒng)工作情況，并使系統(tǒng)操作變得方便。

WinCC采用了最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)控軟件，具有良好的開放性和靈活性。無論是單用戶系統(tǒng)，還是冗余多服務(wù)器/多用戶系統(tǒng)，WinCC均是較好的選擇。通過ActiveX、OPC、SQL等標(biāo)準(zhǔn)接口，WinCC可以方便地與其他軟件進行通信。

WinCC的設(shè)置：在WinCC變量管理器中添加一個新的驅(qū)動程序，新的驅(qū)動程序選擇SIMATIC S7 Protocol Suite.chn→在其中的Profibus屬性中設(shè)置站地址，此地址與PLC通信模塊的地址一致，這里設(shè)置為30→建立外部變量，各變量地址對應(yīng)PLC中的數(shù)據(jù)地址。

5 西門子G150變頻器Profibus的報文結(jié)構(gòu)

西門子G150變頻器Profibus的報文結(jié)構(gòu)如表1所示。

若使用標(biāo)準(zhǔn)報文，則將P0922參數(shù)設(shè)置為352。若使用自由報文，則將P0922參數(shù)設(shè)置為999。PIW0即為STW1對PLC的輸入地址，PQW2即為PLC對頻率設(shè)定值的輸出地址，PIW4即為電流實際值對PLC的輸入地址。各實際值均為16位，如速度實際值：位15確定速度實際值的符號，0為正，1為負，速度實際值通過P2000設(shè)定N_act=4000hex或16384dec=P2000中的速度。

6 結(jié)語

通過這種方式，G150變頻器與PLC的通信很方便，變頻器通過報文與PLC數(shù)據(jù)塊中定義的地址連接，而上位機中的WinCC通過定義變量可以對PLC程序數(shù)據(jù)塊中的地址進行訪問，如此便實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信及上位機控制。

通過上位機WinCC組態(tài)與PLC程序設(shè)計，可以實現(xiàn)很多的系統(tǒng)功能，包括數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)控制、運行記錄等，實現(xiàn)了對現(xiàn)場多個油井的潛油電泵進行集中監(jiān)控，有效提高了整個油田生產(chǎn)系統(tǒng)的操作及運維效率。