Pro fi bus DP總線和組態軟件在真空斷路器生產線中的應用

龐艷君，原通文，朱光宇，張振超，毛子建

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

高壓真空斷路器是高壓配電系統中常用的電器元件，是利用“真空”滅弧的斷路器。其廣泛應用于紡織、電力、機械、船舶、冶金、建筑等行業，尤其應用于要求額定工作電流下的頻繁操作或者多次開斷短路電流的場所。

現場總線（Fieldbus）是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它是當前工業自動化的熱點之一。現場總線I/O的接線極為簡單，只需一根電纜，從主機開始，沿數據鏈從一個現場總線I/O連接到下一個現場總線I/O。使用現場總線后，自控系統的配線、安裝、調試和維護等方面的費用可以節約三分之二左右，現場總線I/O與PLC可以組成廉價的DCS系統。

本文主要介紹西門子公司的Pro fi bus-DP總線和杰控軟件技術在真空斷路器裝配和檢測生產線的自動控制系統中的實際應用，并提供了監控系統的網絡結構和上位機監控界面的實現。兩者結合應用有效提高了系統設計進度、節約了采購成本，并易于維修和后期擴展。

1 控制系統的網絡拓撲結構

1.1 Pro fi bus-DP總線簡介

PROFBUS是一種國際性的開放式的現場總線標準，它既可應用月高速且對于時間苛求的數據傳輸，也可應用于的復雜通訊場合。PROFBUS-DP是為高速傳輸用戶數據而優化的PROFBUS協議，主要用于中央控制單元與分散的I/O之間的通信，即車間級監控和現場設備層數據通信與控制。

1.2 系統網絡拓撲結構

根據中壓開關生產線的工藝布局，整套系統采用分層分布式結構，網絡分為管理層和現場控制層，下層的功能獨立運行不依賴于上層設備及通訊網絡。管理層網絡采用工業以太網。現場控制層采用Profibus-DP總線，具體實施上以Profibus-DP總線為主線，由一臺S7-300PLC作主控制系統，和五個ET200S站構成一個主從結構的控制系統?？刂葡到y中各部分功能如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲結構示意圖

1）S7-314-C2DP作為總線主站，以輪詢方式對下屬各個分站（ET200MS）進周期性掃描讀寫，并通過Pro fi bus-DP總線將指令傳輸至各個分站對應數據區。由此實現邏輯控制、數據處理。

2）分布式I/O

ET200S是高密度配置的模塊化I/O站，保護等級為IP20。主要用于S7-300可編程控制器的信號，功能和通訊模塊擴展。本系統中共使用了五個ET200S分站，完成整個系統的輸入數字量數據采集、條碼掃描及輸出數字量的控制等。

3）現場設備

現場設備分為輸入和輸出兩種類型，輸入設備包括位移傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、斷路器專用檢測設備的數據接口等；輸出設備主要是電機和分布在現場的各種電磁閥及斷路器專用檢測設備等。

4）監控上位機是一個集成的人機界面系統和監控管理系統，通過它提供的圖形設計器、報警記錄、全局腳本、用戶管理等功能，對整個控制系統進行信息和操作整合，負責完成數據采集、數據庫操作、狀態監視等功能。

1.3 現場調試中需要特別關注的兩個技術點

1）一般在車間，常見干擾源有變壓器、繼電器、變頻器、電機、局放儀器和一次耐壓測試儀等，這些設備都可以產生電磁干擾。通常抑制干擾的方法，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。PROFIBUS總線的數據傳輸速度，在9.6kbit/s～12Mbit/s之間可選。在本項目實際使用過程中發現，適當的降低通信速率，可以有效降低電磁干擾的影響，提高現場總線的穩定性。

2）關于PROFIBUS-DP網絡拓撲結構，節點少的網絡采用星型連接可以通訊，但是西門子不建議這么使用。因此PROFIBUS-DP網絡只能串聯結構，在第一個節點和最后一個節點上終端電阻必須設置為ON；其他節點必須設置為OFF，這校才能保證整個PROFIBUS網絡正常穩定工作。

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2 上位機監控軟件界面開發

根據中壓開關生產線控制系統復雜程度及應用場景的特殊性，要求實時穩定性高，網絡功能強大，界面友好，因此決定采用工業組態軟件來開發監控系統。

2.1 上位機組態軟件選擇

目前市面上的組態軟件，國外有InTouch、iFix、WinCC、CiTech等，國內有KingVeiw、MCGS、力控、杰控等。綜合考慮各組態軟件的應用范圍和性價比，決定采用杰控公司的FameView組態軟件。

想比較其他組態軟件，FameView有如下優勢：整體界面簡潔、數據庫功能強大、集成通用VBScript腳本，用戶進行二次開發簡單；獨特的設備數據表，作為通訊系統的緩存，實現了數據批量處理；每個設備驅動都是獨立進程，多個驅動能穩定地并行運行。需特別指出的是和西門子PLC進行通訊時，上位機無需要安裝Simatic Net軟件。

2.2 上位機組態開發

根據控制系統要求，上位機監控軟件主要包含數據采集、實時監測、數據記錄和歷史報表等畫面，主要功能包括：

1）數據采集：通過工業以太網或專用數據接口采集檢測儀器、PLC等系統中的實時數據和生產管理過程中的質檢數據。

圖2 監控軟件主界面

2）實時監測：實時監控功能提供圖形化界面，通過文字和顏色進行動態實時顯示，包括整線流程概況，總線運行狀態，設備運行狀態，各工位當前條碼，以及測試工位在測產品的條碼、測試狀態及測試結果等。

3）數據存儲功能：實時存儲產品在各個關鍵工位的裝配和測試數據；并通過歷史數據庫，實現產品相關制造信息的可追溯功能。

4）報表功能：報表管理模塊主要根據用戶需求從后臺服務器提取和整合各類數據，按照指定格式生成相應報表，同時能將報表輸出到Excel表格中，以供用戶拷貝、分析及處理。

監控軟件主界面，如圖2所示。

3 結束語

該生產線正式運行后，已經幫助客戶贏得了相當數量的訂單，同時取得了良好的經濟效益。相比較于以前的控制方式，總結優點有如下三個方面：

1）控制系統結構簡化

由于PROFIBUS采用的是線型拓樸網絡結構實現多主—多從方式的通訊，所以可以實現不同層網絡的互連，使得控制系統的結構極大簡化。若采用以前傳統的PLC加遠程分線盒連接I/O傳感器和執行器方式，通常是將整個系統分解為數個獨立的專機系統后，再設置一個兩層的通訊網絡，將現場狀態信息發送至主控PLC。這種PLC系統，光電纜鋪設一項就增加相當可觀的人工成本，而且還增加了接線不可靠的隱患。根據測算僅電纜采購一項，采用PROFIBUS總線方式后，至少減少了將近30%的電纜采購成本。

2）提升了系統的可擴展性，遠程I/O的增加和拆除十分方便。

3）分布式控制，提高系統運行的可靠性。