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1、分类号：TP24 密 级： 公 开 UDC： 单位代码： 学 位 论 文基于以太网及现场总线的选煤厂控制系统研究May 2005声 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 日 期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong U
2、niversity of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:4山东科技大学工程硕士论文 摘 要 摘 要选煤厂集中控制是指对选煤系统中有联系的生产机械按照规定的程序在集中控制室内进行启动、停止或事故处理的控制。本文针对选煤厂的实际控制要求，开发了基于工业以太网及现场总线
3、的过程控制系统装置。本文介绍了选煤厂生产工艺对集中控制系统的要求，对主要设备进行简单阐述，对洗煤厂工艺流程进行了研究，为网络控制系统装置的开发工作做了充分的准备。在此基础上，阐述网络控制系统的组成、结构及特点和SIEMENS S7系统工业通讯网络，并说明了SIEMENS S7系统的通讯协议、通讯方式、网络控制系统的开发平台、硬件配置及开发软件。针对网络控制系统软件设计与功能实现，详细说明了PLC系统的硬件组态、网络组态、硬件下载及编程，并介绍了WinCC与PLC的通讯组态、WinCC图形画面组态。关键词：选煤，工业以太网，现场总线profibus-dp，WINCC组态ABSTRACTThe c
4、entral control of the coal selection factory is to control the process in a fixed program, such as the start, stop, and failure of the machine which is connected to each other .This passage, aiming at the practical control demand, has developed the process control system which is based on the indust
5、rial Ethernet and Profibus-dp.This passage has introduced the demand for the central control system according to the working procedures of coal selection, illustrated the main equipments in brief, and also studied the procedure of coal selection, which has supplied enough preparation for the develop
6、ment of the network control system. Whats more, this passage has illustrated the structure, composition, characteristics, and the S7-industrial communication networks, and also explained the communication protocols, the communication modes, the hardware configuration of the developing platform and t
7、he software we used .Aiming to the software design and function completion of the network control system, this passage has illustrated the hardware configuration, network configuration, the downloading and programming of the hardware and also introduced the communication configuration between Wincc
8、and PLC, and the picture configution.Key words: coal selection , industrial Ethernet profibus-dp Wincc configuration目 录第一章 绪 论11.1 课题的来源11.2集中控制系统的发展与现状11.3 工业以太网技术应用现状及发展21.4 论文主要内容及构成4第二章 选煤厂生产工艺对集中控制系统的要求521选煤厂对集中控制系统的要求522选煤厂生产工艺6第三章 选煤厂网络控制系统的组成163.1 SIEMENS S7 系统工业通讯网络163.2 网络控制系统结构193.3 网络控制系
9、统硬件配置213.4 网络控制系统应用程序的软件平台223.5 小结25第四章 洗煤厂网络控制系统的软件功能实现264.1网络控制系统功能264.2 PLC系统组态264.3 网络控制系统软件功能实现33第五章结论与展望395.1 结论395.2 进一步研究工作39参考文献.40致 谢.44攻读学位期间主要的研究成果45山东科技大学工程硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪 论1.1 课题的来源选煤厂集中控制是指对选煤系统中有联系的生产机械按照规定的程序在集中控制室内进行启动、停止或事故处理的控制。选煤厂生产的特点是设备台数多相对集中，拖动方式简单，生产连续性强。采用先进的工业自动化技术和网络技
10、术实现设备的集中控制，可以缩短全厂设备的起、停时间，提高劳动生产率，降低故障发生率，缩短故障处理时间，降低工人劳动强度。1.2集中控制系统的发展与现状我国选煤集中控制系统的类型大体经过了以下几个发展过程：1.2.1继电器接触器集中控制系统这种控制系统自20世纪50年代开始使用。其优点是控制原理简单，操作维护人员容易掌握。但这种系统的缺点也很明显，体积大，使用电缆芯线多，触点多，故障率高，维护工作量大，现已被淘汰。1.2.2无触点逻辑元件集中控制系统6070年代在选煤厂中使用的半导体分立元件或集成电路元件组成的无触点控制系统缩小了控制系统的体积，性能也得到提高，同时也降低了系统造价。1.2.3矩
11、阵式顺序控制器控制系统前两种控制系统，其控制线路一经完成后，逻辑关系就固定下来，再改动就很困难了。而60年代末出现的矩阵式顺序控制器克服了这个缺点，采用一块二极管矩阵板可以灵活地实现各种逻辑组合关系，更改方便，且配线简单。1.2.4一位计算机集中控制系统采用大规模集成电路组成的一位微处理器具有集成度高、体积小、指令少(仅有16条指令),原理简单易学等优点。用一位微处理器组成的一位微型计算机称为一位机。一位机在80年代被广泛用于各种工业自动化装置。1.2.5可编程序控制器（PLC）控制系统可编程序控制器(简称PLC)是一种主要针对开关量控制的工业控制微型计算机。它具有编程简单、使用操作方便、抗干
12、扰能力强、能够适应各种恶劣的工业环境等特点，较前几种可靠性得多。因此，可编程控制器(PLC)集控系统已逐步取代了其他几种控制系统。1.2.6现场总线控制网络系统(FCS)现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。控制网络直接面向生产过程，具有很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。相对于以上单一的PLC控制系统，系统越大，采用现场总线控制系统的优势越明显。1.2.7以太网络控制系统计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作
13、为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于应用以太网有如下一些优势：(1) 基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作性的问题。(2) 以太网能便捷地访问远程系统，共享/访问多个数据库。(3) 易于与Internet连接，能够在任何城市、地方利用电话线通过Internet对企业进行监控，是提高生产效率的有效手段。(4) 能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。(5) 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的
14、无缝连接。另外，以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊病。以太网作为现场总线，尤其是高速现场总线的主体，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外，使现场总线技术与计算机网络技术很好的融合而形成相互促进的局面。1.3 工业以太网技术应用现状及发展1.3.1 工业以太网应用现状近几年,以太网广泛应用于工业领域,其原因主要是以太网技术的发展使得阻碍以太网应用于工业环境的难题逐渐得到解决。表现在以下几个方面:(1)电缆从难于应用的昂贵10 BASE-5发展到细缆10 BASE-2和现在常用的双绞线10 BASE-T，抗干扰能力强的双绞线的应用提高了以太网运行于工厂环境的能力。
15、(2)以太网通信速度一再提高，从10Mbps提高到100Mbps，目前1000Mbps以太网已在城域网、局域网中普遍使用，10Gbps以太网也正在研制。对于同样的通信量，通信速度的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性，这使以太网有能力满足实时性的要求。(3)交换技术的快速发展已经消除了应用于控制领域的障碍。交换式以太网技术产生于1992年,它使得多个网上设备之间同时进行通信时不会发生冲突。随着以太网的实时性、稳定性和抗干扰性问题的解决，工业以太网的研究、开发又热了起来。但产品基本处于I/O集中器的水平，把以太网应用到现场总线仍有许多技术难题要解决，这是今后以太网技术攻关的
16、重点。将以太网应用于工业领域的目的是形成一个真正的开放式协议，实现不同厂商的以太网产品的互连。以太网在工业领域中的应用结构有两种，即控制中心网络结构和设备中心网络结构。在控制中心网络结构中，以太网应用在企业网的上层，将控制器、操作员站、管理计算机连接起来。企业网的最低层是现场总线结构，构成了简洁的LAN/Fieldbus网络结构，这也是论文中所采用的网络结构。在设备中心网络结构中，I/O设备连到以太网上，在这种结构中，以太网取代了现场总线，真正建立了从企业网的上层和下层统一的以太网结构。1.3.2 工业以太网发展前景 以太网在工业领域已得到了广泛的应用，而且应用广度和深度继续扩大。目前，以太网
17、应用主要集中在控制中心网络结构中，要深入到现场设备级还有诸多问题有待解决，如以太网本质安全问题，高速廉价的以太网通信芯片的研制，以太网交换技术需进一步的发展以适应恶劣的工业环境，真正世界范围的工业以太网标准没有出现，等等。尽管如此，在现场设备级联网中，现场总线有被以太网取代的趋势，权威机构推测，大约25年的时间，Ethernet可能会大规模地应用于现场总线，约5年时间可以研究出价格性能比很高的适合现场总线设备需要的以太网连接器。如今，以太网技术的发展十分迅速，网卡工作方式从单工发展到双工；网络传输速度从早期的10Mbps逐步发展到目前的1Gbps甚至正处于试验阶段的10Gbps，配合多模光纤技
18、术和频分复用技术，传输速度可进一步增加；网络机理从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，并开始逐步引入流量控制机制。但是，以太网在关键性实时网络使用中存在一些先天不足，如任何变量都不能完全确保在规定时间内发送成功，即传输具有不确定性，这是今后工业以太网科研攻关的重点。1.4 论文主要内容及构成本文针对选煤厂的实际控制要求，开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统装置。第二章主要介绍了选煤厂生产工艺对集中控制系统的要求以及工艺流程。第三章介绍了网络控制系统的组成，阐述了网络控制系统结构及特点和SIEMENS S7系统工业通讯网络，并在此基础上说明了SIEMENS S7系统的通讯协议及通讯方式。
19、最后，介绍了网络控制系统的开发平台、硬件配置及开发软件。第四章针对网络控制系统软件设计与功能实现，详细说明了PLC系统的硬件组态、网络组态、硬件下载及编程，并介绍了WinCC与PLC的通讯组态、WinCC图形画面组态。第五章为结束语，对基于以太网及现场总线的选煤厂过程控制系统装置予以总结，并对下一步所需完成的任务进行展望。山东科技大学工程硕士学位论文 第二章 选煤厂生产工艺对集中控制的要求第二章 选煤厂生产工艺对集中控制系统的要求21选煤厂对集中控制系统的要求选煤厂生产工艺流程的连续性使生产设备之间的制约性强，一般均为连续生产，不能单独开某一台设备进行生产。在贮存及缓冲装置设备之后的任何一台设
20、备的突然停车；都将会造成堆煤、压设备、跑煤和跑水等现象，引起事故范围扩大。因此，选煤厂集中控制系统应遵循如下原则。211启动、停车顺序 选煤厂生产工艺流程的连续性要求选煤厂设备的启动、停车必须严格按顺序进行。 原则上是逆煤流逐台延时启动，启动延时时间一般为35s，以避开前台电动机启动时产生的冲击电流，减小对电网的冲击。逆煤流逐台延时启动的优点是在生产机械未带负荷之前能够对生产机械的运行情况进行检查，待所有其他设备运转正常后启动给煤设备，可以避免因某台设备故障而造成压煤等现象。顺煤流方向逐台延时停车，延时时间为该台设备上的煤全部被转运至下台所需的时间；故障时，应在最短的时间内停掉故障设备至给煤设
21、备之间的所有设备。212闭锁关系集中控制应有严格的闭锁关系，以确保某台设备故障时不至于引起事故范围的扩大，同时还应能方便地解除闭锁。213控制方式具有通过智能控制器、触摸屏、上位微机键盘或鼠标实现设备的单启、单停或按闭锁关系的全部设备启、停操作。为满足设备的检修、试车和故障处理，应设有就地控制方式，这也是保证生产的基本后备控制方式。214工艺流程及设备的选择 当生产系统有并行流程或多台并行设备时，集中控制系统应具有对并行流程或并行设备选择的能力，以满足不同情况的工艺要求。215信号系统（1）预告信号在启动前，集中控制室应发出启动预告信号，提醒现场操作人员回到各自工作岗位，靠近设备的人员远离即将
22、开车的设备，靠近信号站的操作人员应检查设备，向集控室发出允许启动的应答信号或禁启信号，以保障启动时人员和设备的安全。同样，在停车前也应当发出停车预告信号。（2）事故报警信号当系统中某台设备发生故障时，集控系统应能够及时发出报警信号提醒工作人员注意。（3）运转显示为了及时掌握全厂设备运行状况，集中控制室应装有显示全厂设备的屏幕图形显示器。屏幕图形显示器上各台设备正常运行和事故状态的显示要反差明显，宜于判断。22选煤厂生产工艺基于对选煤厂生产工艺和星村煤矿地面生产系统的调查研究统计出需要纳入集控的设备有: 101毛煤输送机, 103分级筛， G给煤机，104给煤机，108脱水斗式提升机，110捞坑
23、斗式提升机，109混煤输送机， 106手选输送机，107破碎机，1001矸石输送机，202混煤输送机，201块煤输送机，205原煤输送机，208块煤刮板机，209原煤刮板机，206原煤刮板机，207原煤分级筛，1号除铁器，25号漏槽翻板，8号冷却塔，9号卸料器，各煤仓下装车闸门。以下将对一些关键设备作必要性介绍。2.2.1选煤厂主要设备概述2211带式输送机它是输送能力最大的的连续输送机械之一。其结构简单、运行平稳、运转可靠、能耗低、对环境污染小、便于集中控制和实现自动化、管理维护方便，在连续装载条件下可实现连续运输。它是运输成件货物与散状物料的理想工具。它的控制具有以下要求：（1）小功率的带
24、式输送机采用电动滚筒，是将滚筒、电机、减速机作成一体的驱动装置，控制简单。（2）较大功率的带式输送机采用鼠笼电机驱动，并配以合适的减速机和推杆制动器。起动过程中，推杆制动器打开后，延时2秒再起动主电机；停车过程中，停止主电机后，再延时3秒停推杆制动器，以避免冲击。由于功率大，为避免对电网的冲击，采用降压启动。（4）带式输送机常规保护装置有：打滑、撕带、跑偏、沿停、烟温、堆煤、。各种信号都纳入集控，实现电气控制与保护自动化。2212刮板输送机刮板输送机是一种输送松散物料的连续运输机械。它是靠装在无极链上的刮板在溜槽中的运动来推动物料前进而实现物料输送的。刮板输送机采用全压起动方式，并能够实现正反
25、转。2213分级筛分级筛主要由筛箱、筛网、振动器及减振弹簧等组成。振动器安装在筛箱侧板上，并由电动机通过三角皮带带动旋转，产生离心惯性力，迫使筛箱振动。分级筛的驱动电机分为3组，依次起动，间隔时间为2秒，以减小对电网冲击。2214 漏槽翻板及卸料器漏槽翻板与卸料器的动作都是通过电液推杆来实现。电液推杆是一种将电能转换成往复运动机械能的通用机械手，由电动机、减速齿轮、丝杠、铜螺母、导向套、活塞杆、轴承座、轴承座、弹簧、缸筒座及联接叉装置等部件所组成。工作原理是电动机通过一级或二级齿轮减速后，带动丝杠螺母副，把电动机的旋转运动变为直线运动，利用电动机正反转实现推杆往复动作。当推杆行程到极限位置或负
26、载超过额定推力一定数值时，推杆将自动切断电源，起到保护作用，使电动机及其它构件不致损坏，但不得以此作为正常运行时的限位开关使用。因此要求另行配置外行程限位开关装置，以控制推杆正常起停。控制原理图2-1。图21 电液推杆控制原理图2215动筛跳汰机跳汰选煤是目前广泛采用的一种选煤方法。跳汰选煤具有系统简单、操作维护方便、处理能力大和投资少等优点。跳汰选煤是一个多参数的选煤过程，它与风量、水量、跳汰周期、给料量、排料量以及排料方式等多种因素有着密切的关系。跳汰机工艺自动控制技术包括排料自动化、给煤自动化、风水控制自动化及产品质量在线控制自动化等内容。进入跳汰机的原煤在及动风水的作用下在筛板上跳跃前
27、进，同时按密度的大小来分层，密度大的重产物在最下层，形成重产物床层。在跳汰周期和风水量确定以后，为使筛上物料的跳跃前进的速度和幅度稳定在最佳状态，最下层重物料床层厚度应保持相对稳定。床层太厚，影响跳动幅度和物料分层效果，使重产物会进入到轻产物中，降低了轻产物的质量，床层太薄，轻产物下沉，随重产物排出，降低煤炭回收率。因此，跳汰选煤过程中稳定床层厚度是提高分选效果的一个最重要环节而床层厚度的稳定可以通过合理的排料来实现：当床层厚度增加时，提高排料速度，增大排料量，即可使床层厚度降低；当床层变薄时，可以减小排料速度，降低排料量，使床层厚度增加。因此，跳汰机排料自动控制装置是提高跳汰分选效果的关键设
28、施之一。自动排料控制系统的组成如图2-2所示。它由床层厚度检测传感器、调节器、执行机构、被控制对象（电动机或闸板）等部分组成。其控制原理为：床层检测传感器将跳汰机的重物料层的厚度转换成相应的电信号，并与床层各段厚度给定值进行比较，其偏差值送入调节器，调节器根据偏差的大小，输出具有一定功率的电信号。执行机构根据调节器的输出信号来驱动被对象（电动机或闸板）调节排料量，保持床层稳定，以实现排料的自动控制。调 节 器 执行机构被控对象床层检测传感器 床层给定 图22 自动排料控制系统原理框图2216给煤机往复式给煤机适用于矿井和选煤厂，将煤经煤仓均匀地装载到输送机或其它筛选、贮存装置。该机结构是由机架
29、、底板（给料槽）传动平台、漏斗闸门、托辊等组成。传动原理：当电机开动后，经弹性联轴器、减速器、曲柄连杆机构拖动倾斜5度的底板在托辊上作直线往复运动，将煤均匀地卸到运输机械上。2217颚式破碎机颚式破碎机主要用于对各种矿石与大块物料的中等粒度破碎。 工作原理：工作时，电动机通过皮带轮带动偏心轴旋转，使动颚周期地靠近、离开定颚，从而对物料有挤压、搓、碾等多重破碎，使物料由大变小，逐渐下落，直至从排料口排出。2218 斗式提升机脱水斗式提升机，适用于选煤厂从跳汰机下部提升洗后的中煤和矸石，捞坑斗式提升机用于从捞坑沉淀池中提升颗粒精煤和细粒煤并使被提升物料在提升过程中自行脱水。222选煤厂工艺流程从选
30、煤厂流程示意图（图2-3）中可以看出，煤流有多种流程可供选择。动筛车间有5个流程，原煤仓有3个流程，共组成15个流程。流程均为逆煤流的开车顺序。动筛车间与原煤仓通过202输送机与205输送机连接起来。动筛车间流程一与流程二将筛上的煤通过动筛跳汰机进行洗选，并将矸石运往矸石仓，大块煤运往大块煤仓，混煤运往原煤仓。流程三与四则将筛上煤通过手选输送机洗选。流程五不经过筛分和洗选装置，直接将原煤输送至原煤仓。在原煤仓流程一中，205混煤带式输送机将混煤运输到206刮板输送机，经206的闸门进入207分级筛，筛上的大块煤经208刮板输送机输送到13-50mm的原煤仓。筛下的粉煤直接进入0-13mm的原煤
31、仓。原煤仓流程二与流程三不经过筛分直接进入煤仓。详见图(2-42-11)。图2-4 动筛车间流程一开车顺序图2-5 动筛车间流程二开车顺序图2-6 动筛车间流程三开车顺序图2-8 动筛车间流程五开车顺序图2-7 动筛车间流程四开车顺序图2-9 原煤仓流程一开车顺序图2-10 原煤仓流程二开车顺序图2-11 原煤仓流程三开车顺序25山东科技大学工程硕士学位论文 第三章 选煤厂网络控制系统的组成第三章 选煤厂网络控制系统的组成随着计算机、网络通讯技术的飞速发展，信息交换技术在自动控制、工厂管理及产品质量管理等各个领域得到了广泛应用。将以太网与现场总线结合，能真正实现洗煤厂生产过程的监测、控制、管理
32、与决策于一体的测控管一体化。3.1 SIEMENS S7 系统工业通讯网络随着工艺水平和控制要求的不断提高，控制系统的性能已经不仅取决于PLC的CPU，还受PLC所处的扩展环境（即网络环境）的影响。由此，在介绍网络控制系统组成之前，首先说明一下SIEMENS S7系统工业通讯网络。而作为控制系统的一部分，高性能的通讯系统对工业控制具有很重要的现实意义，S7系统的通信网络包括MPI网、PROFIBUS网和工业以太网6。3.1.1 MPI网MPI（Multiple Point Interface）是一种用于小范围、少数站点间的多点通讯网络。适用于SIMATIC S7/M7和C7系统，多用于对其编程
33、，连接上位机和少量PLC之间近距离通讯。通过PROFIBUS电缆和接头,将控制器CPU的 MPI编程口相互连接以及与上位机网卡的编程口（MPI/DP）连接即可实现。MPI网络是一种总线型网络，可以用来连接多个编程设备、操作面板和SIMATIC PLC(如：S7 200/300/400系列)59。其结构如图3-1所示。S7-300S7-400SIMATIC C7S7-200带step 7的PG/PCOP（操作面板）图3-1 MPI网络拓扑结构MPI通讯利用PLC站S7 200/300/400和上位机(PG/PC)插卡CP5411 /CP5511 /5611/5613的MPI口进行数据交换。PLC
34、之间通过MPI口进行通讯的方式有三种：a.全局数据包(GD)通讯方式。这种通讯方式只适合S7 300/400,硬件配置过程中只需组态通讯PLC站之间的发送区和接受区即可，不需要任何程序处理。b.不需要组态连接的通讯方式。这种通讯方式适合于S7 200/300/400，通过调用系统功能(SFC6569)来实现MPI通讯，这种通讯又分为两种方式：双向通讯和单向通讯。c.需要组态连接的通讯方式。这种通讯方式适用于S7 400之间以及S7 400与S7 300之间的MPI通讯，通讯双方需要组态一个连接。MPI接口是S7-300/400CPU上自带的编程口，利用编程口通讯是一种对通讯速率要求不高，通讯数
35、据量不大的通讯方式。MPI的通讯速率为19.2k12Mbps，通常默认设置为187.5kbps，通讯数据包不大于122字节。MPI的连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻。在MPI网络上最多可以连接32个站，第一个站与最后一个站之间的通讯距离最长为50m（通讯波特率为187.5kbps时），更长的通讯距离可以通过RS485中继器扩展，扩展后通讯距离最长为1000m （通讯波特率为187.5kbps时）。3.1.2 PROFIBUS网PROFIBUS是属于单元级和现场级的SIMATIC网络，适用于传输中小量数据。其开放性可以允许许多家厂商开发各自的
36、符合PROFIBUS协议的产品，这些产品均可连接在同一个PROFIBUS网络上。PROFIBUS是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传播。连接在PROFIBUS网络上的站点按照它们的地址顺序组成一个逻辑拓扑环。令牌只在主站(masters)之间顺序传递，这是由特定的令牌顺序定义的。获得令牌的主站可以在拥有令牌期间对属于它的从站进行发送和读取数据操作。如果一个PROFIBUS网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站，则成为一个单主站的主、从系统。较为熟悉的DP网络就是基于这种存取机制，其中主站周期的按顺序同从站交换数据。PROFIBUS网络拓扑结构如图3-2所示。图3-2
37、PROFIBUS网络拓扑结构图从站1.1从站1.2从站2.2从站2.1从站2.3PROFIBUS逻辑令牌环主站1主站2按照RS485/光纤和IEC61158-2的定义，PROFIBUS大致分为三类。如表3-1所列。由于电气特性，PROFIBUS PA（本质安全）应用在防爆领域；FMS较为复杂，多应用于西门子S5系列PLC或第三方控制产品进行通讯。DP以其传输速度快、数据量大以及良好的可扩展性等特点，成为目前广大用户普遍采用的通讯方式。本项目的底层网络采用的正是PROFIBUS DP，其通讯速率为187.5k12Mbps，通常默认设置为1.5Mbps，通讯数据包为224字节。表3-1 PROFI
38、BUS协议分类协议PROFIBUS-DPPROFIBUS FMSPROFIBUS PA总线标准EN 50 170EN 50 170EN 50 170应用领域用于生产自动化用于一般自动化用于过程自动化连接方式两种协议都基于同样的总线组件且能应用于同一线路通过耦合元件连接到DP(DP/PA-Link)传输技术RS485/光纤IEC 61158-2PROFIBUS-DP协议是为满足自动化工厂中分散I/O和现场设备之间所需要的高速数据通讯的需求而设计的。PROFIBUS接口采用RS485接口。典型的DP配置是单主站结构，主站与从站之间的通讯基于主-从原理，即主站向从站发出请求，按照站号顺序轮询从站。由
39、于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中的第1层和第2层以及用户接口层，第3层到第7层未使用，故可以保证数据传输的高速性。3.1.3 工业以太网工业以太网Industrial Ethernet是属于管理级和单元级的SIMATIC网络。适用于大量数据传输和长距离通讯。在物理连接上，Industrial Ethernet传输介质可以是同轴电缆、双绞线、光纤和无线通讯。Industrial Ethernet的网络访问机制是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测），即在发送数据之前，每个站都要检测网络上是否有其他的站正在传输数据。如果没有，则可以马上发送数据，否则它们都要停止发送数据，等待网络空
40、闲时再发送数据。图3-3 工业以太网网络拓扑结构S7-300S7-400SIMATIC C7PC网 卡带step 7的PG/PC第三家设备SIMATIC C5网 卡CP1430工业以太网CP模块CP模块移动电话FAXE-MAILWeb Sever/Html pages宽域网工业以太网使用ISO和TCP/IP协议。S7/M7/C7站和PC站可以通过S7服务进行通讯；SIMATIC OP（操作面板）/OS（操作员站）和PC站可以通过PG/OP服务进行通讯，工业以太网网络拓扑结构如图3-3所示。工业以太网的通讯速率为10Mbps和100Mbps，将来还会达到千兆波特率，通讯数据量为8KB。PLC站须
41、通过Industrial Ethernet通讯模块 CP(CP343-1、CP443-1)连接至以太网，PC机通过网卡CP1613（或普通网卡）连接至以太网。CP 1613 是一种带有微处理器的PCI 插卡，使用AUI/ITP 接口或RJ 45 接口可将PG/PC 连接到工业以太网。CP1613采用ISO和TCP/IP通信协议，可以独立处理物理层、数据链路层、网络层和传输层四层通信协议，而对于S7、S/R、TF（它们的功能是指数据的连接、传输和管理方面的服务，为Profibus现场总线专用）等基于传输层之上的高级通信功能，则需结合S7-1613/PG 1613/Windows NT 4.0/2
42、000等软件来实现16。3.2 网络控制系统结构本系统利用SIEMENS S7工业通讯网络中的工业以太网及PROFIBUS-DP现场总线，采用两级网络控制拓扑结构。上层采用工业以太网（TCP/IP），用于上位机PC和下位机PLC之间的通讯；底层采用PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站DPM1和从站DPS1之间的通讯。其网络拓扑结构如图3-4所示。监控级被控对象IM153DI/DOPS307AI/AOPS307CPU313CCP443DIAIAODO控制级动筛车间设备原煤仓设备DPM1DPS1PROFIBUS-DP图3-4 过程控制系统实验装置网络结构图集线器Industrial
43、 Ethernet3.2.1 网络控制系统构成基于以太网及现场总线的过程控制装置主要由三大部分组成：被控对象（包括动筛车间和原煤仓的被控设备）、下位机（底层控制级）和上位机（监控级）。其中，PLC主站控制动筛车间中的设备，PLC从站控制原煤仓中的设备。网络控制系统的多级网络通信中枢是4台安装了Siemens WinCC视窗过程控制中心的普通PC机。上位机PC可以非常方便地实现友好的人机交换界面和在线实时数据处理，并采用交换式以太网与下位机通讯，可以保证通讯的实时性和可靠性，具有良好的可扩展性。下位机的控制器采用Siemens公司的PLC，主要完成数据采集、信号处理、数字滤波、模拟量与数字量输入
44、输出以及通讯功能。3.2.2 网络控制系统特点整个控制系统采用先进的工业以太网(Industrial Ethernet)及PROFIBUS-DP现场总线作为过程控制网络。工业以太网是西门子PLC的高速工业控制网络，它是一种总线型结构的局域网，传输速度高达10Mb/s，主要用于区间级、单元级和设备级，实现管理、控制级的功能。其主要技术特性如下：l 通信介质：普通双绞线、工业屏蔽双绞线和光纤；l 传输速率：全双工、自适应10/100M波特率；l 拓扑结构：线性、星形、环形；l 网络传输距离：双绞线网络，1400m；光纤网络，150km；l 冗余：高速安全的冗余网络，最大网络重构时间为0.3秒；l
45、广域网（WAN）通讯：无缝隙接入ISDN或Internet。 PROFIBUS总线是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170的欧洲标准，目前世界上许多自动化技术厂家都为他们生产的设备提供PROFIBUS接口。它已广泛应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化。PROFIBUS-DP协议是为自动化工厂中的分布式I/O设备和现场设备所要求的高速通信而设计的，它的技术性能使其可应用于工业自动化的一切领域。其主要技术特性如下：l 传输技术：RS485双绞线，双线电缆或光缆；l 传输速率：波特率从187.5Kbit/s到12Mbit/s；l 拓扑结构：线性、星形、环形；l 总线访问方式：各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传递；单主或多主系统；主从设备，总线上最多站数为126；l 网络传输距离：在12Mbit/