基于Profibus-DP总线技术的闸门控制系统

1 引言
Profibus有深远的制造业应用基础和使用经验，它的应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准和IEC61158国际标准的一部分,并且在2006年转化为中国GB现场总线标准。
Profibus由Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification），Profibus-PA（Process Automation）和Profibus-DP（Distributive Peripheral）三部分组成。其中，Profibus-DP具有高速传输、价格低廉等特点，实现起来比较简单，主要用于分散设备间的数据高速传输。该总线物理层采用RS485传输方式，传输速率可由9.6kbps至12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备级间的开关量的通信。因而可满足全数字交直流调速系统对于快速的时间相应要求。目前80%以上的Profibus应用是基于Profibus-DP。
基于Profibus-DP现场总线的控制系统与以前的集散型控制系统DCS相比,具有很多优越性，如：
（1）采用双绞线、光缆或无线电方式传送数字信号，从而大量削减现场仪表与控制室之间一对一连接的导线，节省安装费用，提高可靠性和抗干扰能力，增强控制精度，信息传输速率可达1-12Mb/s，传输距离可达数公里。
（2）由于采用了统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容，使系统具有开放性，这对用户的操作、维修、扩展都是十分有利的。
（3）由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新的技术基础上实施就地控制，使过程控制基本分散到现场，而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化功能。
（4）开放式系统，系统分层分级集成，设计灵活，网络可采用多种拓扑结构。
旋转编码器测量精度高、使用简单，在检测及控制转速、转角等方面得到了广泛的应用。绝对位置旋转编码器可直接测量参数的绝对值，抗干扰能力强；在系统掉电及再上电后，绝对位置旋转编码器仍可保持输出位置量不变。
根据以上特点，在设计水库闸门监控系统时，我们采用带有总线标准接口的绝对位置旋转编码器测量闸门的实际直线位移，以西门子S7-300系列PLC为控制核心的监控系统。

2 系统控制结构设计
2.1 闸门监控电气设计
闸门由两台电机驱动卷扬机拖动。监控系统应具有现场/远方可切换控制模式；通过改变电机转子回路中的串接电阻可使闸门以三种速度升降。当闸门提升离开底坎200mm时，电机停，等到闸门前后的水位平衡后，电机再重新启动提升闸门至希望位置。在闸门升降过程中，监控系统要随时检测闸门的位置，并应有较高的检测和控制精度，同时，闸门监控系统要监视负载电流，在电机或闸门启闭机械过载时应有相应的报警输出，并在现场和远方两种方式下都能实现相应的监控。根据闸门的控制要求，系统主回路和部分控制回路电气设计如图1所示。




图1 闸门系统主回路、部分控制回路

2.2 闸门监控PLC设计
项目选用Siemens公司S7-300PLC系列CPU315-2DP，配置一个通信处理器CP342-5作为Profibus-DP系统的主站；旋转编码器选用德国ifm公司的绝对位置型旋转编码器RM3005，不仅具有普通多转编码其性能，而且保持相同的最大分辨率（8192脉冲/转，4096转），增添了Profibus-DP网络的特性，作为现场总线控制系统的从站可省去闸门监控系统常规设计中的多个输入/输出接口,如：闸门上升和下降检测，闸门的上下限检测,闸门到位检测等。选用触摸屏TP170A作为现场操作站，方便显示工艺参数、系统状态。其控制网络拓扑结构如图2所示。




图2 控制系统的总线拓朴结构

通信处理器CP342-5设置为“DP Master”主站工作模式，RM3005为从站，CP342-5通过Profibus-DP总线（1）与旋转编码器RM3005进行通讯。另外，远程控制站通过Profibus-DP总线 （2）与集成在CPU315-2DP上的DP接口建立通讯，远程监控闸门控制系统的运行。

3 PLC与旋转编码器之间通信的实现
3.1 第三方产品接入设计
德国ifm公司的旋转编码器RM3005相对Siemens公司的PLC来说是属于第三方产品，但是由于它支持Profibus-DP协议，携带设备数据库文件GSD，因此它们中间通信的实现就非常容易，只需要在Siemens公司STEP7的硬件状态环境中把旋转编码器RM3005携带的设备数据库文件GSD导入进STEP7后，进行一些简单的组态工作，就可以象使用Siemens公司自己的支持协议的旋转编码器那样使用旋转编码器RM3005，不需要为了实现Profibus-DP协议而进行任何的编程工作。
3.2 通信设计
PLC与RM3005之间的通信主要完成两方面的任务：一是RM3005数据初始化时，根据闸门全关时的实际位置设定旋转编码器的初值。二是系统正常运行过程中 ,需要将测量的闸门位置及时报告给PLC以进行处理。通过通信功能块“DP_SEND”来实现RM3005数据初始化，使用通信功能块“DP_RECV”来实现由PLC的CPU通过CP342-5实现闸门的位置实时处理，如图3所示。需要注意的是，RM3005初值的设定和闸门位置的读取是两个互锁的过程。




图3 PLC与RM3005之间的通讯

4 结束语
基于Profibus-DP总线技术的闸门控制系统可靠性得到了大大的提高,维护也很方便。同时，由于现场总线是一个开放与标准的总线系统，用户在实现控制系统时可以按照自己的要求灵活组态，将不同供货商的产品集成在一起。该系统已在某水库中投入了使用，其优势得到了验证。