基于PROFIBUS-DP总线控制的G150变频器和S7-300PLC

     【摘要】 提出并实现了一种以 s7-300 可编程逻辑控制器作为核心控制装置，使用工业控制计 算机通过 Visual Basic 6 和 MS SQL Server 数据库实现上位机画面监控和系统管理,以 OPC 作为软硬件通讯接口， Profibus-DP 现场总线方式控制西门子 G150 变频器在城市 以 供水泵站中的应用。实现了调节城市管网供水压力及节约能源和系统管理的目的。 
     【关键词】 变频恒压供水；SINAMICS G150；PLC； OPC；VB6；DP 现场总线
1．引言

        经随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高， 加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐 渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变 量供水方式在稳定城市管网压力、节约能源、系统监视管理方面已显现出极大的优越性。 

 2．系统组成情况 
 
2.1 SINAMICS G150 变频器 源于西门子最新传动家族的 SINAMICS G150 高性能单机变频调速柜适用于所有单电 机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载 类型.。采用紧凑高品质威图(RITTAL)柜式设计，节省占地面积 30%~70%。柜内强电保 护，安静运行(低于 67dB)。使用全新主控制板 CU320，智能化设计，采用 CF 软件存储 卡，提供光缆接口和 ProfiBus 接口，功能操作面板 AOP30 和功能强大的软件工具 STARTER 进行选型，调试，节能计算。SINAMICS G150 变频器配合 N-Compact 电机 非常适用于使用平方律扭矩特性驱动泵和风机的变频器操作。

2.2 可编程序控制器（PLC） 选用西门子 S7-300 系列通用型 PLC。该系列 PLC 能适合自动化工程中的各种应用场 合，使用模块化结构，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。使用 CPU313C-2DP 为核心控制单元，该模块带 MPI 和 ProfiBus-DP 通信接口，配有 MMC 存储卡，免维护，集成了 24DI/16DI 的数字量 IO，再扩展一个 8AI 的模拟输入模块用于 管网压力，流量，蓄水池水位及电机轴承温度等模拟量的检测。

2.3 工业控制计算机(IPC)系统 使用研华 IPC610 工控机，以 MS Windows2000 为系统平台，配置 CP5611 用于 ProfiBus-DP 现场总线通信，SIMATIC NET 软件配置 OPC Server 使用 VB6 开发系统 监控软件，MS SQL Server 为后台数据库管理平台。使用 SIMATIC SETP7 软件进行对 系统的组态和编程调试，使用 STARTER 软件进行对 SINAMICS G150 变频器的配置调 试。 其他设备包括水泵电机、出口阀门、压力传感器、液位计及相关电气控制设备等集成， 进行变频调速全自动闭环控制管理监视功能，其系统组成示意见图 1 。 图 1 系统组成

3．系统的设计与实践 

3.1 基本控制原理 由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经 PLD 的 A/D 转换，和 设定值比较，进行 PID 运算，通过 DP 总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及 节能原理。如图示。

3.2 变频参数设置 通过 STARTER 软件向导设置 G150 变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到 DP 总线上，成为 S7-300PLC 的一个从站。配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置 变频器命令源和主参数设定源为 Profibus 方式，选择速度控制方式（Speed control）， 定义 Profibus PZD 数据格式，选择使用水泵风机负载类型。如图 2 所示。 图 2 变频器设置向导 图 3 驱动原理 图 4 斜坡功能发生器(RFG) 图 5 速度设定逻辑

3.3 下位机 PLC 程序开发 PLC 本控制系统的核心元件。设备服务器（IPC）与 S7-300 数据通讯实现了两套冗余 的通讯方式：其一为 IPC 经过自带的 CP1613 卡与 PLC 的扩展模块 CP343-1 通过工业以 太网通讯； 其二为 IPC 通过自带的 CP5611 卡与 PLC 的 DP 通讯口进行 S7、 Profibus-DP 等现场总线通讯协议进行通讯。客户端 PC 可以在实验室局域网、校园网或 Internet 访问 远程实验室网站并做实验。 由于用户做实验不受时间和地点的限制， 充分发挥了用户的主观 能动性，也让有限的实验设备得到了更有效的分时复用。

(2) WRECS 软件结构设计 图 2 WRECS 软件结构 为了让远程实验室能得到最大限度的普及， 必须提供一个方便的客户端程序、 实现客户 端程序“零安装”。因此采用 B/S 结构，以客户端浏览器作为通用客户端程序，整个实验系 统的构成利用了 Java Applet、JavaScript、JSP 等交互式动态页面技术。此外，数据的 存放和传送采用 XML 和 OPC 接口技术。

远程实验用户根据用户名和密码登陆 WRECS 网站后，通过 Java Applet 的 Socket 提交实验参数 （控制命令、 控制器参数等） 给实验室服务器 RLab Server。 此时， Java Applet 会简单判断用户的输入信息（如数据类型）。如果输入有误，则及时提示错误信息。RLab Server 侦听的端口接收到实验信息后，解析并提取实验信息，经过一定处理后（如判断是 否已经有用户在做实验、复杂控制算法实现、日志记录等），通过 OPC 接口传递给 PLC。 PLC 是主要控制器，负责简单控制算法实现，并将控制对象信息经 OPC 接口传回给 RLab Server。RLab Server 除了可以对实时和历史实验数据在本地显示之外，还可以将它们分 别以一定的格式保存进 XML 和文本文件内。其中，XML 文件保存实时数据，好让客户端取 用并显示；文本文件保存每次实验的历史数据，好让用户下载数据并离线分析。客户端浏览 器 Java Script 通过定时读取 XML 数据，并将数据送给 Java Applet。最后 Java Applet 以曲线和数据形式显示实验结果。 另一方面， 用户可以根据网络带宽决定是否启动视频流监 控。
 
2.2 控制器的选择与设计

远程实验系统是一个让远程用户控制本地实验设备的系统。 这样一个系统就对控制器提 出了稳定、可靠、鲁棒性好等要求。PLC（Programmable Logic Controller）是计算机 最新技术与工业自动化经典理论相结合的产物， 是一种自动化控制领域重要的控制设备。 它实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃， 功能上有实现了逻辑控制到数字控制的进 步。它通过光电隔离 I/O 接口模块、R-C 滤波输入、屏蔽各个模块、自诊断、双 CPU 冗余 等手段基本上满足了远程实验系统提出的要求。目前，PLC 产品已在汽车（23%）、粮食 加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%） 等行业广泛应用。WRECS 的控制器选择了西门子 S-300PLC 作为控制器。

2.3 通讯网络的选择与设计 PLC 的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。选择好控 制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。从结构上看，PLC 网络可 以分为两种，一种在 PLC 模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点 通信（RS232）；另一种是通过多点联接（RS485），这适用于多层 PLC。 这方面，西 门子的产品具有代表性。西门子根据不同自动化水平的要求(工厂级, 单元级, 现场和传感 器/执行器级),提供了网络解决方案，包括多点接口 (MPI)、Profibus、工业以太网、 ProfiNet (基于工业以太网)、点对点连接 (PtP)、执行器/传感器接口(Asi)。目前网络是 一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。

2.4 客户端实验平台的设计 WRECS 系统网站是遵循了稳定、可靠、安全、可扩展、开放性等原则进行设计的。为 了开发出友好的人机交互界面，实验界面采用功能强大的跨平台网络编程语言 Java 编写， 并以 Applet 形式嵌入到网页当中。将 Java 双缓冲技术与多线程技术相结合，实现动态数 据波形曲线显示。用户可以通过 Applet 设定各种参数（如控制器参数）。此外，整个网站 的开发还融合 JSP(Java Server Pages)、JavaScript、XML（eXtensible Markup Language）和 JDBC 等技术。网站包括系统介绍、实验选择、BBS、相关链接和网站管理 等子系统。

2.5 服务器的设计
(1) Web 服务器 路由器将 80 端口映射到 Apache Web 服务器上。Web 服务器侦听 80 端口并响应 HTTP 请求。Web 服务器是一台负责提供 WRECS 网页（包括 HTML、JSP 等）的计算机。 当它接收到一个 HTTP 请求后根据用户权限，判断是否要为用户下载 Java Applet 客户端 实验界面。 此外，路由器将端口 8832、8833 和 5050 分别映射到了虚拟实验专用服务器、 远程实验专用服务器和视频服务器侦听的端口。 客户端可以根据权限直接通过 Socket 与这 些服务器进行 TCP 或 UDP 数据交互。
(2) 远程实验专用服务器 远程实验专用服务器（RLab Server）负责侦听和接收客户端的控制和数据信号，并 负责各种复杂控制算法的实现。 根据客户控制算法的选择和控制参数的设定计算得到上位机 的输出（如设定值、控制器参数等），通过 OPC 接口实现对实际对象的监控。同样的，对 象系统的实时数据被采集后也是通过 OPC 接口经过 RLab 服务器返回到客户端, 同时把每 个实验的历史数据以文本文件的形式保存下来，为用户提供离线数据下载。RLab Server 通过简单排队管理保证在同一时刻最多只能有一个用户可以操作实验设备， 其他用户可以读 取 XML 实时数据文件，所以可有多个用户同时观看。
(3) 设备服务器 OPC（OLE for Process Control）是以 OLE/COM/DCOM 机制作为应用程序级的通 信标准。 OPC 技术的实现包括两个组成部分， OPC Server 和 OPC Client。 即 OPC Server 是一个典型的现场数据源程序，它收集现场设备数据信息，通过标准的 OPC 接口传送给 OPC Clients。OPC Client 是一个典型的数据接收程序。OPC Client 通过 OPC 标准接口 与 OPC Server 通信，获取 OPC Server 的各种信息。只要符合 OPC 标准的所有客户应 用程序都可以访问来自任何生产厂商的标准 OPC 服务器程序。与基于 Windows 信息传递 技术建立起来的 DDE（Dynamic Data Exchange）技术相比,OPC 技术的优越性是显然 的，例如数据传输速度更快（在远程客户数多时，OPC 技术优势尤为突出）、更安全、开 发成本更低、可靠性更高等。OPC 可以看成是软总线，增加 OPC 服务器或 OPC 客户端就 像增加总线节点那么简单。WRECS 的 OPC 服务器负责 RLab Server 与 PLC 之间相关数 据的传递。
(4) 视频服务器 视频服务器通过 5050 端口进行侦听远程客户端用户连接请求和控制命令。 并根据权限 和控制命令通过串口实现对云台的控制来间接控制摄像头的视角和焦距。 服务器对云台的控 制信号由 RS-232 串口输出后， 经过一个 232/485 转换器进行信号转换后再通过 RS-485 总线传输到各个云台上。采用 RS-485 进行信号传输是因为它具有传输距离远、可多点传 输（理论上，最多可同时控制 32 个云台）、成本低等优点决定的。服务器由 PCI 视频采集 卡来负责采集 AV 信号的视频流信息，对模拟信号进行 A/D 转换，对视频数字信号进行 MPEG-4 格式压缩后将它传给发送缓冲区发送，并将视频信息进行本地显示和保存。其中， 服务器端的图像压缩方式为 PCI 视频采集卡直接硬件压缩，而客户端解压则采用软件解压 方式。
(5) 数据库服务器 数据库是指长期保存在计算机的存储设备上， 并按照某种模型组织起来， 可以被各种用 户应用或共享的数据集合。它是信息系统不可或缺的工具，它常常是信息系统的核心，且是 各种软件系统的基础。WRECS 选择了采用客户机/服务器计算机模型的 Oracle 作为后台 关系数据库服务器。 数据库的设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础， 它要求对于指 定的应用环境，构造出较优秀的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能够有效地 存储数据，满足用户地各种应用需求。WRECS 根据需要建立了用户注册信息表、权限表、 日志表、BBS 信息表、实验室资源表等。
3．WRECS 实例 
实例——远程液位控制实验 远程液位控制实验 WRECS 的实验对象为一套 FCS 过程控制系统。该系统包含了两个串级的双输入单输 出水箱、加热炉、强制对流换热器系统、纯滞后盘管等部件组成。系统中采用的过程检测仪 表有上、下水箱扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、Pt100 热电阻温度传感器和三 个 Profibus-PA 总线型传感器（分别测量温度、液位和流量）。系统中采用的执行器装置 有可控硅移相调压装置、电动单座调节阀和三菱变频器和 Profibus 总线型西门子变频器。 基于该实验对象进行 PLC 的硬件组态和软件组态，然后通过 Step7 编程实现 PLC 控制算 法，实现单元级控制。 PLC 与本地远程实验专用服务器（RLab Server）的数据交互采用了先进的 OPC 接口 实现。西门子公司为其 S7-300PLC 提供了 OPC.SimaticNET OPC Server。通过 Step7 和 SIMATIC NET 可以快速实现 OPC 服务器的配置。RLab Server 的 OPC Client 子系统 负责与 OPC 服务器通讯。此外，RLab Server 还完成了远程用户的控制命令和实验参数的 处理和其它管理功能（包括用户、实验和网络等管理）。 图 3 WRECS 实验界面 远程用户登陆网站后，通过提交实验 PID 参数、设定值等信息给 RLab Server 实现对 本地实验设备的控制。 RLab Server 根据远程用户发过来的控制命令和实验参数， 通过 OPC 接口控制 PLC 的运行状态并获取有用信息， 并将实验信息保存到 XML 和文本文件内。 远程 用户通过读取 XML 里面的实时数据或在实验结束后下载文本历史数据。把图 3 为采样简单 PID 控制液位实验界面。 实验过程 PID 参数分别为 4、 0.1 和 0.025； 液位设定值从 25cm 改为 35cm，等系统稳定后再改回 25cm。整个过渡过程的实验曲线如图 3 左边所示。图 3 右边为视频监控界面。通过控制视频界面内【上】【下】【左】【右】和【放大】【缩小】 按钮，用户可以控制视频监控云台的视角和焦距，达到最佳视频监控效果。 4．结论 ． 随着能源的相对紧缺， 变频技术的不断发展和应用对于大功率的电机设备逐渐实现了变 频改造。此外，由于计算机、网络通讯等技术的不断发展,潜移默化的改变着人们的学习、 生活和工作等方式。 对基于现场总线控制和远程、 无线控制技术也将不断推广应用于各个行 业。如对上述系统将 IPC 通过互连网络或 PLC 端加置无线通信(如 GPRS)模块连接到自来 水水总公司便可以实现网络的远程集中监控管理 （包括远程智能监测和控制、 远程故障诊断 和维护等）、实现无人值班守泵站建设。