西门子模块6ES340-1AH02-0AE0

1、引言

    在一个自动监控(Supervisory Control And Data Ac SCADA)系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据采集和处理中心、远程监控中心和数据转发中心。处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备如挂接在现场总线上的工控计算机、PLC、智能仪表、智能设备等共同构成快速响应控制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可在工控计算机上组态，然后在下装到设备中执行，根据设备的具体要求而定[1]。组态软件在SCADA系统中所处的位置如图1所示。
　　
    监控组态软件投入运行后，操作人员可以在其支持下完成以下各项任务
　　
    (1) 查看生产现场的实时数据及流程画面，浏览各实时历史趋势画面；
    (2) 自动打印各种实时历史生产报表；
    (3) 及时得到各种过程报警和系统报警；
    (4) 在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态；
    (5) 与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。

图1 监控组态软件在SCADA系统中所处的位置

    现场总线作为开放的控制网络能实现现场设备间、现场设备与控制室间的信号通信[2]。开放通信是信息传输与共享的基础之一，而当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信号与各应用程序连接起来，让现场信息出现在计算机的各应用平台上，依然存在一个连接标准与规范的问题。在多用户、多任务的计算机系统中实现程序间的数据交换比较方便，操作系统对这种操作是支持的。自从bbbbbbs及微机版UNIX、LINUX操作系统的面世后，出现了程序之间交换数据的技术、协议或标准，实现程序间的数据交换才比较容易。在工业PC机的自动化系统中被广泛采用的，让现场总线控制系统和人机界面软件能够有效充分地用PC机丰富强大的软件资源，是一项值得深入研究的课题。文章对有关技术问题结合工程实践作些讨论。

    2、动态数据交换的基本概念

    尽管工控组态软件的数据交换技术有了长足进步，在当前实际运用的现场总线控制系统组态软件中，对于DDE和OPC两种数据交换技术的具体运用-特别是在微机执行多任务条件下如何进一步提高组态软件与其他程序之间的数据交换实时性方面，仍然存在某些不足，值得进一步探讨和研究。其中，动态数据实时交换(DDE)技术在控制网络的集成中得到了实际应用。其原因：

    (1) 这种方法实时性较好，可以采用标准的bbbbbbs技术；
    (2) 作为连接控制网络与信息网络的通信处理机在硬件上比较容易实现。
　　
    当控制网络与信息网络有一共享工作站或通信处理机时，就可以通过动态数据交换技术实现控制网络中实时数据与信息网络中数据库数据的动态交换，从而实现控制网络与信息网络的集成。
　　
    DDE是进程间通信的方法。为了进行会话，DDE应用程序用3个基本的标志符(或字符串)，即三层识别系统来区别其他DDE应用程序，他们分别是应用程序名(Application)、主题名(Topic)和项目名(Item)。每个DDE会话由应用程序名和主题名唯一定义，在DDE会话建立前由客户程序和服务器共同决定应用程序名和主题名，而由客户程序填写服务器的3个标志名。应用程序名位于层次机构的顶层，用于指出特定的DDE服务器应用程序名。主题名更深刻地定义了服务器应用程序会话的主题内容，服务器应用程序可支持一个或多个主题名[2]。
　　
    3、面向过程控制的动态参数数据交换程序设计
　　
    为方便讨论问题、现举例说明。根据某生产自动化改造工程要求,需要对系统进行组态监控操作平台设计，采用组态软件IFIX2.2和bbbbbbs应用软件VB6.0，开发并实现基于DDE机制的进程间数据交换，满足工业控制网SCADA工控计算机内部信息交换需要，为各应用程序通过共享内存交换信息，实现控制网络与信息网络的集成，并为进一步进行bbbbbbs程序间的数据交换开发提供有借鉴意义的参考[3]。控制网络与信息网络的主要集成技术如图2所示。

图2 控制网络与信息网络的主要集成技术

    3.1 DDE信息交换的网络集成方法
　　
    通过共享存储器的DDE技术为实现控制网络与信息网络的集成提供了技术支持，有很强的实时性。工程设计以工控计算机IPC作为通信处理机，该IPC机同时也是2个网络的工作站，跨接控制网络和信息网络，在沟通2个网络中起桥梁作用。通信处理机IPC用DDE方法实现2个网络间各站点的通信，是整个集成网络的关键，它能实现以下功能：

    (1) 搜集控制网络上各站点的实时数据信息，写入信息网络的数据库，以便信息网络用户浏览、查询；

    (2) 将信息网络用户的控制信息及时下达至控制网络的指定工作站点。
　　
    基于通信处理机DDE信息交换的网络集成方法如图3所示。

图3 基于通信处理机DDE信息交换的网络集成方法

    3.2 组态软件iFix与VB之间的DDE实现
   
    现场总线控制系统采用Inbbblution公司开发的组态软件iFix2.2作为SCADA监控操作平台。iFix是一种工业自动化组态软件，它采用图形用户界面，提供了监控和数据采集功能,为操作人员和开发人员提供了良好的监控环境，可以实现对象自由组态及动态属性的在线配置、现场动态数据采集、数据处理、状态监控、报警、参数设置、报表生成、数据存储、接口等基本功能和网络管理功能。在各种操作系统上的版本共享相同的内核，允许在同一网络结构中运行建立在不同操作系统上的iFix版本。iFix包含大量图形工具，使用户能够快速地开发系统，而且它提供了强大的功能，包括实时过程的监视和监督控制、报警和报警管理、历史趋势，统计过程控制、基于用户的安全系统、方便的系统扩展、网络功能等。而VB6.0是微软公司推出的一个流行且强大的快速开发工具,在开发SCADA系统时，利用DDE技术把两种工具有效的结合起来，更能发挥它们各自的优势，可以获取令人满意的结果。
　　
    系统分为监控子系统、数据采集子系统和数据交换子系统。以台湾磐仪工控机IPC1作为SCADA监控硬件平台。监控计算机通过挂在CC-bbbb总线上的远程IO模块和数据采集模块，即采集子系统与现场的监控仪表相联系。采集子系统负责将现场各智能仪表采集的数据采集上来；监控系统通过DDE方式与采集子系统相联系，将现场的各种运行参数实时显示出来；监控系统根据需要给出控制命令，由采集子系统传达给挂在CC-bbbb总线上的CC-bbbb主控PLC，PLC负责现场各种设备的控制。数据交换子系统通过DDE方式与监控子系统系统交换数据，将现场实时信息经由控制网络传达到信息网络。某车间监控层过程实时数据流向如图4所示。

图4 VB作为服务器、iFix 作为客户的数据流向图

iFix软件提供了强有力的DDE客户和服务器支持。DDE客户支持允许把来自其他应用。程序的信息传递到iFix软件中，用于数据库和画面；服务器支持允许把iFix软件的过程信息传递到其他应用程序中去处理。

    (1) DDE客户支持
　　
    iFix软件DDE客户支持允许读写DDE地址，利用DDE IO驱动器和块配置的DDE地址，可以在过程数据库中插入来自其他应用程序、DDE驱动程序或另一个SCADA节点的数据信息。

    数据库中的这些信息可以按照以下方式使用在链中传送数据、对DDE数据进行报警和用DDE数据制作趋势曲线。
　　
    DDE客户支持允许在 iFix 画面中直接使用DDE，而不使用数据库中的点。即DDE可以直接应用于数据链接、动态特性(前景颜色、边界颜色、X和Y坐标、水平或垂直填充、可见性等)设置、XY绘图、棒状图和命令语言。iFix作为客户DDE的地址语法为=ApplicationTopicItem例如现场设备点DO1的IO地址=VBServerbbbb1Text1，其中VBServer为VB开发的应用程序名，bbbb1为主题名，Text1为项目名。

    (2) DDE服务器支持
　　
    iFix软件作为服务器允许将它的实时数据或历史数据传送到其他DDE客户应用程序中。使用iFix DDE服务器功能，需要首先启动DDE服务器程序，即iFix软件的安装目录 iFix32下的DMDDE.exe。iFix 作为服务器提供的DDE编址语法如表1所示。

表1 DDE编程语法

    3.3 VB的DDE链接属性
　　
    VB作为bbbbbbs环境下非常流行的快速开发工具，与bbbbbbs操作系统同出于微软一家，它理所当然地支持bbbbbbs下的DDE技术。用VB可以方便快捷地开发出DDE客户或服务器的应用程序。
　　
    (1) VB的DDE属性、DDE事件和DDE方法
　　
    VB中支持DDE的对象有5类窗体(bbbb)、多文档窗体(MDI bbbb)、标签(Label)、文本框(TextBox)和图片框(PictureBox)。其中，窗体和多文档窗体可作为DDE服务器即数据的提供者，Label、TextBox和PictureBox等可以作为DDE服务器即数据的接收者。VB为支持DDE给发送端对象提供了2种DDE属性和4种DDE事件，给接收端对象提供了4种DDE属性、4种DDE事件和4种DDE方法(见表2)。

表2 接收端对象的属性、事件及方法

    (2) 利用VB开发DDE客户服务器应用程序

    在利用VB开发DDE客户服务器应用程序中，欲建立DDE链接，完全依赖对象的DDE属性设置。VB分别作为DDE客户和DDE服务器时，DDE属性的不同设置(见表3)。

表3 VB作为DDE客户服务的DDE属性设置

    (3) 动态数据交换的过程

    DDE管理器作为服务端通过驱动程序从PLC的内存中采集到数据，与组态进行数据交换后又通过驱动程序写入PLC的内存区，这一过程的示意图如图5所示。

图5 动态数据交换的实际过程

    (4) 动态数据交换的建立过程
　　
    DDE工程的建立主要包括PLC细节的描述、网络的设置、数据点的选取，其中主要是进行设备的配置和点的设置。接下来建立需要监控的点，并对其进行编辑，包括定义监控点的名字、PLC的类型、监控点在PLC内存中的位置、数据的类型等。可根据PLC机架上输入输出单元的点数来定义输入字和输出字，同时定义手动自动控制标志位。

　　3.4 VB作为DDE服务器、iFix 作为DDE客户的实际链接

    有些参数需要通过VB开发的应用程序VBServer把从远程现场采集的实时数据传输到iFix实现显示或制作趋势图，如油漆烘间的实测温度、纯水进口压力、循环水过滤器压力、颜料的实测浓度、电泳循环泵的转速和胶炉实测温度、一次抽风系统增压机的进口和出口压力、空气预热器蒸汽温度等参数。

    在VBServer中，把采集到的实时数据赋给TextBox(文本框)，并把iFix中各点的DDE地址的项目名设为对应的TextBox(文本框)。如油漆烘间的实测温度，在iFix中点名为AI_Oven_Tem,其DDE地址VBServerbbbbMaintxt OvenTem(其中VBServer是应用程序名，bbbbMain是作为主题的窗体名，txtOvenTem是作为项目的文本框名称)。此时，iFix为客户，VB应用程序为服务器。

    3.5 VB作为DDE客户与DDE服务器iFix的实际链接
　　
    通常情况下，现场的检测信号和运动参数的流向是从iFix传输到VB开发的应用程序VBSrvApp或其它的bbbbbbs应用程序，再由bbbbbbs应用程序或VBSrvApp以命令形式经iFix下达给远程现场的智能仪表或PLC等远程的现场设备，如油漆烘间和胶炉各自的设定温度、纯水进口的设定压力、颜料的设定浓度等参数。

    在VBServer中，把各个设定参数相应的TextBox(文本框)的bbbbItem属性设置为对应的iFix的点，然后把从iFix的点传输到对应TextBox(文本框)中的内容下达给远程现场设备。此时，VB应用程序为VBServer客户，iFix为服务器。

1     前言

邯钢4#高炉自1993年投产至今以有12年，外部设备严重老化，热风炉原有的PLC控制系统TDC3000也经常出现模板损坏和通讯中断事故，急需改造。考虑到热风炉设备较为分散，而现场总线技术正适合于这种分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统，所以决定引入现场总线技术对热风炉进行改造。

2     现场总线技术概述

    现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。其主要特征： 

2.1 数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号；

2.2 在车间级与设备级通信的数字化网络； 

2.3 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命； 

2.4 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场； 

2.5在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

   现场总线控制系统有如下优点：全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、多功能仪表、开放性、智能化与自治性等。

现场总线控制系统通常由以下部分组成： 现场总线仪表、控制器 、现场总线线路 、监控、组态计算机 ，这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。

3      改造方案和措施

3.1 PLC系统用A-B控制系统代替TDC3000控制系统,软件采用A-B的RSlogix 5000和RSview32。其优点为：3.1.1备件易于采购（原有的TDC3000产品已不生产）。3.1.2统一采用A-B的设备与软件，有利于系统的稳定。3.1.3系统扩展性强。

3.2现场总线部分采用德国图尔克公司的BL2O系列输出摸板、FDNL系列输入摸板和网络附件。

3.3本次现场总线改造涉及热风炉自身的液压阀门以及三座公用的液压阀门，其余相对集中的电动阀门、液压站、风机控制均进主PLC。总线分为14个地址，即01-13。所有的总线输出点在01（BL20）站，输入点在02-13站。

3.4取消原有PLC输入、输出柜，设备的各个输入点直接进PLC柜，输出点隔离继电器加在过程站控制柜中。

4  系统配置

4.1主PLC模板型号CPU:1756-L55 ControlLogix5555(一块)，ENET:1756-ENBT/A(一块)，DI：1756-IB16(五块)，DO：1756-OB16E(三块)，AI：1756-IF16(一块)，AO：1756-OF16(一块)，DNB: 1756-DNB(一块)， 主PLC通过1756-ENET通讯模块挂在以太网上完成控制功能。

4.2 现场总线模板型号DI：FDNL-L1600-T、FDNL-L0800-T，DO：BL20-4DO-24V-0.5-P，由主PLC1756-DNB模块充当Device Net设备与Logix5550控制器之间的接口并实现通讯。 

4.3 2套研华工控机通过3COM网卡挂在以太网上完成监视和操作功能

系统配置如图如下：

5     网络协议

5.1 Ethernet协议: Ethernet用电缆将计算机和外围设备连接起来，使它们之间可以互相通讯。用于网络的实际连线称为网络“媒介”。除物理媒介外，所有Ethernet网络支持协议都提供复杂的数据传输和网络管理功能。

在网络上使用Ethernet之前必须对其组态，包括：IP地址、默认网关和子网掩码。

5.1.1 IP地址标识了网络上的每个节点。在网络上每个TCP/IP节点必须有唯一的IP地址。

5.1.2网关将单独的物理网络连接到系统中。当一个节点需要与另一个网络中的节点通讯时，网关可以在两个网络间传输数据。

5.1.3子网掩码是IP地址表的扩展，它允许站点在多个物理网络上使用单一的网络ID。

本系统是通过RSLINX软件进行上述组态的。

通过Ethernet协议完成热风炉两台工控机与CPU之间 以及与热风炉仪控、炉顶和槽下CPU之间的通讯。 

5.2 DeviceNet协议：通过1756-DNB模块控制器与DeviceNet设备之间进行数据交换。

   DeviceNet系统特点：

5.2.1基于CAN芯片，具有更强大的通讯功能，支持多种通讯方式。

5.2.2  DeviceNet具有更强大的抗电磁干扰能力。

5.2.3软件支持在线自动建立系统，使用更方便。

5.2.4网络多支持64个节点。

5.2.5采用竹竿-分支拓扑结构。

5.2.6总线电源与通讯信号使用同一电缆。总线电源为24VDC，其向节点提供工作电源及向输入设备提供电源。

5.2.7输出采用辅助电源供电，确保总线通讯不受负载的影响。

通讯速率与通讯距离关系见下图表： 

本系统是通过RSNETWORX FOR DeviceNet软件组态1756-DNB模块。

通过1756-DNB模块完成热风炉主PLC与Device Net设备进行通讯。

6 结束语

通过这次现场总线改造，减少了热风炉的事故发生率，较之改造前更易排除故障，同时系统综合成本大副减少。投运以来，总线系统运行稳定，从而保证了高炉的稳产、高产。现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。