基于环形以太网洗煤厂计算机控制程序

本文依据某洗煤厂提供的洗煤厂计算机控制系统设计参数及技术性能要求设计。目前原设备生产能力为150万t/a，技术改造后为200万t/a，结合该矿建设标准，地面生产系统主要工艺装备均采用生产效率高、运行可靠的先进设备，但不具备远程管理监控功能，无法实现集中管理。本文是在此基础上实现全自动监控系统的改造。

1洗煤厂计算机控制系统的类型确定

当前分布式计算机控制的类型有：集散控制系统、现场总线控制系统和网络控制系统。

（1）集散控制系统（DCS-DistributedControlSystem）集散控制系统又称分布式控制系统。它以微处理器为核心，实现功能上和地理上的分布控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中监视和操作，实现了复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调；

（2）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem-FCS）现场总线控制系统是20世纪80年代中期在国际上发展起来的新一代分布式控制系统结构。它采用了不同于DCS的“工作站-现场总线-智能仪表”结构模式，降低了系统总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，因此它是新一代的分布式计算机控制系统；

（3）网络控制系统NCS（NetworkControlSystem）网络控制系统是通过网络形成的反馈控制系统。在网络控制系统中，被控制对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连接的。它是一种空间分布式系统，通过网络将分布于不同地理位置的传感器、执行机构和控制器连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反馈控制系统。它具有信息资源共享、易于扩展、连接线数减少、效率高、易于维护、性能可靠等优点。尽管NCS比传统的计算机控制方式具有许多优点，但由于数据在网络中传输，使数据包在传送的过程中不可避免地会产生排队或碰撞，导致数据传输延迟，从而使控制系统产生时滞，影响了系统的稳定性及其跟随性。因此本系统根据现场的条件，选择了基于工业以太网的现场总线控制方式。某洗煤厂生产工艺流程如图1所示。图1洗煤厂生产工艺流程图根据图1可知，该选煤厂具有车间分散、设备分散，生产连续，各环相扣，数据多，处理量大的工艺流程特点，因而采用了基于光纤环网冗余的工业以太网+PROFIBUS现场总线+ROFINET总线的集中管理、分散控制的新一代分布式控制方式（即FCS）。

2洗煤厂计算机控制系统的网络组建

通过图1对洗煤厂生产工艺的研究，统计出需要控制的系统包括集控楼集控室、动筛车间、洗选车间、压滤车间、筛分车间、原煤配电室和西泵房等几个系统。系统采用1台总配电柜+1台工作站+3套西门子S7-3003152DPPLC主站+3套ET200S分站+PROFIBUS现场总线+ROFINET总线+工业以太网控制。考虑数据远距离传输的准确性和系统的稳定性，以及需方的要求采用双环自愈型工业以太网通讯方式和冗余系统形成选煤厂环形工业以太网，系统提供丰富的模块多样化设计，可支持热插拔。

2.1现场总线PROFIBUS

PROFIBUS是一种不依赖于设备生产商的国际化、开放式现场总线标准，用于现场设备层或工厂自动化车间级监控的数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS协议采用ISO/OSI模型的第1层、第2层和第7层（ISO/OSI模型的1～4层是面向网络的，5～7层是面向用户）。PROFIBUS为用户提供了3种通信协议类型，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery该总线成本低，速度高，用于分散式I/O的通信与现场设备级控制）、PROFIBUS－PA（ProcessAutomation该总线具有本征安全规范，适合于本质安全的场合，可使传感器和执行机构联在一根总线上，为过程自动化而设计）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，该总线是一个令牌实时多主网络的结构，用于车间级监控网络）。PROFIBUS传送速度可在9.6kbit/s~12Mbit/s任意选择，因此PROFIBUS可适应于不同控制对象和通信速率等要求，开放性好并且技术成熟，所以在该洗煤厂的车间级采用了PROFIBUS现场总线作为现场设备级的分散的I/O通信。根据要求，在筛分车间配电室及原煤配电室设立一个ET200S远程I/O站，实现远程控制，ET200S是西门子PLC的远程模块，通过西门子的PROFIBUS-DP总线将该ET200S作为子站挂靠在动筛车间PLC控制分站，通过总线的形式将采集的现场信号和对现场的控制信号由PLC到ET200S子站上。在硬件组态中，需要将ET200S挂到DP总线上，同时定义该ET200下的模块属性，包括各模块的地址以及各种属性。同样，在西泵房设计一个ET200M远程I/O站，通过西门子的PROFIBUS-DP总线接入洗选车间PLC控制分站。3套S7-300PLC采用PROFIBUS现场总线接口,并通过工业以太网交换机接入管控中心。

2.2工业以太网

虽然PROFIBUS的协议结构是以ISO/OSI为参考模型，但其3~6层并未出现在PROFIBUS的通信栈中，而且各种现场总线之间虽可通过网关进行互换，但设备和装置之间的操作性和互换性就几乎不存在；现场总线的数据吞吐能力只适合于底层应用层，对管理层因其对实时性要求非常高，现场总线满足不了要求，因此采用功能更强大的工业以太网将洗煤厂现场控制系统联接起来组成环形自愈网，提高系统的数据传输速度及可靠性。所谓工业以太网就是结合以太网技术和TCP/IP技术开发出来的一种工业通信网络。洗煤厂的工业以太网设计如下：（1）基本类型按照以太网传输速率大致可分为4种：10Mbit/s工业以太网、100Mbit/s工业以太网、1Gbit/s工业以太网、10Gbit/s工业以太网，根据现场及需方要求采用1Gbit/s工业以太网。（2）网络硬件①传输介质传输介质主要根据网络连接距离、数据安全、传输速率来确定，在工业以太网中常用的传输介质有屏蔽双绞线（TP）、工业屏蔽双绞线（ITP）和光纤。因光纤有重量轻、不产生电磁干扰、不受雷电影响、不受电磁干扰、无屏蔽电流及无电气接地问题等优点，因此在本设计中采用光纤作为传输介质；②工业以太网交换机在本系统中由于采用OLM光纤环网的拓扑结构，以及数据的检测采用载波侦听多路复用的方式，使系统传输延时，可靠性降低，采用工业以太网交换机可有效地改善系统的特性。本设计采用了MIER系列的以太网交换机。MIER-5428系列自愈环光纤交换机是由24个10/100Base–TX或10/100Base-FX/BX端口以及4个10/100/1000Base-TX或千兆SFP组合端口（1000Base-SX/LX/BX）组成。系统在重新组态时冗余倒换时间小于300ms，另可提供1个1000M以上联口与核心交换机上联。MIER-5428支持MR-Ring自愈环，适合用作中心端交换机，最大的特点是支持多组自愈环网，可由用户自行设定自愈环的环路端口，与MIE-5210自愈环光纤交换机组成多个自愈环网，而4个千兆口可以将多台MIER-5428组成千兆自愈环，保证多个中心交换机之间的千兆链路安全；③通信处理器工业以太网通信处理器包括用在3台S7-300站上的处理器CP343-1、PC机上的网卡CP1613，它们均提供了ITP、RJ45、AUI等以太网接口，以1000Mbit/s的速度将3台PLC和PC连接至工业以太网上。

2.3PROFINET

PROFIBUS作为现场总线的一种，已经在我国得到认可，并广泛应用在各种场所，将TCP/IP技术应用在现场总线是西门子近年来的成果，这就是PROFINET，它是一种基于工业以太网技术的现场总线，并得到了国际电子委员会（IEC）的认可。采用PROFINET将集控室和现场联系起来，实现了管控一体化。PROFINET的物理层采用快速以太网的物理层、数据链路层（IEEE802.3标准），网络层和传输层采用IP/TCP/UDP技术。洗煤厂计算机控制系统中既有对实时性没有特别要求的过程参数设定值（如PID控制器的KP、KI、KD等参数设定），又有必须满足实时性要求的过程采样值，PROFINET对不同的应用要求使用相应的通信方案，解决了在同一个系统里有不同实时通信要求的问题。这是因为PROFINET采用IRT技术解决同步数据通信问题、采用SRT技术解决苛求时间数据通信问题、采用IP/TCP/UDP技术解决无苛求时间数据通信问题。

2.4ET200S控制方式

SIMATICET200S是西门子ET200分布式I/O系统的重要组成部分，它的按位模块化、高度可扩展性的优势使其广泛应用于各种工业控制场合。使用SIMATICS7-400/300控制器和ET200系列远程I/O所构成的基于PROFIBUS-DP或PROFINET现场总线的解决方案，目前已经成为众多工程项目的经典选择。ET200S是一款防护等级为IP20，具有丰富的信号模块，同时支持电机启动器，变频器，PROFIBUS和PROFINET网络的分布式I/O系统。SIMATICET200S同时支持PROFIBUS和PROFINET现场总线；拥有CPU314功能的集成PROFIBUSDP通讯口的IM151-7CPU和具有3个PROFINET接口的IM151-8PN/DPCPU接口模块；可以扩展最大7.5kW的电机启动器和最大4.0kW的变频器；拥有丰富的诊断功能，包括断线、短路和通道级的诊断功能；对于MODBUSRTU通讯功能，无需增加任何的选件即可完成；支持带电热插拔功能，使得在运行情况下也可以轻松完成模块的更换；同时提供包括集成光纤接口的PROFIBUS和PROFINET接口模块；洗煤厂的计算机控制系统的网络结构如图2所示。

3结语

分析了洗煤厂的工艺流程，确定了该系统的控制类型；并通过分析工业以太网、PROFIBUS、PROFINET的特点，组建了关于环形以太网洗煤厂的FCS系统；提高了系统的数据传输速度及系统的稳定性，完善了系统的功能，使操作更加方便、透明；为洗煤厂的计算机控制系统的实现提供了一定的参考。