1 引言
Profibus有深遠的制造業應用基礎和使用經驗，它的應用領域包括加工制造、過程和建筑自動化，如今已成為國際化的開放式現場總線標準，即EN50170歐洲標準和IEC61158國際標準的一部分,并且在2006年轉化為中國GB現場總線標準。
Profibus由Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification），Profibus-PA（Process Automation）和Profibus-DP（Distributive Peripheral）三部分組成。其中，Profibus-DP具有高速傳輸、價格低廉等特點，實現起來比較簡單，主要用于分散設備間的數據高速傳輸。該總線物理層采用RS485傳輸方式，傳輸速率可由9.6kbps至12Mbps。一般用于自動化控制系統和現場設備級間的開關量的通信。因而可滿足全數字交直流調速系統對于快速的時間相應要求。目前80%以上的Profibus應用是基于Profibus-DP。
基于Profibus-DP現場總線的控制系統與以前的集散型控制系統DCS相比,具有很多優越性，如：
（1）采用雙絞線、光纜或無線電方式傳送數字信號，從而大量削減現場儀表與控制室之間一對一連接的導線，節省安裝費用，提高可靠性和抗干擾能力，增強控制精度，信息傳輸速率可達1-12Mb/s，傳輸距離可達數公里。
（2）由于采用了統一的國際標準，不同廠家的產品在硬件、軟件、通信規程、連接方式等方面互相兼容，使系統具有開放性，這對用戶的操作、維修、擴展都是十分有利的。
（3）由于現場設備本身可完成自動控制的基本功能，導致現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。許多控制功能從控制室移至現場儀表，大量過程檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，在新的技術基礎上實施就地控制，使過程控制基本分散到現場，而控制室內的儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化功能。
（4）開放式系統，系統分層分級集成，設計靈活，網絡可采用多種拓撲結構。
旋轉編碼器測量精度高、使用簡單，在檢測及控制轉速、轉角等方面得到了廣泛的應用。絕對位置旋轉編碼器可直接測量參數的絕對值，抗干擾能力強；在系統掉電及再上電后，絕對位置旋轉編碼器仍可保持輸出位置量不變。
根據以上特點，在設計水庫閘門監控系統時，我們采用帶有總線標準接口的絕對位置旋轉編碼器測量閘門的實際直線位移，以西門子S7-300系列PLC為控制核心的監控系統。
2 系統控制結構設計
2.1 閘門監控電氣設計
閘門由兩臺電機驅動卷揚機拖動。監控系統應具有現場/遠方可切換控制模式；通過改變電機轉子回路中的串接電阻可使閘門以三種速度升降。當閘門提升離開底坎200mm時，電機停，等到閘門前后的水位平衡后，電機再重新啟動提升閘門至希望位置。在閘門升降過程中，監控系統要隨時檢測閘門的位置，并應有較高的檢測和控制精度，同時，閘門監控系統要監視負載電流，在電機或閘門啟閉機械過載時應有相應的報警輸出，并在現場和遠方兩種方式下都能實現相應的監控。根據閘門的控制要求，系統主回路和部分控制回路電氣設計如圖1所示。
圖1 閘門系統主回路、部分控制回路
2.2 閘門監控PLC設計
項目選用Siemens公司S7-300PLC系列CPU315-2DP，配置一個通信處理器CP342-5作為Profibus-DP系統的主站；旋轉編碼器選用德國ifm公司的絕對位置型旋轉編碼器RM3005，不僅具有普通多轉編碼其性能，而且保持相同的最大分辨率（8192脈沖/轉，4096轉），增添了Profibus-DP網絡的特性，作為現場總線控制系統的從站可省去閘門監控系統常規設計中的多個輸入/輸出接口,如：閘門上升和下降檢測，閘門的上下限檢測,閘門到位檢測等。選用觸摸屏TP170A作為現場操作站，方便顯示工藝參數、系統狀態。其控制網絡拓撲結構如圖2所示。
圖2 控制系統的總線拓樸結構
通信處理器CP342-5設置為“DP Master”主站工作模式，RM3005為從站，CP342-5通過Profibus-DP總線（1）與旋轉編碼器RM3005進行通訊。另外，遠程控制站通過Profibus-DP總線 （2）與集成在CPU315-2DP上的DP接口建立通訊，遠程監控閘門控制系統的運行。
3 PLC與旋轉編碼器之間通信的實現
3.1 第三方產品接入設計
德國ifm公司的旋轉編碼器RM3005相對Siemens公司的PLC來說是屬于第三方產品，但是由于它支持Profibus-DP協議，攜帶設備數據庫文件GSD，因此它們中間通信的實現就非常容易，只需要在Siemens公司STEP7的硬件狀態環境中把旋轉編碼器RM3005攜帶的設備數據庫文件GSD導入進STEP7后，進行一些簡單的組態工作，就可以象使用Siemens公司自己的支持協議的旋轉編碼器那樣使用旋轉編碼器RM3005，不需要為了實現Profibus-DP協議而進行任何的編程工作。
3.2 通信設計
PLC與旋轉編碼器RM3005之間的通信主要完成兩方面的任務：一是RM3005數據初始化時，根據閘門全關時的實際位置設定旋轉編碼器的初值。二是系統正常運行過程中 ,需要將測量的閘門位置及時報告給PLC以進行處理。通過通信功能塊“DP_SEND”來實現RM3005數據初始化，使用通信功能塊“DP_RECV”來實現由PLC的CPU通過CP342-5實現閘門的位置實時處理，如圖3所示。需要注意的是，RM3005初值的設定和閘門位置的讀取是兩個互鎖的過程。
圖3 PLC與RM3005之間的通訊
4 結束語
基于Profibus-DP總線技術的閘門控制系統可靠性得到了大大的提高,維護也很方便。同時，由于現場總線是一個開放與標準的總線系統，用戶在實現控制系統時可以按照自己的要求靈活組態，將不同供貨商的產品集成在一起。該系統已在某水庫中投入了使用，其優勢得到了驗證。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
