Profibus总线在城市垃圾处理自动控制系统中的应用
日期：2009-7-16 23:49:25 来源：中国工控网
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1 前言
随着中国经济的迅速发展，城市垃圾的数量和规模也在不断增加，通常对于垃圾的处理方式不外乎三种：填埋、焚烧和堆肥，但都存在着占地或环保等方面的问题。垃圾堆放时产生大量有害细菌及恶臭废气，会严重危害到工作人员身体健康，而且随着垃圾数量的增多，只用人工操作无法满足社会的需要，因此将整个处理过程无人化自动化就显得至关重要了。本方案通过对生活垃圾经除臭，灭菌，粉碎后与建筑垃圾，水泥和托马斯粉搅拌混匀后制成各种规格的新颖环保建筑用砖，以实现对城市废弃物的有效回收与利用，变废为宝，达到垃圾处理的减量化、无害化、资源化、产业化，实现了较好的经济效益。
2 城市垃圾处理控制系统的设计构思
图1 垃圾处理流水线
图2 Profibus现场总线体系结构
2.1 城市垃圾处理的流水线过程
将垃圾卸到板式给料机上，经运输机送到粗型破碎机，由转运运输机送到熟化池，对有机垃圾进行除臭降解腐化，熟化后的垃圾经运输机送到压缩机压缩，而后由运输机输入杀菌长廊杀菌干燥后经中间料仓兼分配器送给中型破碎机和细型破碎机粉碎，输入储料罐作为制砖的原料，然后与建筑垃圾、水泥、托马斯粉混合后压制成砖。
2.2 控制系统的要求
实时性强，可连续监控；
快速准确的故障诊断和处理；
实现本地和远程的监控切换；
稳定性高，确保流水线24小时连续不间断工作；
2.3 网络的选择
当前适用于工业应用的网络主要有DCS局部网络、工业以太网、现场总线网络三种。 现场总线网络实现了现场智能仪表和控制室之间的全数字化、双向、多站点通信，发展迅速，在工业自动化领域有着广泛的应用。现在主要有FF、PROFIBUS、LONWORKS、CAN、HART五种现场总线，其中Profibus是一种符合IEC61158标准的国际化、开放式、独立的现场总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
它由三部分组成（见图2）即Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个部分。
Profibus-DP:适用于现场级分布式自动化外设之间的高速数据传输。
Profibus-PA:是在Profibus-DP的基础上通过优化、扩展而来，主要用于对安全性要求高的场合。
Profibus-FMS:是一个令牌结构、实时多主网络，主要解决单元级主站之间（PLC和 PC）的互相通信，因此高级功能比快速性系统反应时间更重要。
基于上述并结合本方案的具体情况，决定采用Profibus-DP技术设计城市垃圾处理控制系统。下面主要介绍Profibus-DP的特点：
a）分布式结构
在不加中继器的情况下至少可连接32个站点，使用中继器后，至少可连接126个站点。
b）远距离高速通信
交换速度快，通信速率最高可达12Mbit/s。Profibus-DP实时性较强，对于一个32站点的分布系统，对所有站点发送512bit的数据在12Mb/s时只需2ms。
c）故障诊断功能
Profibus-DP为迅速确定故障点提供了很多诊断功能，主要包括:本站诊断操作，如操作电压过低、数据传输到模拟模块时错误及数据传输到数字模块时错误等；外围模块的诊断，当检测到错误或接收到请求时，每一个支持诊断功能的外围模块通过从站向主站发送诊断字节。
d）安装简便
由于物理层采用RS－485传输技术，因此只需要铺设屏蔽双绞线。
e） 开放型工业通信网络
Profibus-DP采用开放型网络拓扑结构，现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构。Profibus现场总线标准公布了网络各层协议的所有规范，根据这些规范设计的接口，不同设备可实现网络互联。
3 城市垃圾处理控制系统的实现
3.1 系统网络构成
网络共分为三层：最上层是主要是面对远程操控人员，将工业以太网的信息共享于internet上，这样工作人员可以在任何时候、任何地点借助于internet和工业以太网联系起来，便于远程监控流水线上各设备的运行情况，并在故障时及时处理，从而实现了远程的操作和管理；第二层是工业以太网，提供100M带宽传输；第三层上位机采用Siemens工控机，通过Profibus-DP对整个网络进行监控和管理，包括设备管理、线路检测、参数设置和采集分析、报警、报表打印等等。
3.2 系统的硬件支持
远程监控系统提供了1台数据库服务器和1台internet服务器，2台远程实时监控计算机，以及其他的相关设备。
本地的以太网以Siemens工控机作为上位机，流水线分为除臭、杀菌和制砖三大部分，分别配备了2排ET200M机架，每排机架包括1个电源模块，1个通讯模块，1个S7－226PLC模块，和3个16点DI模块、2个8点AI模块及3个8点继电器输出模块。
3.3 系统的软件支持
中央监控站的监控软件要求：
①友好的人机交互界面，主要包括：垃圾处理工艺流程图；制砖工艺流程图；生物除臭工艺流程图及废水监测；工艺全图。
②支持本地和远程的多个工作站
③对生产线上各类机电设备提供实时监控
④功能完备的报警管理
⑤提供大量的历史数据和趋势图
⑥内置多种标准格式报表，数据报表内容包括：签入签出事件；报警事件；报警间隔；档案数据。
通过工控组态软件WinCC衔接工控机与PLC，实现主从站之间的数据交换及数据处理，及主站对各个从站的监控及人机交互的可视化。
从站的PLC编程是采用西门子公司S7 PLC软件包STEP7 V5.0设计开发的。STEP7运行于WINDOWS环境下，界面友好，编程方便，在线调试直观、便捷。
远程监控系统的数据库管理采用SQL Server 2000, 用户终端只需安装了IE浏览器，就可以登陆到数据库，实现internet上的数据共享和远程监控。
图3 垃圾处理控制系统结构
4 结束语
当前网络技术飞速发展，因而在设计方案时不仅要结合当前的网络技术，还要考虑到未来网络技术的发展，加强方案的兼容性和实用性。本方案提出在本地用Profibus技术架构局域网是考虑到了它的经济性，兼容internet技术的特点使其有利于以后整个局域网的扩展和完善。同时本方案的提出为城市垃圾处理开辟了一条新的环保型的变废为宝的方法，受到有关部门的高度重视和评价。
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1 前言
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
随着中国经济的迅速发展，城市垃圾的数量和规模也在不断增加，通常对于垃圾的处理方式不外乎三种：填埋、焚烧和堆肥，但都存在着占地或环保等方面的问题。垃圾堆放时产生大量有害细菌及恶臭废气，会严重危害到工作人员身体健康，而且随着垃圾数量的增多，只用人工操作无法满足社会的需要，因此将整个处理过程无人化自动化就显得至关重要了。本方案通过对生活垃圾经除臭，灭菌，粉碎后与建筑垃圾，水泥和托马斯粉搅拌混匀后制成各种规格的新颖环保建筑用砖，以实现对城市废弃物的有效回收与利用，变废为宝，达到垃圾处理的减量化、无害化、资源化、产业化，实现了较好的经济效益。
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
2 城市垃圾处理控制系统的设计构思
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
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图1 垃圾处理流水线
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图2 Profibus现场总线体系结构
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2.1 城市垃圾处理的流水线过程
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将垃圾卸到板式给料机上，经运输机送到粗型破碎机，由转运运输机送到熟化池，对有机垃圾进行除臭降解腐化，熟化后的垃圾经运输机送到压缩机压缩，而后由运输机输入杀菌长廊杀菌干燥后经中间料仓兼分配器送给中型破碎机和细型破碎机粉碎，输入储料罐作为制砖的原料，然后与建筑垃圾、水泥、托马斯粉混合后压制成砖。
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2.2 控制系统的要求
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实时性强，可连续监控；
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快速准确的故障诊断和处理；
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实现本地和远程的监控切换；
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稳定性高，确保流水线24小时连续不间断工作；
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2.3 网络的选择
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当前适用于工业应用的网络主要有DCS局部网络、工业以太网、现场总线网络三种。 现场总线网络实现了现场智能仪表和控制室之间的全数字化、双向、多站点通信，发展迅速，在工业自动化领域有着广泛的应用。现在主要有FF、PROFIBUS、LONWORKS、CAN、HART五种现场总线，其中Profibus是一种符合IEC61158标准的国际化、开放式、独立的现场总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
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它由三部分组成（见图2）即Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个部分。
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Profibus-DP:适用于现场级分布式自动化外设之间的高速数据传输。
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Profibus-PA:是在Profibus-DP的基础上通过优化、扩展而来，主要用于对安全性要求高的场合。
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Profibus-FMS:是一个令牌结构、实时多主网络，主要解决单元级主站之间（PLC和 PC）的互相通信，因此高级功能比快速性系统反应时间更重要。
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基于上述并结合本方案的具体情况，决定采用Profibus-DP技术设计城市垃圾处理控制系统。下面主要介绍Profibus-DP的特点：
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a）分布式结构
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在不加中继器的情况下至少可连接32个站点，使用中继器后，至少可连接126个站点。
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b）远距离高速通信
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交换速度快，通信速率最高可达12Mbit/s。Profibus-DP实时性较强，对于一个32站点的分布系统，对所有站点发送512bit的数据在12Mb/s时只需2ms。
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c）故障诊断功能
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Profibus-DP为迅速确定故障点提供了很多诊断功能，主要包括:本站诊断操作，如操作电压过低、数据传输到模拟模块时错误及数据传输到数字模块时错误等；外围模块的诊断，当检测到错误或接收到请求时，每一个支持诊断功能的外围模块通过从站向主站发送诊断字节。
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d）安装简便
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由于物理层采用RS－485传输技术，因此只需要铺设屏蔽双绞线。
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e） 开放型工业通信网络
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Profibus-DP采用开放型网络拓扑结构，现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构。Profibus现场总线标准公布了网络各层协议的所有规范，根据这些规范设计的接口，不同设备可实现网络互联。
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3 城市垃圾处理控制系统的实现
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3.1 系统网络构成
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网络共分为三层：最上层是主要是面对远程操控人员，将工业以太网的信息共享于internet上，这样工作人员可以在任何时候、任何地点借助于internet和工业以太网联系起来，便于远程监控流水线上各设备的运行情况，并在故障时及时处理，从而实现了远程的操作和管理；第二层是工业以太网，提供100M带宽传输；第三层上位机采用Siemens工控机，通过Profibus-DP对整个网络进行监控和管理，包括设备管理、线路检测、参数设置和采集分析、报警、报表打印等等。
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3.2 系统的硬件支持
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远程监控系统提供了1台数据库服务器和1台internet服务器，2台远程实时监控计算机，以及其他的相关设备。
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本地的以太网以Siemens工控机作为上位机，流水线分为除臭、杀菌和制砖三大部分，分别配备了2排ET200M机架，每排机架包括1个电源模块，1个通讯模块，1个S7－226PLC模块，和3个16点DI模块、2个8点AI模块及3个8点继电器输出模块。
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3.3 系统的软件支持
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中央监控站的监控软件要求：
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①友好的人机交互界面，主要包括：垃圾处理工艺流程图；制砖工艺流程图；生物除臭工艺流程图及废水监测；工艺全图。
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②支持本地和远程的多个工作站
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③对生产线上各类机电设备提供实时监控
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④功能完备的报警管理
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⑤提供大量的历史数据和趋势图
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⑥内置多种标准格式报表，数据报表内容包括：签入签出事件；报警事件；报警间隔；档案数据。
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通过工控组态软件WinCC衔接工控机与PLC，实现主从站之间的数据交换及数据处理，及主站对各个从站的监控及人机交互的可视化。
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从站的PLC编程是采用西门子公司S7 PLC软件包STEP7 V5.0设计开发的。STEP7运行于WINDOWS环境下，界面友好，编程方便，在线调试直观、便捷。
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远程监控系统的数据库管理采用SQL Server 2000, 用户终端只需安装了IE浏览器，就可以登陆到数据库，实现internet上的数据共享和远程监控。
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图3 垃圾处理控制系统结构
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4 结束语
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当前网络技术飞速发展，因而在设计方案时不仅要结合当前的网络技术，还要考虑到未来网络技术的发展，加强方案的兼容性和实用性。本方案提出在本地用Profibus技术架构局域网是考虑到了它的经济性，兼容internet技术的特点使其有利于以后整个局域网的扩展和完善。同时本方案的提出为城市垃圾处理开辟了一条新的环保型的变废为宝的方法，受到有关部门的高度重视和评价。
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