PLC可编程控制器在过程控制系统实验装置中的应用

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1  引言
+ R; L$ q8 B  Y% k随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
3 H% T3 w1 M/ ^2  系统配置及网络结构
实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC  WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

: W8 w7 v& X2 _8 y  n- G0 f; f, V图1    过程控制系统实验装置结构图
7 A( F8 m9 Y+ z  y2.1  现场部分
现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。
2.2  控制单元
$ U+ }$ ]) t! A7 B控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
' n4 S* Y& @. _本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O  ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
* P$ \# h8 ]3 u6 I. A9 q2.3  上位机
' F( B) J# p* f* i上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
* V: f  e. O" r( U' D% x系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
. E% R- o, Y) q0 d5 I(1) 网络组态，设置连接和接口;
3 m* B; _+ n% h3 g" m" ?(2) 组态硬件;
1 r9 ]: K# J7 R% m$ b5 I(3) 编写和调试用户程序。
: f3 z2 q; C- @3 {, d4 j3  网络系统原理
4 Q5 b5 Q7 C9 m. jPROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
% @0 D5 [1 ~  p: T: S8 xSIMATIC工业以太网是基于国际标准的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信可靠、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
& f9 Y4 w& B6 P9 @* @4  网络系统组态
4 `5 P) i# s: H( F$ t- f组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
4 N3 d7 u0 T! d' s7 u4.1  硬件组态
3 }1 _1 k+ N4 k. H$ n在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
! o% V; |" @$ c+ |4.2  DP从站组态
以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
4 Q/ i0 P+ X2 |2 IET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时完全不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。
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( M. C5 d, n/ h: x" v5 Z图2    ET200M从站与DP主站的组态

$ H; }( L/ Y. P1 W: k图3    ET20M从站的信号模块组态
4.3  端口设置
( @5 K$ T5 E) @* W2 J3 m(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的MAC地址，地址为CP343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配唯一的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、最高站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
; A0 H1 o7 G' U. J4.4  程序的编写和调试
( I2 I9 z* K7 U9 N. |1 p" dSTEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
/ G  e) P, J2 ^. O) z( ?& [5 {通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不
同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
' s- W/ _1 I6 D7 A' n$ q1 s对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。
5  WinCC监控通讯组态
WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中最有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
首先添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
) u$ k) Z$ g3 u' K/ F0 L然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。最后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。
. O( x  ~2 K7 R* `, j# ^7 B# H# B6  结束语
本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。该实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略。【MechNet】
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