關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)裝置 可編程控制器 PROFIBUS-DP 工業(yè)以太網(wǎng) 1 引言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅對(duì)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，也對(duì)生產(chǎn)管理提出了更高的要求。通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，集管理和過(guò)程控制為一體是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)控制發(fā)展的趨勢(shì)。復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)，常采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，底層用現(xiàn)場(chǎng)總線以便控制裝置盡可能靠近被控生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，監(jiān)控級(jí)相對(duì)集中于主控室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的集中管理和分散控制。這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，更可靠。為了適應(yīng)這一形式的發(fā)展要求，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，使工科學(xué)生在校期間就能受到良好的工程實(shí)踐鍛煉，因此開(kāi)發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。 2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上層為工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機(jī)PC之間以及上位機(jī)和下位機(jī)PLC之間的通訊，底層為PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，用于下位機(jī)PLC主站（DPM1）和四個(gè)從站（DPS1-DPS4）之間的通訊，其中，PLC主站和從站控制液位、壓力和溫度流量等過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)用 SIMATIC STEP 7軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、硬件組態(tài)以及PLC控制程序的編寫(xiě)，并用組態(tài)軟件SIMATIC WinCC實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與PLC的動(dòng)態(tài)連結(jié)。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示: [align=center] 圖1 過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖[/align] 2.1 現(xiàn)場(chǎng)部分 現(xiàn)場(chǎng)部分是所需控制的液位、溫度流量和壓力實(shí)驗(yàn)裝置，變送器將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 4～20mA的電流信號(hào)，直接接入SM334模塊（模擬量輸入/輸出模塊），經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成0～27648的數(shù)字量。開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接入SM323模塊（數(shù)字量輸入／輸出模塊）。 2.2 控制單元 控制單元采用西門(mén)子PLC,S7-300系列PLC功能強(qiáng)大，采用模塊化設(shè)計(jì)，有中央處理單元（CPU）、各種信號(hào)模塊（SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）、電源模塊（PS）、接口模塊（IM）等，有多種規(guī)格的CPU可供選擇。通過(guò)CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模塊可以連接 AS-I接口、PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。 本系統(tǒng)主站采用西門(mén)子S7-300系列PLC，其CPU為315-2DP。它執(zhí)行指令時(shí)間短，掃描1000條指令不需10ms，足以滿足控制的時(shí)間要求。主站還帶2個(gè)信號(hào)處理模塊（DI 16/DO 16、AI 4/AO 2）和一個(gè)通訊模塊CP343-1（用于上位機(jī)和PLC之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊）。從站選用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，帶2個(gè)信號(hào)處理模塊（DI 16/DO 16和AI 4/AO 2），從站沒(méi)有中央處理器單元，各從站之間經(jīng)IM153接口模塊通過(guò)DP總線進(jìn)行連接。組態(tài)之后，添加的分布式I/O與PLC站中的本地I/O具有統(tǒng)一的編址。 2.3 上位機(jī) 上位機(jī)為四臺(tái)工控機(jī)，主機(jī)界面設(shè)計(jì)采用西門(mén)子的WinCC組態(tài)軟件，保證了與工控機(jī)的完全兼容。軟件集成了組態(tài)、腳本語(yǔ)言、OPC等先進(jìn)技術(shù)，提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。該軟件具有適用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的圖形顯示、控制和報(bào)警畫(huà)面、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)曲線、歸檔以及報(bào)表打印等功能模塊。另外WinCC還有對(duì)SIMATIC PLC進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項(xiàng)，給硬件的維護(hù)提供了方便。 系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行軟件為STEP7 V5.2，它是適用于S7-300/400 PLC系列的編程、組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)軟件包。通過(guò)STEP 7 V5.2用戶可以完成以下任務(wù): （1） 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，設(shè)置連接和接口; （2） 組態(tài)硬件; （3） 編寫(xiě)和調(diào)試用戶程序。 3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理 PROFIBUS-DP是一種國(guó)際性、開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域。參照ISO/OSI參考模型，PROFIBUS-DP中沒(méi)有第3層到第7層，直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供易于進(jìn)入第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能。它是專為工業(yè)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸,其模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或4～20mA并行信號(hào)線。中央控制器通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊，多數(shù)數(shù)據(jù)交換過(guò)程是周期的, 主站周期地讀取從站的輸入信息并向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信，以進(jìn)行配置、診斷和報(bào)警處。 SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，專為工業(yè)應(yīng)用而優(yōu)化設(shè)計(jì)，支持ISO和TCP/IP協(xié)議，通過(guò)它可快速地建立PLC與PC/PG之間的通訊。產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)遵循分布式的“開(kāi)放式控制結(jié)構(gòu)”，使其具有網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡(jiǎn)便（即插即用）、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間短（小于0.3秒）等優(yōu)點(diǎn)。由于采取全雙工共擔(dān)負(fù)荷方式工作，適用于對(duì)性能要求高的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)切換技術(shù)能夠可以實(shí)現(xiàn)非常龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組態(tài) 組態(tài)之前先要建立一個(gè)項(xiàng)目（如Project1），在項(xiàng)目中插入SIMATIC 300站。 4.1 硬件組態(tài) 在HW Config中為 SIMATIC 300站組態(tài)硬件，包括機(jī)架、電源（槽1）、CPU（槽2）、通信模塊（槽4）和輸入輸出模塊。設(shè)置集成在CPU上的DP主站接口的參數(shù)，并建立要連接到DP主站接口的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。 4.2 DP從站組態(tài) 以ET 200M站連入DP主站為例。先從硬件中選擇接口模塊IM153-l，連入DP主站接口的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，并設(shè)置此DP從站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模塊上的地址選擇開(kāi)關(guān)設(shè)定的地址相一致。 ET 200M從站配置有2個(gè)信號(hào)模塊，從ET 200M的DI/DO中找到相應(yīng)型號(hào)模塊并加入從站的相應(yīng)槽中，如圖3所示。在使用硬件目錄時(shí)要確認(rèn)你是在正確的文件夾中,例如，為ET 200M選擇模塊應(yīng)在ET 200M文件夾中查找。添加的分布式I/O與PLC主站中的本地I/O具有統(tǒng)一的編址，因此在程序中可以像訪問(wèn)本地I/O一樣方便地訪問(wèn)分布式I/O，在編程時(shí)完全不必考慮一個(gè)I/O地址在物理上是通過(guò)何種方式連接的。 [align=center] 圖2 ET200M從站與DP主站的組態(tài) 圖3 ET20M從站的信號(hào)模塊組態(tài)[/align] 4.3 端口設(shè)置 （1） PG/PC接口是PG/PC和PLC之間進(jìn)行通訊的接口，要實(shí)現(xiàn)PG/PC和PLC設(shè)備之間的通訊連接，必須正確的設(shè)置該接口。在控制面板中打開(kāi)“ Set PG/PC Interface”，選中“S7 OnLine（ STEP7）”，再選擇網(wǎng)卡類(lèi)型。然后進(jìn)入 STEP 7的硬件組態(tài) HWConfig中設(shè)置通訊模塊的MAC地址，地址為CP343-1標(biāo)簽上給出的物理地址，其格式是一個(gè)12位的16進(jìn)制數(shù) （如:08-00-06-00-44-AE）。另外還需給 PLC分配唯一的IP地址（如:192.168.0. 130 ） 及子網(wǎng)掩碼（如:255.255.255.0 ）。 （2） 設(shè)置PROFIBUS網(wǎng)絡(luò):利用圖形組態(tài)工具NetPro設(shè)置括PROFIBUS總線的傳輸速率、最高站地址、總線行規(guī)、總線參數(shù)等。 系統(tǒng)組態(tài)完成后，應(yīng)下載到PLC，并調(diào)試使硬件之間連通。 4.4 程序的編寫(xiě)和調(diào)試 STEP 7是用于S7-300/400創(chuàng)建控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，編程語(yǔ)言主要有:梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖。 通常用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB）。 功能（FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OB1為主程序循環(huán)塊，是必需的。根據(jù)控制程序的復(fù)雜程度，對(duì)簡(jiǎn)單程序可將所有的程序放入OB1中進(jìn)行線性編程，如果程序比較復(fù)雜應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程，將程序用不同的邏輯塊加以結(jié)構(gòu)化，通過(guò)OB1調(diào)用這些邏輯塊。 對(duì)一個(gè)實(shí)際的過(guò)程控制，按照所采用的控制策略編寫(xiě)用戶程序，模擬調(diào)試后下載到PLC，與實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，完成相應(yīng)的控制功能。 5 WinCC監(jiān)控通訊組態(tài) WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驅(qū)動(dòng)程序，此驅(qū)動(dòng)程序支持多種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)它的通道單元可以與各種SIMATIC S7-300/400 PLC進(jìn)行通訊，具體選擇通道單元的類(lèi)型要看WinCC與自動(dòng)化系統(tǒng)的連接類(lèi)型。本系統(tǒng)選擇工業(yè)以太網(wǎng)通道單元，工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)環(huán)境中最有效的一種子網(wǎng)，它適用與管理層和現(xiàn)場(chǎng)層通訊。 首先添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驅(qū)動(dòng)程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下選擇“Industrial Ethemet” 通道單元，打開(kāi)“連接屬性”輸入連接名稱，在連接參數(shù)中輸入所要連接的PLC的通訊模塊CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的機(jī)架號(hào)和插槽號(hào)。此處的插槽號(hào)應(yīng)是CPU所在的插槽號(hào)，不是通訊模塊所在的插槽號(hào)。 然后，用戶根據(jù)具體的過(guò)程控制任務(wù)，在新建的連接下建立變量，把變量和PLC中所要連接的地址對(duì)應(yīng)起來(lái)，與PLC建立連接。最后利用WinCC完成各種顯示畫(huà)面和數(shù)據(jù)的組態(tài)。 6 結(jié)束語(yǔ) 本文所建立的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，基于過(guò)程控制基礎(chǔ)上集PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，采用了多種常用控制算法和理論，除包含常見(jiàn)的PID算法外，還增加了模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)的控制策略。 參考文獻(xiàn) [1] 賈東耀,汪仁煌. 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì). 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2002,11（5） [2] 趙先新,曹學(xué)軍. 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