PLC可編程控制器在過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

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)化發(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，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：

　　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（di16/do 16、ai 4/ao2）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/ao2），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)采用西門子的wincc組態(tài)軟件，保證了與工控機(jī)的*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） 編寫和調(diào)試用戶程序。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理

　　profibus-dp是一種性、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)*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。

　　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*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、zui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 s7-300/400plc進(jìn)行通訊，具體選擇通道單元的類型要看wincc與自動(dòng)化系統(tǒng)的連接類型。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zui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。zui后利用wincc完成各種顯示畫面和數(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。