PLC可編程控制器在過程控制系統(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)過程自動(dòng)化，也對(duì)生產(chǎn)管理提出了更高的要求。通過計(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，集管理和過程控制為一體是當(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，因此開發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的過程控制系統(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），從站沒有中央處理器單元，各從站之間經(jīng)im153接口模塊通過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)的完全兼容。軟件集成了組態(tài)、腳本語言、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step 7 v5.2用戶可以完成以下任務(wù)：

　?。?） 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，設(shè)置連接和接口;

　　（2） 組態(tài)硬件;

　?。?） 編寫和調(diào)試用戶程序。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理

　　profibus-dp是一種國(guó)際性、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用在工業(yè)過程控制領(lǐng)域。參照iso/osi參考模型，profibus-dp中沒有第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。