PLC可編程控制器在過程控制系統(tǒng)實驗裝置中的應用

1 引言

　　隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅對生產(chǎn)過程自動化，也對生產(chǎn)管理提出了更高的要求。通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把自動控制與計算機管理系統(tǒng)結(jié)合起來，集管理和過程控制為一體是當今工業(yè)自動化發(fā)展的趨勢。復雜的過程控制系統(tǒng)，常采用兩級網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，底層用現(xiàn)場總線以便控制裝置盡可能靠近被控生產(chǎn)過程現(xiàn)場，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，監(jiān)控級相對集中于主控室內(nèi)，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制。這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有實時性好、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，比傳統(tǒng)dcs系統(tǒng)更經(jīng)濟，更可靠。為了適應這一形式的發(fā)展要求，提高實驗教學質(zhì)量，使工科學生在校期間就能受到良好的工程實踐鍛煉，因此開發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)實驗裝置。

2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　實驗裝置控制系統(tǒng)由上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機plc控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。整個網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，上層為工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機pc之間以及上位機和下位機plc之間的通訊，底層為profibus-dp現(xiàn)場總線，用于下位機plc主站（dpm1）和四個從站（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驗裝置。系統(tǒng)用simatic step 7軟件進行網(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實現(xiàn)了上位機與plc的動態(tài)連結(jié)。整個系統(tǒng)組成如圖1所示：

　　2.1 現(xiàn)場部分

　　現(xiàn)場部分是所需控制的液位、溫度流量和壓力實驗裝置，變送器將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20ma的電流信號，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功能強大，采用模塊化設(shè)計，有中央處理單元（cpu）、各種信號模塊（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)行指令時間短，掃描1000條指令不需10ms，足以滿足控制的時間要求。主站還帶2個信號處理模塊（di16/do 16、ai 4/ao2）和一個通訊模塊cp343-1（用于上位機和plc之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊）。從站選用profibus-dp分布式i/o et 200m，帶2個信號處理模塊（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

　　上位機為四臺工控機，主機界面設(shè)計采用西門子的wincc組態(tài)軟件，保證了與工控機的完全兼容。軟件集成了組態(tài)、腳本語言、opc等先進技術(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、控制和報警畫面、實時和歷史趨勢曲線、歸檔以及報表打印等功能模塊。另外wincc還有對simatic plc進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件的維護提供了方便。

　　系統(tǒng)應用程序的開發(fā)和運行軟件為step7 v5.2，它是適用于s7-300/400 plc系列的編程、組態(tài)標準軟件包。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;

　?。?） 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是一種國際性、開放式的現(xiàn)場總線標準，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)用的應用功能。它是專為工業(yè)控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散i/o之間的通信設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其模塊可取代價格昂貴的24v或4～20ma并行信號線。中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進行通訊，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，以進行配置、診斷和報警處。