PLC可編程控制器在過(guò)程控制系統實(shí)驗裝置中的應用

1 引言

　　隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅對生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，也對生產(chǎn)管理提出了更高的要求。通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)把自動(dòng)控制與計算機管理系統結合起來(lái)，集管理和過(guò)程控制為一體是當今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢。復雜的過(guò)程控制系統，常采用兩級網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，底層用現場(chǎng)總線(xiàn)以便控制裝置盡可能靠近被控生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，監控級相對集中于主控室內，從而實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的集中管理和分散控制。這樣構成的控制系統具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，比傳統dcs系統更經(jīng)濟，更可靠。為了適應這一形式的發(fā)展要求，提高實(shí)驗教學(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)及現場(chǎng)總線(xiàn)的過(guò)程控制系統實(shí)驗裝置。

2 系統配置及網(wǎng)絡(luò )結構

　　實(shí)驗裝置控制系統由上位機監控系統和下位機plc控制系統兩部分構成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用兩層網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，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現場(chǎng)總線(xiàn)，用于下位機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)驗裝置。系統用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)現了上位機與plc的動(dòng)態(tài)連結。整個(gè)系統組成如圖1所示：

　　2.1 現場(chǎng)部分

　　現場(chǎng)部分是所需控制的液位、溫度流量和壓力實(shí)驗裝置，變送器將采樣數據轉換成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/數轉換變成0～27648的數字量。開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接入sm323模塊（數字量輸入／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功能強大，采用模塊化設計，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(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)系統。

　　本系統主站采用西門(mén)子s7-300系列plc，其cpu為315-2dp。它執行指令時(shí)間短，掃描1000條指令不需10ms，足以滿(mǎn)足控制的時(shí)間要求。主站還帶2個(gè)信號處理模塊（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(xiàn)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具有統一的編址。

　　2.3 上位機

　　上位機為四臺工控機，主機界面設計采用西門(mén)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(yǔ)言、opc等先進(jìn)技術(shù)，提供了windows操作系統環(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、控制和報警畫(huà)面、實(shí)時(shí)和歷史趨勢曲線(xiàn)、歸檔以及報表打印等功能模塊。另外wincc還有對simatic plc進(jìn)行系統診斷的選項，給硬件的維護提供了方便。

　　系統應用程序的開(kāi)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(guò)step 7 v5.2用戶(hù)可以完成以下任務(wù)：

　?。?） 網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，設置連接和接口;

　?。?） 組態(tài)硬件;

　?。?） 編寫(xiě)和調試用戶(hù)程序。

3 網(wǎng)絡(luò )系統原理

　　profibus-dp是一種國際性、開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，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，直接數據鏈路映像（ddlm）提供易于進(jìn)入第2層的用戶(hù)接口，用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可以調用的應用功能。它是專(zhuān)為工業(yè)控制系統和設備級分散i/o之間的通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其模塊可取代價(jià)格昂貴的24v或4～20ma并行信號線(xiàn)。中央控制器通過(guò)高速串行線(xiàn)同分散的現場(chǎng)設備進(jìn)行通訊，多數數據交換過(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(hù)數據外，profibus-dp還提供智能化設備所需的非周期性通信，以進(jìn)行配置、診斷和報警處。