一款PLC可编程控制器在过程控制系统实验装置中的应用

1 引言

随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动化发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统dcs系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。

2 系统配置及网络结构

实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机plc控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机pc之间以及上位机和下位机plc之间的通讯，底层为profibus-dp现场总线，用于下位机plc主站（dpm1）和四个从站（dps1-dps4）之间的通讯，其中，plc主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用simatic step 7软件进行网络组态、硬件组态以及plc控制程序的编写，并用组态软件simatic wincc实现了上位机与plc的动态连结。整个系统组成如图1所示：
2.1 现场部分

现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成4～20ma的电流信号，直接接入sm334模块（模拟量输入/输出模块），经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入sm323模块（数字量输入／输出模块）。

2.2 控制单元

控制单元采用西门子plc，s7-300系列plc功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元（cpu）、各种信号模块（sm）、通信模块（cp）、功能模块（fm）、电源模块（ps）、接口模块（im）等，有多种规格的cpu可供选择。通过cpu上集成有profibus-dp接口、mpi接口或通信模块可以连接 as-i接口、profibus总线和工业以太网系统。

本系统主站采用西门子s7-300系列plc，其cpu为315-2dp。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块（di16/do 16、ai 4/ao2）和一个通讯模块cp343-1（用于上位机和plc之间通过工业以太网进行通讯）。从站选用profibus-dp分布式i/o et 200m，带2个信号处理模块（di 16/do 16和ai 4/ao2），从站没有中央处理器单元，各从站之间经im153接口模块通过dp总线进行连接。组态之后，添加的分布式i/o与plc站中的本地i/o具有统一的编址。

2.3 上位机

上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的wincc组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、opc等先进技术，提供了windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外wincc还有对simatic plc进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。

系统应用程序的开发和运行软件为step7 v5.2，它是适用于s7-300/400 plc系列的编程、组态标准软件包。通过step 7 v5.2用户可以完成以下任务：

（1） 网络组态，设置连接和接口;

（2） 组态硬件;

（3） 编写和调试用户程序。

3 网络系统原理

profibus-dp是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照iso/osi参考模型，profibus-dp中没有第3层到第7层，直接数据链路映像（ddlm）提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散i/o之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，其模块可取代价格昂贵的24v或4～20ma并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的，主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，profibus-dp还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。

simatic工业以太网是基于国际标准的网络，专为工业应用而优化设计，支持iso和tcp/ip协议，通过它可快速地建立plc与pc/pg之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便（即插即用）、通信可靠、网络故障恢复时间短（小于0.3秒）等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。

4 网络系统组态

组态之前先要建立一个项目（如project1），在项目中插入simatic 300站。

4.1 硬件组态

在hw config中为 simatic 300站组态硬件，包括机架、电源（槽1）、cpu（槽2）、通信模块（槽4）和输入输出模块。设置集成在cpu上的dp主站接口的参数，并建立要连接到dp主站接口的profibus网络。

4.2 dp从站组态

以et 200m站连入dp主站为例。先从硬件中选择接口模块im153-l，连入dp主站接口的profibus网络，如图2所示，并设置此dp从站的profibus地址。地址要和im153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。

et 200m从站配置有2个信号模块，从et 200m的di/do中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中，例如，为et 200m选择模块应在et 200m文件夹中查找。添加的分布式i/o与plc主站中的本地i/o具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地i/o一样方便地访问分布式i/o，在编程时完全不必考虑一个i/o地址在物理上是通过何种方式连接的。
4.3 端口设置

（1）pg/pc接口是pg/pc和plc之间进行通讯的接口，要实现pg/pc和plc设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“set pg/pc interface”，选中“s7 online（ step7）”，再选择网卡类型。然后进入 step 7的硬件组态hwconfig中设置通讯模块的mac地址，地址为cp343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数（如：08-00-06-00-44-ae）。另外还需给 plc分配唯一的ip地址（如：192.168.0. 130 ）及子网掩码（如：255.255.255.0 ）。

（2）设置profibus网络：利用图形组态工具netpro设置括profibus总线的传输速率、最高站地址、总线行规、总线参数等。

系统组态完成后，应下载到plc，并调试使硬件之间连通。

4.4 程序的编写和调试

step 7是用于s7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有：梯形图、语句表和功能块图。

通常用户程序由组织块（ob）、功能块（fb）。

功能（fc）和数据块（db）构成。ob1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入ob1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过ob1调用这些逻辑块。

对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到plc，与实际系统联调，完成相应的控制功能。

5 wincc监控通讯组态

wincc提供simatic s7 protocol suite.chn驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种simatic s7-300/400plc进行通讯，具体选择通道单元的类型要看wincc与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中最有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。

首先添加simatic s7 protocol suite．chn 驱动程序，然后在“simatic s7 protocol sute”下选择“industrial ethemet”通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的plc的通讯模块cp343-1的mac地址，plc中cpu所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是cpu所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。

然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和plc中所要连接的地址对应起来，与plc建立连接。最后利用wincc完成各种显示画面和数据的组态。

6 结束语

本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。

该实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，基于过程控制基础上集plc技术、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的pid算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略。

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