【导读】我爱方案网小编为大家介绍一款PLC可编程控制器在过程控制系统实验装置中的应用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。
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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