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。

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