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PLC可编程控制器在过程控制系统实验装置中的应用

2012/4/15    来源:CA800        
关键字:实验装置  可编程控制器  PROFIBUS-DP  工业以太网  
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控制发展的趋势。

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控制发展的趋势。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:

图1 过程控制系统实验装置结构图

    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(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)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/AO 2),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。
 

责任编辑:王聪
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