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PLC可編程控制器在過程控制系統實驗裝置中的應用
閱讀:1738發布時間:2015-7-26
PLC可編程控制器在過程控制系統實驗裝置中的應用
1 引言
隨著現代科學技術的飛速發展,不僅對生產過程自動化,也對生產管理提出了更高的要求。通過計算機網絡技術把自動控制與計算機管理系統結合起來,集管理和過程控制為一體是當今工業自動化發展的趨勢。復雜的過程控制系統,常采用兩級網絡拓撲結構,底層用現場總線以便控制裝置盡可能靠近被控生產過程現場,上層采用工業以太網,監控級相對集中于主控室內,從而實現對生產過程的集中管理和分散控制。這樣構成的控制系統具有實時性好、可靠性高、抗干擾能力強等優點,比傳統dcs系統更經濟,更可靠。為了適應這一形式的發展要求,提高實驗教學質量,使工科學生在校期間就能受到良好的工程實踐鍛煉,因此開發了基于工業以太網及現場總線的過程控制系統實驗裝置。
2 系統配置及網絡結構
實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。整個網絡采用兩層網絡拓撲結構,上層為工業以太網,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現場總線,用于下位機plc主站(dpm1)和四個從站(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程控制實驗裝置。系統用simatic step 7軟件進行網絡組態、硬件組態以及plc控制程序的編寫,并用組態軟件simatic wincc實現了上位機與plc的動態連結。整個系統組成如圖1所示:
2.1 現場部分
現場部分是所需控制的液位、溫度流量和壓力實驗裝置,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),經模/數轉換變成0~27648的數字量。開關量的輸入輸出接入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總線和工業以太網系統。
本系統主站采用西門子s7-300系列plc,其cpu為315-2dp。它執行指令時間短,掃描1000條指令不需10ms,足以滿足控制的時間要求。主站還帶2個信號處理模塊(di16/do 16、ai 4/ao2)和一個通訊模塊cp343-1(用于上位機和plc之間通過工業以太網進行通訊)。從站選用profibus-dp分布式i/o et 200m,帶2個信號處理模塊(di 16/do 16和ai 4/ao2),從站沒有中央處理器單元,各從站之間經im153接口模塊通過dp總線進行連接。組態之后,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子的wincc組態軟件,保證了與工控機的*兼容。軟件集成了組態、腳本語言、opc等先進技術,提供了windows操作系統環境下使用各種通用軟件的功能。該軟件具有適用于工業生產過程的圖形顯示、控制和報警畫面、實時和歷史趨勢曲線、歸檔以及報表打印等功能模塊。另外wincc還有對simatic plc進行系統診斷的選項,給硬件的維護提供了方便。
系統應用程序的開發和運行軟件為step7 v5.2,它是適用于s7-300/400 plc系列的編程、組態標準軟件包。通過step 7 v5.2用戶可以完成以下任務:
(1) 網絡組態,設置連接和接口;
(2) 組態硬件;
(3) 編寫和調試用戶程序。
3 網絡系統原理
profibus-dp是一種性、開放式的現場總線標準,主要用在工業過程控制領域。參照iso/osi參考模型,profibus-dp中沒有第3層到第7層,直接數據鏈路映像(ddlm)提供易于進入第2層的用戶接口,用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能。它是專為工業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,其模塊可取代價格昂貴的24v或4~20ma并行信號線。中央控制器通過高速串行線同分散的現場設備進行通訊,多數數據交換過程是周期的,主站周期地讀取從站的輸入信息并向從站發送輸出信息。除周期性用戶數據外,profibus-dp還提供智能化設備所需的非周期性通信,以進行配置、診斷和報警處。
simatic工業以太網是基于標準的網絡,專為工業應用而優化設計,支持iso和tcp/ip協議,通過它可快速地建立plc與pc/pg之間的通訊。產品的開發遵循分布式的“開放式控制結構",使其具有網絡組態簡便(即插即用)、通信可靠、網絡故障恢復時間短(小于0.3秒)等優點。由于采取全雙工共擔負荷方式工作,適用于對性能要求高的工業網絡,通過切換技術能夠可以實現非常龐大的網絡結構。
4 網絡系統組態
組態之前先要建立一個項目(如project1),在項目中插入simatic 300站。
4.1 硬件組態
在hw config中為 simatic 300站組態硬件,包括機架、電源(槽1)、cpu(槽2)、通信模塊(槽4)和輸入輸出模塊。設置集成在cpu上的dp主站接口的參數,并建立要連接到dp主站接口的profibus網絡。
4.2 dp從站組態
以et 200m站連入dp主站為例。先從硬件中選擇接口模塊im153-l,連入dp主站接口的profibus網絡,如圖2所示,并設置此dp從站的profibus地址。地址要和im153模塊上的地址選擇開關設定的地址相一致。
et 200m從站配置有2個信號模塊,從et 200m的di/do中找到相應型號模塊并加入從站的相應槽中,如圖3所示。在使用硬件目錄時要確認你是在正確的文件夾中,例如,為et 200m選擇模塊應在et 200m文件夾中查找。添加的分布式i/o與plc主站中的本地i/o具有統一的編址,因此在程序中可以像訪問本地i/o一樣方便地訪問分布式i/o,在編程時*不必考慮一個i/o地址在物理上是通過何種方式連接的。
4.3 端口設置
(1)pg/pc接口是pg/pc和plc之間進行通訊的接口,要實現pg/pc和plc設備之間的通訊連接,必須正確的設置該接口。在控制面板中打開“set pg/pc interface",選中“s7 online( step7)",再選擇網卡類型。然后進入 step 7的硬件組態hwconfig中設置通訊模塊的mac地址,地址為cp343-1標簽上給出的物理地址,其格式是一個12位的16進制數(如:08-00-06-00-44-ae)。另外還需給 plc分配*的ip地址(如:192.168.0. 130 )及子網掩碼(如:255.255.255.0 )。
(2)設置profibus網絡:利用圖形組態工具netpro設置括profibus總線的傳輸速率、zui高站地址、總線行規、總線參數等。
系統組態完成后,應下載到plc,并調試使硬件之間連通。
4.4 程序的編寫和調試
step 7是用于s7-300/400創建控制程序的標準軟件,編程語言主要有:梯形圖、語句表和功能塊圖。
通常用戶程序由組織塊(ob)、功能塊(fb)。
功能(fc)和數據塊(db)構成。ob1為主程序循環塊,是必需的。根據控制程序的復雜程度,對簡單程序可將所有的程序放入ob1中進行線性編程,如果程序比較復雜應進行結構化編程,將程序用不同的邏輯塊加以結構化,通過ob1調用這些邏輯塊。
對一個實際的過程控制,按照所采用的控制策略編寫用戶程序,模擬調試后下載到plc,與實際系統聯調,完成相應的控制功能。
5 wincc監控通訊組態
wincc提供simatic s7 protocol suite.chn驅動程序,此驅動程序支持多種類型的網絡協議,通過它的通道單元可以與各種simatic s7-300/400plc進行通訊,具體選擇通道單元的類型要看wincc與自動化系統的連接類型。本系統選擇工業以太網通道單元,工業以太網是工業環境中zui有效的一種子網,它適用與管理層和現場層通訊。
首先添加simatic s7 protocol suite.chn 驅動程序,然后在“simatic s7 protocol sute"下選擇“industrial ethemet"通道單元,打開“連接屬性"輸入連接名稱,在連接參數中輸入所要連接的plc的通訊模塊cp343-1的mac地址,plc中cpu所在的機架號和插槽號。此處的插槽號應是cpu所在的插槽號,不是通訊模塊所在的插槽號。
然后,用戶根據具體的過程控制任務,在新建的連接下建立變量,把變量和plc中所要連接的地址對應起來,與plc建立連接。zui后利用wincc完成各種顯示畫面和數據的組態。
6 結束語
本文所建立的現場總線控制網絡,通過接入標準以太網,還可以實現遠程監控。
該實驗裝置是根據自動化專業及相關專業教學的特點,基于過程控制基礎上集plc技術、網絡技術為一體的先進的實驗裝置,采用了多種常用控制算法和理論,除包含常見的pid算法外,還增加了模糊控制、人工神經網絡控制等先進的控制策略。
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