通信与现场总线课程设计(基于PROFIBUS-DP的搅拌罐C_S控制系统设计

1、通信与现场总线课程设计资料基于PROFIBUS-DP的搅拌罐C/S控制系统设计指导老师：xxx 学院：xxxxxxxx 班级：xxxxxx 姓名：xxx学号：xxxxxxxx日期：xxxxxx一、设计任务1.1 系统介绍图1.1设计任务中的网络结构图控制系统的网络结构如图1.1所示。现场控制层是一个工业现场总线PROFIBUS网。SIEMENS的可编程序控制器S7-300，CPU为314C-2DP（订货号6ES7 314-6CF02-0AB0）与2台SIEMENS MM440变频器进行主从通信，实现搅拌罐的PLC本地控制。管理层是具有以太网连接的PC机，在这台PC上运行网络服务器（Server

2、）软件，通过以太网与客户端进行通信。在网络服务器主机的PCI总线插槽上内置CP5611，采用SIEMENS内部的多机接口协议MPI实现与SIEMENS的可编程控制器S7-300连接。在内置CP5611的网络服务器上分别装有SIEMENS的工控软件平台STEP 7（v5.5sp1）和三维力控的组态软件Forecontrol (V6.1sp3)。在工控软件STEP 7平台上实现对SIEMENS的可编程序控制器S7-300及其通过工业现场总线PROFIBUS连接的2台SIEMENS MM440变频器进行系统设置、软件编程和系统调试。在组态软件Forecontrol V6.1平台上，根据控制系统的工艺

3、流程，完成上位监控软件的设计、编写和调试，并实现上位机的远程控制。在管理层上，把上位主机作为C/S方式的服务器（Sever），并通过以太网实现客户机（Client）的C/S方式访问。进一步还可以实现Intenet网上的B/S方式的网络通信和控制。1.2 设计内容（1）被控对象S7300（CPU314C）与两台变频器连接，构成搅拌罐控制系统。它分为本地控制和远程控制。a）本地控制在搅拌罐旁边控制柜上通过控制按钮实现控制工艺。此时”远程控制/本地控制”选择开关I0.0选择 “0”，表示控制系统处于”本地控制”状态。b）远程控制距离搅拌罐有几百米几千米，通过与搅拌罐本地控制柜中控制器相联的上位监控计

4、算机监控界面对搅拌罐进行控制。此时，”远程控制/本地控制”选择开关I0.0选择 “1”，表示控制系统处于”远程控制”状态。系统运行状态显示为Q124.0。泵A为通过现场总线Profibus-DP实现MM440变频器控制的三相异步电动机，它的状态显示为Q124.1；泵B为通过现场总线Profibus-DP实现MM440变频器控制的三相异步电动机，它的状态显示为Q124.2；搅拌机为三相异步电动机, 状态位为Q124.3；排料阀C状态位为Q124.4，是常闭型开关电磁阀。本地启动按钮为I0.1、本地停止按钮为I0.2，均为不带锁的主令按键。传感器L（I0.3）、传感器H（I0.4）、传感器A（I0

5、.5）分别为低液位传感器、高液位传感器、报警液位传感器。（2）本地控制搅拌过程的工艺顺序：a)按启动后，泵A和泵B同时开，A液体和B液体同时进入罐内。b)按A液体和B液体进料比例供料（系统默认进料比例为2：3。设泵流速为每秒10升/秒，混合液总体积为500升。泵A完成进料用时T1为20秒；泵B完成进料用时T2为30秒。）c)供料完毕后搅拌机工作，搅拌A、B料的混合液体。搅拌时间T3设置为20秒。到时后，搅拌机停；d)排料阀C工作，将搅拌好的液体排除；当液位低于低液位时，延时20秒后，阀C关闭；e)系统进入下一个循环周期，控制流程转入到”a）泵A和泵B同时开”（3）网络控制将与控制对象直接相联的

6、监控计算机作为服务器，在与其相联的以太网中的其它计算机作为客户端。在客户端装有三维力控组态平台，用它进行设计、制作、调试组态软件。操作客户端的组态软件，通过与服务器上的组态软件实现对被控对象的远程网络控制。本实验以网络控制为主。二、组态软件介绍1、“主菜单”窗口在开发平台的工程中创建“主菜单”窗口，并让该窗口一直置顶显示，方便组态软件运行过程中进行不同窗口的切换与控制。“主菜单”窗口包括以下控件：主监控、趋势曲线、历史报表、用户管理与退出系统，如下图:2、“搅拌罐”窗口2.1、“搅拌罐”窗口为该组态软件的主要窗口，用来实时地显示传感器、泵、阀门、管道、搅拌罐等各实际工作元件的运行状态，如下图:

7、2.2、图中的传感器、泵、阀门、管道、搅拌罐等各个动作元件都需要为其加入“对象动画”，并进行相应的变量绑定。如对于管道的设置：再如低液位传感器的设置：2.3、其中，对于搅拌罐的液位显示，需要给“应用程序动作”中加入相应脚本才能实现:以下是自己编写的脚本：/模拟罐内液位的变化IF RUN.PV=1 & OUT_VALEV.PV=0 & IN_A.PV=1 & IN_B.PV=1 THEN IF (SENSOR_L.PV=0 & LEVEL.PV=25) | (SENSOR_H.PV=0 & LEVEL.PV=80) | (SENSOR_A.PV=0 & LEVEL.PV=90) | LEVEL.

8、PV=100 THEN ELSE LEVEL.PV=LEVEL.PV+2; ENDIFENDIFIF RUN.PV=1 & OUT_VALEV.PV=0 & IN_A.PV=1 & IN_B.PV=0 THEN IF (SENSOR_L.PV=0 & LEVEL.PV=25) | (SENSOR_H.PV=0 & LEVEL.PV=80) | (SENSOR_A.PV=0 & LEVEL.PV=90) | LEVEL.PV=100 THEN ELSE LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; ENDIFENDIFIF RUN.PV=1 & OUT_VALEV.PV=0 & IN_A.PV=0

9、& IN_B.PV=1 THEN IF (SENSOR_L.PV=0 & LEVEL.PV=25) | (SENSOR_H.PV=0 & LEVEL.PV=80) | (SENSOR_A.PV=0 & LEVEL.PV=90) | LEVEL.PV=100 THEN ELSE LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; ENDIFENDIFIF RUN.PV=1 & OUT_VALEV.PV=1 THEN IF (SENSOR_L.PV=1 & LEVEL.PV=25) | (SENSOR_H.PV=1 & LEVEL.PV=80) | (SENSOR_A.PV=1 & LEVEL.PV=90)

10、 | LEVEL.PV在”程序运行周期执行”中加入的应用动作脚本，那么上述的两个信息是无法显示出来的。这说明以上加入的脚本不能运行，这时我们不妨换一个加入脚本的地方，步骤如下：在组态状态下打开用户管理窗口；双击选择“当前用户级别”或“用户登录状态”后的“#”，在弹出的窗口中勾选杂项中的“一般性动作”并在接下来弹出窗口中的“运行中周期执行”子窗口中加入如下脚本：/用户级别转换和登陆状态显示IF $UserLevel=-1 THEN userlevel1=当前无登陆用户; userlevel2=未登陆;ENDIF IF $UserLevel=0 THEN userlevel1=操作工级; user

11、level2=已登陆;ENDIF IF $UserLevel=1 THEN userlevel1=班长级; userlevel2=已登陆;ENDIF IF $UserLevel=2 THEN userlevel1=工程师级; userlevel2=已登陆; ENDIF IF $UserLevel=3 THENuserlevel1=系统管理员级; userlevel2=已登陆;经过编译成功并保存返回后即能实现。5.2、单击“用户注销”即可注销当前登录的admin账号：5.3、登录“操作工1”账号进行密码的修改，界面如下：单击“添加/删除用户”弹出用户管理提示窗口，如下：单击“用户管理提示”窗口中

12、的“确定”按钮，进入“添加/删除用户”的操作，界面如下：从图中可以看出操作工级别的“操作工1”账号没有添加新用户的权限。同时，低等级的账号没有删除高等级账号的权限，如下图显示：5.4、更换成系统管理员级别的“admin”账号重新登陆，并进入“添加/删除用户”界面：添加操作工级别的“操作工2”账号：点击“添加”，添加成功：选择“操作工2”账号，点击“删除”，即可删除新添加的“操作工2”账号:5.5、最后点击“用户退出”按钮即可退出“用户管理”窗口界面。6、单击“主菜单”窗口中的“退出系统”即可退出整个系统的全部窗口，实现方法如下：四、工程应用前景要了解现场总线技术的工程应用前景就需要从两方面着手

13、，一方面要分析当前该技术的优点，另一方面要分析它的发展趋势及潜力。1、现场总线系统的优点现场总线系统在技术上具有以下特点：（1）、现场总线控制系统具有平台性通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。这将各个原本独立的系统、设备连接起来，进行信息交换，形成了一个可以用于信息交换的开放型的互联平台网络。（2）、现场总线控制系统具有自动控制性系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统

14、。它把作为网络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、参数修改、报警、显示、监控、综合自动化功能。（3）、现场总线控制系统具有分散性现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。（4）、现场总线控制系统具有简单性，对环境适应性强由于现场总线结构简化，简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易于重构等优点。2、现场总线发展趋势因而从现场总线技术本身来分析，它有个三个明显的发展趋势：（1）、现场总线网络走向两极化一方面现场总线标准的特点是通信协议比

15、较简单，通信速率比较低。但是，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据已不再是几个字节，而可能是图片、网页等超文本，网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。在未来的几年内，信息量估计还要增加10 倍。管理者希望得到更多的实时信息，比如生产系统、资源规划系统、出勤记录、劳动报告、物资跟踪、维修管理系统、质量信息系统、决策支持系统的信息和产品数据等。所以一部分的现场总线网络将走向大型化。另一方面目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，这些领域对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率

16、要求较慢的过程控制。现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术该如何发展、如何统一 （2）、现场总线网络寻求统一的现场总线国际标准不同厂商提供的设备通信标准不统一，束缚了网络的发展。未来现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准，组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。这将使得现场总线可连接的通信设备越来越多，使得现场总线的功能更加完善，也更加强大。当前，由于通信标准的问题已经严重阻碍了现场总线的发展。可以预见在未来现场总线必定会发生一场“书同文、车同轨”的革命。（3）、现场总线网络走向工业控制网络。TCP/IP是20多年来发展最成功的网络技术。但

17、我认为，虽然目前Internet与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。但是Internet的普适性与便利性是目前其他网络所不能匹敌的。这一点已经成为了共识，而现场总线网络也的确将底层网络融入了以太网，也在近年实现了Intenet 网上的B/S 方式的网络通信和控制。但目前仍然不够。我认为现场总线系统的发展到最后必定成为一个工业控制网络。而这条工业控制网络很有可能不是独立存在的网络，而是依托于Internet技术的一条子网。目前的现场总线可以实现通过以太网实现客户机（Client）的C/S 方式和访问Intenet 网上的B/S 方式

18、的网络通信和控制。但是其发展仍然处于初级阶段。目前我们将可以通过浏览器访问IP，打开控制系统的网页从而实现远程控制，可是单纯的利用Internet的通信带来的便利，并不意味着完成了工业控制网络。作为工业控制网络，他仍然需要向智能型、规范型发展。目前，现场总线技术仍然没有很好的利用Internet上的信息资源，实现自动控制、智能控制。目前，能够通过因特网直接实现的控制功能仍然仅限于一些诸如故障诊断、维护等一些实时性要求较低的工作，大部分的工作仍杨无法使用因特网。这是由于一方面两种网络的结构并不完全相同，更重要的是因特网在实时性上不能完全满足工业控制的需求。所以下一步主要需要解决的是实时性的问题。

19、我的设想是，建立一个Internet的亚网工业控制网络。目前大多数的解决方案主要：有简化网络结构，形成线性网络；利用网络管理和数据链路层调度技术，减少网络等待时间。但是这两种解决方案都并不完美。简化网络结构就意味着工业控制网络不可能做的太过复杂，这并不符合发展规律；而利用调度技术也具有不可预知性，毕竟就算再好的交警也无法完全避免堵车的出现。所以我的设想是将工业控制网络的数据链路层与网络层独立出来，而其他几层与因特网相容。这样便形成了专为工业控制网络而保留的链路资源。将所有的现场总线网络根植于这个网络上，便能够很好的实现实时传输。这样，会形成一个包容于因特网的网络工业控制网络我认为，现场总线技术

20、会继续向工业网络发展，并最终兼容于Internet。能够实现通过Internet实现所有现场总线的功能，形成一个极大地工业控制网络。3、现场总线系统应用前景在众多的现场总线中, 目前比较流行的有：基金会现场总线基金会现场总线（FF）于1994年由美国Fisher-Rosemount和Honeywell为首成立。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分和两种通信速率。的传输速率为 31.25kbps，可支持总线供电和本质安全防爆环境。支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。传输信号

21、采用曼册斯特编码。Lonworks它由美国Echelon公司推出，它采用ISO/OSI模型的全部层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。PROFIBUSPROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、 PROFIBUSPA组成。DP用于分散外设

22、间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158标准。CAN CAN是控制局域网络的简称，由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。HARTHART最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设

23、备的双主设备系统。从应用领域来看, profibus 有较广泛的制造基础和较多的使用经验, 在机械制造和电力系统等方面应用较广；worldFIP在电力、输配电、交通运输等方面较有经验并占有相当市场； controlNET 较广泛地应用于交通运输、矿山、造纸等行业, CAN主要用于汽车制造、数字量控制方面, HART 则广泛应用于数字量和模拟量混合的场合。综上所述，可以想见由于现场总线技术使单个分散的现场设备通过现场总线连接成可以相互沟通信息、共同完成任务的网络系统和控制系统，形成控制功能完全下放到现场的全分布式新型控制系统，使控制系统更趋于智能化、分布化。在应用现场总线技术后，系统的安全性与可靠性都得到了提高，改变了传统的安装、设计、维护方式，大幅度的减少了现场布线，减少控制室占地和仪表维护，缩短了工程周期，提高了可靠性。现场总线是当今自动化领域技术发