基于以太网及现场总线的过程控制系统实验装置

1、第 24卷 第 1期 2005年 1月实 验 室 研 究 与 探 索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol. 24No. 1 Jan. 2005基于以太网及现场总线的过程控制系统实验装置邱佰平 , 喻寿益(中南大学 信息科学与工程学院 , 湖南 长沙 410083摘 要 :采用两 层网 络拓 扑结 构 , 开 发了 基于 以太 网及 现场 总 线的 过程 控制 系统 实验 装 置 ; 运用 SIMATIC WinCC V5. 1、 SIMATIC STE P7V5. 1等软件技术设计了用于实验状态监视 、 数据采集及处理 、 数 据记录的监控软件 ,

2、 在 PLC 中建立了专门用于数据交换的公用数据块 , 并在 WinCC 的全局脚本 (Global Sc ript 中建立相应的数据交换用户程序 。 实验结果表明 , 基于以太网及现场总线的过程控制系统实验 装置 , 解决了被控对象 、 测控装置等物理设备的地域分散性 , 以及控制与监控等任务对实时性的要求 , 系 统性能稳定 、 可靠 , 测量精度高 。关键词 :实验装置 ; 可编程逻辑控制器 ; 现场总线 分散型外围设备 ; 工业以太网 中图分类号 :TP23文献标识码 :B文章编号 :1006-7167(2005 01-0043-04The Process Control System

3、 for Equipment Used in LaboratoryBased on Industrial Ethernet and FieldbusQI U Bai -ping , YU Shou -yi(School of Informa tion Science and Eng. , Central South Univ. , Changsha 410083, ChinaAbstract :By methods of two -layer network topology, the process control syste m used in experimental facility

4、was exploited based on the industrial Ethernet and Fieldbus. The monitor software for experimental state monitoring, data sa mpling &disposing and data logging were developed using SI MATIC WinCC V5. 1and SI MATIC STEP7V5. 1. The common data block for data switching was established in the PLCs,

5、and the corresponding user program for data exchange was also builded up inWinC C . s global script. The results showed that this laboratory installation had settled area dispersibility of physical equipments , such as controlled device, measuring &controlling equipment, etc. In addition, rea-l

6、time require ment of controlling and monitoring was also solved. The syste m has good performance and high precision and excellent reliability. Key words :eqquipment used in laboratory; PLC; Profibus -DP; industrial Ethernet收稿日期 :2004-07-24基金项目 :国家财政部政府采购项目 (HNGP-2003213006 资助 作者简介 :邱佰平 (1980- , 男 ,

7、 硕士研究 生。从事网 络通信、 过 程 控制等研究。 E -mail:qiubaiping163. c om 。联系人 :喻益寿 (1940- , 男 , 教 授 , 博导。研 究方向为 自适应控 制 理论及应用复杂机电系统自动化等。1 引 言传统的工业控制领域 正经历一场前 所未有的变 革 , 开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初 的 CCS(计算机集中控制系统 , 到第二代的 DCS(集散 控制系统 , 发展到现在流行的 FCS(现场总线控制系 统 。而新一代的工业以太网控制系统又将引起工控 领域新的变革。以太网以其能便捷地访问远程系统 ,共享 P 访问多数据库等优势 , 许多现场

8、总线系统最终都 连接到以太网。为了适应这一形式发展要求 , 在自动化专业过程控制方向 , 增设网络控制实验教学内容 , 研 制了基于以太网及现场总线的过程控 制系统实验装 置。2 过程控制系统网络结构过程控制系统实验装置网络采用两层拓扑结构 , 上层 为 以太 网 , 连 接四 台 PC 台 式 计 算 机 ; 底 层 为 PROFIB US 现场总线 , 包括主站 DPMI 和从站 DPSI, 其 中主站控制热水锅炉模拟对象 , 从站控制液位、 温度流 量 或压力控 制系统 实验装置。整个系 统组成如 图 1所示。 图 1过程控制系统实验装置网络结构PLC 完成与控制系统实验装置相关的所有逻

9、辑控 制、 数字 PID 控制、 自校正控制、 模糊控制等实时控制 任务。主站选用德国西门子公司的 400系列 PLC CPU 412-2DP, 它带有一个 PROFIBUS -DP 和一个 MPI 接口。 由于 CP U -412具有强大的处理和运算能力 , 整个系统 (包括主站和从站 只采用了 1块 CP U 模块 , 主站还带 4个信号处理模块 (DI16、 DO 16、 AI 16和 AO 8 和一个 通讯模块 CP443-1(用于 WinCC 站和 SI MATIC S7PLC 通过以太网进行通讯 。从站选用 PROFIB US -DP 分布 式 I P O E T -200M I

10、M 153, 带 2个信号处理模块 (DI 16P DO 16和 AI 4P AO 2 , PROFIB US 现场控制总线通信速率可 达到 12MB P s 。上位机完成实验过程中从键盘输入数据的处理和 保存、 控制算法的设定计算和 优化、 实验 过程数据记 录、 实验装置运行状态监视和实验数据显示 , 以及通过 以太网对 PLC 进行硬件组态、 编程、 调试等功能。 2. 2网络控制系统软件平台网络控制系统应用程序的开发和运行软件平台为 STEP 7V5. 1和 WinC C 。 STEP 7V5. 1是基于 Windows NT 的 S7-300P 400PLC 标准软件包。通过 STE

11、P 7V5. 1, 用户可以进行系统配置和程序的编写、 调试 , 在线诊 断 PLC 的硬件状态、 控制 PLC 的运行状态和 I P O 通道 的状态等。WinCC 是基于 Windows NT 的面向对象的 32位应 用软件。 WinCC 提供了适用于工业生产过程的图形显 示、 信息处理、 归档以及报表等基本功能模块。 WinCC 的数据管理器采用结构化的数据存储方式存储组态数 据和过程数据 , 这种存储方式保证了无论是组态数据 还是运行过程数据都可以准确无误地读取。2. 3网络控制系统的通信网络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

12、 和 TCP P IP 协议 , 可 快速地建立 SIMATIC S7与 PC P PG 之间的通讯 , 产品的 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 的优点。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 技术可以实现非常庞大的网络结构。PROFIB US -DP 用于现场层的高速数据传送 , 传输 速率可达 12Mb P s, 最多与 127个网络上的节点进行数 据交换。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向 从站 发送 输出 信 息。总 线 循环 时 间必 须 要 比主 站 (PLC程 序 循 环 时 间 短。 除

13、 周 期 性 用 户 数 据 外 , PROFIB US -DP 还提供智能化设备所需的非周期性通信 以进行组态、 诊断和报警处理。3网络控制系统通信组态3. 1工业以太网通信协议调试PLC 通信模块的运行和启停可通过 STEP 7软件 对 CP443-1的诊断程序加以显示。建立网络连接后 , PC P PG 可通过以太网完成 PLC 的数据通信 , 上传、 下 载控制 参数和 PLC 程序。 调试时 首先通 过 SI MATIC 管理器对 CP 模块及工业 以太网的 MAC 地址进行设 置 , 每个 PLC 站都会有唯一的 MAC 地址 , 格式为 6字 节 (如 :08. 00. 06.

14、01. 00. 01 。另外 , 还须给 PLC 分配 唯一的 I P 地址 (如 :192. 168. 0. 130 及 Subnet mask(子 网掩码 (如 :255. 255. 255. 0 。 PLC 系统完成通信模 块 CP 的参数设置后 , 即可实现计算机与 PLC 的网络 连接。将 CP 模块置为 /RUN 0状态 , 将程序通过 /下载 命令 0按钮传给 PLC, 将 PLC 的 CP U 置为 /RUN -P 0即可 开始调试 , 在调试过程中 CP 模块担负 PLC 与计算机 间数据交换工作。3. 2WinCC 站和 SIMATIC S7PLC 通讯PLC 驱 动 程

15、序 /SI MATIC S7Protocol Suite 0支 持 WinC C 站 和 SIMATIC S7PLC 之间的通讯。根据所使 用的通讯硬件 , 系统通过 适当的通道单元支 持连接。 通道单元 /工业以太网 0用于通过工业以太网将 WinCC 连接到 S7自动化系统 , 可以通过通讯模块 CP 443-1进 行通讯。由于通讯是通过 /ISO 0传输协议进行的 , 因此 在本地数据库内不必组态逻辑连接。4过程控制系统实验装置4. 1实验装置组成及原理过程控制系统实验装置包括液位控制系统、 温度 流量控制系统和压力控制系统三套小型实验装置。液 位实验装置由三个相同大小的水箱、 液位检测

16、变送仪 表及执行机构等组成 ; 温度流量实验装置由嵌套的两 个容器、 晶闸管电加热装置、 流体输送装置及相关的检 测、 变送、 执行仪表等组成 ; 压力实验装置由三个互相 串联的不同大小的压力容器和针性阀、 压力及流量检44实 验 室 研 究 与 探 索 第 24卷中一套做为控制对象 , 现以液位控制系统为例说明过 程控制系统的工作原理。液位装置的工艺模拟流程图如图 2所示。液位控 制系统有三个被控变量 (1#水箱、 2#水箱、 3#水箱的 液位 , 可从中选择一至两个被控变量 ; 两个操作变量 (两个调节阀的开度 , 一般支路 1(Vc1 作为操作变量 主输入通道 , 支路 2(Vc2则为扰

17、动输入通道。在确定 被控变量、 操作变量、 主要扰动和控制方案后 , 只要在 模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接 , 就能方 便、 迅速地组成不同的控制回路。图 2 液位装置工艺模拟流程图由图 2可知 , 稳压水由两路经过电子调节阀 Vc1和 Vc2以及手动阀 V1V6, 分别流入三个水箱。以调 节阀 Vc1或 Vc2作为控制回路的的执行机构 , 另一个 用于产生扰动信号。若以进入水箱的水流量作为输入 量 , 水位作为其输出量 , 则每个水箱都可以看成是一阶 惯性环节的被控对象。当 Vc1作为控制 回路执行机 构 , 通过手动阀 V1、 V3和 V5可以使水箱组合成不同 阶次的被控对象。本

18、系统可以完成如下实验 :液位阶跃响应参数辨 识实验、 液位数字 PID 控制实验、 液位控制周期调整实 验、 液位系统波形分析。可实现的控制算法 :数字 PID 控制算法、 自校正控制算法、 模糊控制算法或其它先进 控制算法等。现以液位数字 PID 控制实验为例说明其 实验原理。液位控制系统实验原理框图如图 3示 , 图中调节 阀和水箱液位组成广义被控对象。水箱液位为系统控 制对象 , 记为 y (t 。液位变送器检测得到输出的 420mA 的电流反馈信号 y f (t , 由 AI 模块经 A P D 转换成 数字信号 , 输入 PLC 。再与从上位机键盘输入的给定 值 y r (t 比较

19、, 得 到偏差信 号 e 。 PLC 根据偏 差信号 e (t , 执行数字 PID 控制算法程序 , 计算出控制量 , 经 AO 模块 D P A 转换成 1-5V 的电压 , 再经电压 -电流转 (t 的输出 y (t , 使其跟踪给定值 y r (t 。图 3 液位控制系统实验原理框图PLC 采用增量式数字 PID 算法 :u (k =u (k -1 +K c e (k -e (k -1 +T ie (k +T dTe (k -2e (k -1 +e (k -2 式中 :u (k :当前时刻的控制量 ; u (k -1 :上一时刻的 控制量 ; K c :放大倍数 , 对应控制参数 /P

20、 0; T i :积分常 数 , 对应控制 参数 /I 0; T d :微分 常数 , 对应 控制 参数 /D 0; T :控制周期 ; e (k :给定量和当前时刻的检测量 的偏差 ; e (k -1 :给定量 和上一时 刻的检测 量的偏 差 ; e (k -2 :给定量和两个时刻前的检测量的偏差。 4. 2 实验数据的采集和传递根据需要 , 实验者可以在任一台上位机通过控制 网络实现过程控制实验 , 上位机和下位机完成各自不 同的任务并进行相互间的数据通信。上位机的 WinCC 数据管理器按照通信协议在后台不断更新数据 , 用户程序对数据的读取和修改则通过标签 (Tag 实现。用 户只需在

21、标签管理器中定义标签的地址、 数据格式等 就可以在程 序中应用它们。所有实 验数据都 由 PLC 采集 , 这些数据以标准模拟信号方式进入 PLC, 采集的 数据经过处理后存入实验过程数据块。上位机用户程 序根据需要读取数据 , 并对数据进行图形显示、 归档、 打印输出等处理。实验规程及设定参数由上位机确认后送到 PLC, PLC 根据这些数据和命令进行 PID 控制算法或其它算 法的计算 , 计算数据包括控制 设定值、 算 法控制参数 等 , 按控制算法计算所得的控制量经 PLC 的 AO 模块 输出到相应的执行机构。液位控制 PID 算法 PLC 程序 框图如图 4所示。由于上位机之间的数

22、据交换和传递都是通过 PLC 实现的 , 为此在 PLC 中建立了专门用于数据交换的公 用数据块 , 并在 WinC C 的全局脚本 (Global Script 中建 立相应的用户数据交换程序。数据交换采用事件触发 控制方式 , 当满足特定的触发条件时触发数据交换程 序。发送方数据交换程序置位数据传送开始标志 , 并 将需要传送的数据送入数据交换公用数据块 , 在传送 结束后置位结束信号 ; 接收方在接到对方发送结束信 号后开始从数据交换公用数据块读取数据 , 数据读取 完成后将所有数据传送标志复位 , 为下次数据传送做 好准备。页 45第 1期邱佰平 , 等 :基于以太网及现场总线的过程控

23、制系统实验装置code(4 ;y =yy, yy(7 ; h2=stairs(x , y ;其作用是调用内部编 码函数 encode 和画图函数 stairs 对 (7, 3 循环码进行编码 , 并在坐标系上画出合适的码元波形。注意这里的第二句 , 其目的是将 3位 信息码放在 4位监督码的前面。5 结 语本 文 根 据 循 环 码 和 卷 积 码 的 编 译 原 理 , 结 合 MATLAB 语言 , 编写了这套教学实验 软件。每次启动 MATLAB 系统时 , 系统自动执行 startup. m 文件 , 根据这 一点 , 将开始界面文件命名为 startup. m, 并且和本教学 实验系

24、统软件的其它文件一起 , 都放在 MATLAB 安装 文件 的 work 子 目 录 下。 运 行 时 只 须 用 鼠 标 双 击 MATLAB 安装文件的可执行文件图标即可 , 双击后请 稍等 , 操作界面自行弹出 , 本实验即可进行 , 实验者无 需掌握如何使用 MATLAB 软件。整个实验操作简单、 直观 , 实验效果明显。 参考文献 :1 樊昌信 , 等 . 通信原理 M. 北京 :国防工业出版社 , 1999:295-297. 2 曹志刚 , 钱亚生 . 现代通信原理 M. 北京 :清华大 学出版社 , 1992:372-375.3 王立宁 , 乐光新 , 詹菲 . MATLAB 与

25、通 信仿 真 M. 北京 :人们邮 电出版社 , 2000:393-396.4 高俊斌 . MATLAB5. 0语言与程序设计 M. 武汉 :华中 理工大学 出版社 , 1998:82-83.5 网冠科 技 . MATLAB6. 0时 尚创 作百 例 M. 北京 :机械 工业 出 版社 , 2002:74-75.(上接第 45页 图 4 液位控制 PID 算法 PLC 程序框图4. 3 实验监控应用程序实验监控应用程序实现了实验系统的状态监视、 数据采集与处理、 数据记录等功能。系统对实验过程 数据 (液位、 压力、 温度、 流量、 控制输出等 以周期性方 式采集 , 上位机利用 WinCC 的 /用户文档 0功能对采集 数据进行记录 , 记录的数据以历史趋势曲线形式显示 在监控界面上。监控界面显示控制量和被控量波形曲 线 , 实验者可