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控制發展的趨勢。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：

　　圖1 過程控制系統實驗裝置結構圖

　　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（DI 16/DO 16、AI 4/AO 2）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/AO 2），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，保證了與工控機的完全兼容。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是一種國際性、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工業以太網是基于國際標準的網絡，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，在編程時完全不必考慮一個I/O地址在物理上是通過何種方式連接的。

　　圖2 ET200M從站與DP主站的組態

　　圖3 ET20M從站的信號模塊組態

　　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分配唯一的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、最高站地址、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 S7-300/400 PLC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最有效的一種子網，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。最后利用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。