基于PC機和西門子ET200S實現(xiàn)電加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1、 引言

現(xiàn)場總線技術的興起和發(fā)展，為解決許多工業(yè)問題開辟了新的途徑：將現(xiàn)場總線技術與傳統(tǒng)控制方法結(jié)合，這樣就產(chǎn)生了基于現(xiàn)場總線的過程控制，它也成為了當前現(xiàn)場總線領域和過程控制領域共同的研究熱點。本文在PROFIBUS- DP現(xiàn)場總線基礎上，以電加熱爐為受控對象，設計了一種在現(xiàn)場總線技術下的過程控制方案。

2 、PROFIBUS 現(xiàn)場總線的介紹

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是用于過程自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領域的現(xiàn)場設備互連的通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。

其中，PROFIBUS是當今國際上現(xiàn)場總線的一個重要的組成部分。根據(jù)國際標準化組織ISO7498 標準，PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層作為用戶接口，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合。由于PROFIBUS現(xiàn)場總線標準是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標準，所以在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。

PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。由分散和外圍設備PROFIBUS- DP （Decentralized Periphery）、報文規(guī)范PROFIBUS- FMS（Fieldbus message Periphery）、過程自動化PROFIBUS - PA （Process Automation） 組成了PROFIBUS系列。其中，PROFIBUS- DP用于設備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC、PC），通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備（如I/O， 驅(qū)動器， 開關等） 進行通信。PROFIBUS- DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點。在用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送時， 主站周期地讀取從設備的輸入信息并周期地向從站設備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUS- DP 還提供了智能化設備所需要的非周期性通訊以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

3 、電加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本控制系統(tǒng)主要由PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線中的一臺PC機作為主站，西門子ET200S作為從站，通過它連接受控對象。其中在PC機內(nèi)的PCI插槽上插有一塊SLOT PLC（CPU412-2 PCI），即WinAC SLOT 412， 它是一種置于PC的PCI總線的板卡式PLC控制器，可實現(xiàn)與S7-400系列處理器CPU412-2DP相同的控制功能，其操作控制性能和指令集也與西門子S7-400控制器系列一致，板卡上同時集成了MPI、PROFIBUS-DP通訊接口。電源擴展板選件用于提供獨立于PC電源的供電，使WINAC SLOT在PC斷電時也可以正常運行。同時，PC機上裝有編程組態(tài)軟件STEP7和監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC，構(gòu)成控制主站。而通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接至SLOT PLC（CPU412-2 PCI）的PROFIBUS-DP接口上ET200S模塊，則作為控制從站。ET200S上配有電源模塊（即PM模塊）、開關量和模擬量的輸入輸出模塊（即：DI、DO、AI、AO模塊）。而受控對象（電加熱爐）的變送器檢測信號和執(zhí)行器的操作信號將通過信號線被準確地連接到ET200S上的AI、AO模塊上。

4、 系統(tǒng)組態(tài)

完成設備連接后，將在PC上用SIEMENS STEP7軟件實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)，過程如下。

4.1 硬件組態(tài)

建立一個新項目，設置其名字（如“project”），在項目中加入SEMATIC PC站，名字設為PC機在以太網(wǎng)中的計算機名（“ZDH32”）系統(tǒng)將建立一個新的項目，打開右邊的“Configuation”進行硬件組態(tài)，將CPU412-2 PCI、PROFIBUS-D、ET200S（包括PM、AI、AO、DI、DO模塊）加入，如圖2所示。

4.2 軟件組態(tài)

采用STEP7軟件，編程語言主要有梯形圖、語句表和功能塊圖。一般地，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FC）、功能（FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OB1是主程序循環(huán)塊，是必需的，其它的塊不一定要用到。如果程序簡單，可將所有的程序放入OB1塊中進行線性編程，如果程序復雜最好將程序用不同的邏輯塊加以結(jié)構(gòu)化，再通過OB1調(diào)用這些邏輯塊。如圖3所示，是針對本系統(tǒng)受控對象（電加熱爐）控制策略編寫的程序（由于上、下加熱控制算法相同，只有地址不同，所以圖中只顯示了上加熱控制部分）。

4.3 通過WINAC軟件實現(xiàn)系統(tǒng)控制

組態(tài)下載前要進行端口設置，在控制面板中的“SET PG/PC Interface”中選擇“S7 Online（STEP7）”，再選擇“PC internal （local）”實現(xiàn)PC機與WinAC SLOT 412的本地連接。之后在“Component Configurator”中指定PC站的名字（即：“ZDH32”）然后打開WinAC控制面板，如圖4所示。將之前硬件和軟件組態(tài)下載。如果組態(tài)沒問題，下載正確，則控制面板上的RUN指示燈會變?yōu)榫G色。這樣就可以通過WinAC控制面板對系統(tǒng)進行控制，同時可以利用STEP7在線調(diào)試程序，還可以通過設置變量表在線修改參數(shù)和監(jiān)視變量。

5 、用WinCC實現(xiàn)監(jiān)控

西門子公司的WinCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等先進技術， 為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。用戶可以在WinCC友好的界面下進行過程組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理， 很容易形成需要的操作畫面、監(jiān)視面面、實時趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)報表、越限報警等。

WinCC提供了一個稱為“SIMATIC S7 Protocol”的通訊驅(qū)動程序，這個通訊程序支持多種網(wǎng)絡協(xié)議和類型，通過它的通道單元可以實現(xiàn)WinCC與各種SIMATIC S7 PLC以及WinAC的通訊。

本系統(tǒng)在WinCC變量管理器中添加新的驅(qū)動程序，先選擇驅(qū)動程序類型為“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”，而后選擇通道單元“SLOT PLC”，WinCC與WinAC SLOT 412的通訊連接。然后根據(jù)具體的過程對象，在“SLOT PLC”中建立變量連接，添加控制過程中監(jiān)視和控制的過程變量。利用圖形編輯器、變量記錄組件來完成過程畫面設計、數(shù)據(jù)趨勢顯示和歸檔、越限報警等功能。本系統(tǒng)是對一個雙輸入、雙輸出電加熱爐溫度進行控制。其中期望輸出值、輸入電流量、反饋值還有P、I、D控制參數(shù)為過程變量和系統(tǒng)控制量。加入這些變量后，根據(jù)本系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)顯示、變量調(diào)節(jié)、還有數(shù)據(jù)歸檔等要求對其進行圖形編輯。本系統(tǒng)的人機監(jiān)控具有以下功能：數(shù)據(jù)自動采集及歸檔;過程的實時監(jiān)視;參數(shù)的在線設置和調(diào)整;手動-自動操作;歷史趨勢;數(shù)據(jù)歸檔查詢;超限報警等。

6 、結(jié)束語

本系統(tǒng)在現(xiàn)場總線環(huán)境中實現(xiàn)了對電加熱爐的過程控制、監(jiān)測報警以及遠程監(jiān)控。通過WinCC的數(shù)據(jù)歸檔方便地采集到過程變量的歷史數(shù)據(jù)，為進一步的算法研究和模型仿真提供了基礎。

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