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1、现场总线控制系统设计方案1 现场总线控制系统的组成与认识一、系统简介THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：图1-1 控制系统结构图控制对象总貌图如图1-2所示。二、系统组成实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用
2、现场总线仪表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。在调节阀的旁路设计有旁路阀。图1-2 控制对象总貌图1. 被控对象（1）水箱包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水
3、泵的使用寿命。(2) 加温锅炉及盘管不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。2. 检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用五个Pt100传感器，分
4、别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。五个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成420mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：420mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带
5、PROFIBUS-PA通信接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3. 执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通信接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以
6、防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4. 控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通信功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通信功能的DP通信接口。5. 空气压缩机用于给气动
7、调节阀提供气源，电动机的动力经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。三、总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：1控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。2控
8、制站：控制站主要包含CPU、以太网通信模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。3温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。四、系统特点l 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。l 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。l 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。l 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。l 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下
9、演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。l 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。l 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。l 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。五、系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件应用介绍分别见附录一、二。2. PROFIBUS DP总线开关量控制2.1 LED灯的PLC控制及其实现一、设计目的1、掌握通过PROF
10、IBUS-DP总线读取/控制开关量的原理与方法。2、掌握PROFUBUS开关量I/O系统的硬件配置方案。3、掌握STEP 7软件的编程应用流程。3、熟悉基本的PLC梯形图编程语言。二、实验设备1. THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置（控制柜内部分）。2. 计算机及编程软件STEP 7、WINCC。3. 万用电表一只。三、设计题目及要求 如右图所示,选取现场总线控制柜中的32个绿色按钮和32个橙色指示灯为实验对象。灯和按钮信号连接到2个数字I/O模块SM323中，每个SM323模块包含16路DI和16路DO。SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIB
11、US-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），从而实现现场离散I/O信号与CPU之间的信号传输。32个按钮按从上到下，从左到右的顺序，地址依次为I0.0I0.7、I1.0I1.7、I2.0I2.7、I3.0I3.7；32个指示灯按从上到下，从左到右的地址依次为Q0.0Q0.7、Q1.0Q1.7、Q2.0Q2.7、Q3.0Q3.7。 设计的基本目标是通过PROFIBUS-DP总线实现用按钮对灯的亮、灭的控制，比如几盏灯的逐一点亮或者以其它规律点亮或熄灭。在这个实验中，我设计的基本目标是让六个灯依
12、次点亮然后再依次熄灭。本设计要求应用STEP 7软件，采用梯形图语言编程。（STEP 7软件的使用说明参见附录一）通过STEP7软件实现控制后，运用WINCC组态软件编写界面(界面中组态出所需要的按钮和灯)，进而实现通过界面中的按钮来控制控制柜中的灯的亮灭。四、设计内容与步骤1、分析PROFIBUS 离散I/O控制系统的工作原理和组成，确定硬件配置。2、确定软件控制策略，分配变量。3、依次接通控制系统各电源。3、启动STEP 7软件，新建项目。4、在STEP 7中完成硬件组态。一、打开STEP 7组态软件选择Cancel二、新建工程在File中点击New在弹出的对话框中输入新的工程名和路径，路
13、径可以自由指定，最好不要出现中文路径名。三、插入站 SIMATIC 300 Station右键点击工程名，Insert New Object插入SIMATIC 300 Station或者菜单选择插入四、硬件组态双击Hardware添加轨道Rail右侧SIMERTIC 300中找到RACK-300，双击Rail插槽1中加入电源PS 307 5A点击左上0（UR）的插槽1，在右侧找到SIMERTIC 300中PS-300，双击PS 307 5A3、插槽2中加入CPU 315-2 DP（1）点击左上0（UR）的插槽2，在右侧找到SIMERTIC 300中CPU 315-2 DP 型号6ES7 315
14、-2AG10-0AB0 双击V2.6（2）加入PROFIBUS-DP线在弹出的对话框中选择New在弹出的对话框中选择OKSubnet中出现PROFIBUS（1） 1.5Mbps 选择并点击OK4 、插槽4中加入CP 343-1（1）添加CP 343-1（2）在弹出的对话框中修改IP addressIP address :140.80.0.2 点击OK(3)建立以太网通信双击CP 343-1可查看属性，此时Networked：No（表示没有以太网通信），点击Properties可修改点击New，新建一个以太网连接点击OK此时Subnet中出现Ethernet(1)，点击OK此时Networked
15、：Yes 表示已建立了以太通信 点击Ok即可5、在PROFIBUS-DP上加入设备（1）加入IM 153-2 OD点击选中PROFIBUS-DP线，在右侧PROFIBUS-DP选项DP/PA Link中找到IM 153-2 OD型号6ES7 153-2BA82-0XB0 ，选中双击即可加到PROFIBUS-DP线上。在Address选择3弹出的Define Master System中选择Interface module for PROFIBUS-PA 点击OK（2）加入IM 153-1点击选中PROFIBUS-DP线，在右侧PROFIBUS-DP选项ET 200M中找到IM 153-1 型号6ES7 153-1AA03-0XB0 ，选中双击即可加到PROFIBUS-DP线上。在弹出的对话框点击OK。在右侧IM 153-1选项中加入
