基于Profbus的過程控制系統(tǒng)實驗裝置開發(fā)

艾 紅

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100192

基于Profbus的過程控制系統(tǒng)實驗裝置開發(fā)

艾 紅

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100192

介紹了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置，說明了現(xiàn)場總線儀表配置，闡述了S7-300現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成。在Profibus-PA總線上連接有壓力變送器、溫度傳感器、電磁流量計以及電氣閥門定位器，組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。說明了檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)以及現(xiàn)場總線儀表配置，實現(xiàn)了盤管出水口流量滯后控制。闡述了盤管出水口溫度滯后控制的實現(xiàn)原理以及鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制程序主要語句設(shè)計。

現(xiàn)場總線；總線儀表； 滯后控制；鍋爐

現(xiàn)場總線是自動化系統(tǒng)中把大量現(xiàn)場級設(shè)備相連的工業(yè)通訊系統(tǒng)，是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線。常見的有CAN總線、LonWorks總線、Profibus總線和基金會現(xiàn)場總線等。我校自動化專業(yè)是北京市和國家級特色專業(yè)建設(shè)項目，與浙江天煌科技實業(yè)有限公司共同研制的過程控制多功能實驗裝置。通過巧妙設(shè)計，將設(shè)備分為兩側(cè)，分別是智能儀表側(cè)和現(xiàn)場總線儀表側(cè)。4 套多功能實驗裝置分別能做二十多個本科專業(yè)實驗和開放課題研究。目前現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置成功用于現(xiàn)場總線課程教學(xué)實驗、自動控制系統(tǒng)綜合實驗、現(xiàn)場總線課程設(shè)計、學(xué)生開放實驗以及畢業(yè)設(shè)計中。[1-2]

1 現(xiàn)場總線過程控制實驗裝置組成

1.1 Profibus過程控制系統(tǒng)實驗裝置

基于Profibus現(xiàn)場總線控制的實驗設(shè)備，包括流量、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)被控參數(shù)測量、單回路控制、串級控制、前饋控制以及比值控制等多種控制形式。采用現(xiàn)場總線的壓力變送器、電磁流量計、變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、溫度變送器以及分布式I/O模塊，為復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進控制系統(tǒng)的研究提供了物理模擬對象和實現(xiàn)手段。系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下位機軟件兩部分，下位機軟件采用西門子的Step7，上位機軟件采用西門子的WinCC。圖1是現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置。

圖1 現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置

現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)的實驗對象主要由網(wǎng)孔板、不銹鋼儲水箱、有機玻璃水箱、電加熱鍋爐和純滯后盤管等組成。在實驗屏的下面有儲水箱和兩路供水系統(tǒng)。兩路獨立的供水系統(tǒng)分別由2只獨立的水泵驅(qū)動供水。主回路采用現(xiàn)場總線儀表，副回路采用常規(guī)儀表。主要包括磁力泵、電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、渦輪流量計、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器以及溫度傳感器等。管路系統(tǒng)采用快速連接管道，可以自由拆裝組合?？偩€控制柜由控制系統(tǒng)供電板、控制站和溫度變送器構(gòu)成?？刂普局饕蒀PU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。[3,4]

1.2 現(xiàn)場總線儀表配置(見表1)

調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用S I E M E N S帶Profibus-PA通信接口的檢測和變送一體的電磁流量計。配有智能電氣閥門定位器控制的氣動調(diào)節(jié)閥。PLC中的CPU直接發(fā)送數(shù)字信號控制氣動調(diào)節(jié)閥的閥門開度。

表1 現(xiàn)場總線儀表配置

2 實驗裝置實驗內(nèi)容開發(fā)

一個被調(diào)參數(shù)可以在不同動力源、不同執(zhí)行器、不同工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，便于比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。系統(tǒng)設(shè)計時使2個信號可以在對象中存在著相互耦合，二者同時需要對原獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進行整定或者進行解耦實驗，符合工業(yè)實際的性能要求?？梢赃M行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實驗。實現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽水溫和鍋爐夾套水溫PID控制，水箱液位串級控制，上水箱液位與進水流量串級控制系統(tǒng)，鍋爐內(nèi)膽水溫與水流量串級控制，下水箱液位前饋-反饋控制，鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)，并聯(lián)水箱液位解耦控制，鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制系統(tǒng)，盤管出水口溫度滯后控制，盤管出水口流量純滯后控制系統(tǒng)以及比值控制系統(tǒng)實驗等。掌握解耦裝置的設(shè)計及其物理實現(xiàn)方法。理解傳輸純滯后的形成及其對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。實現(xiàn)Profibus總線的模擬量顯示，能夠通過Profibus-DP總線或Profibus-PA總線實時顯示水箱液位當(dāng)前值，實現(xiàn)對水箱液位的定值控制。

實現(xiàn)Profibus-DP總線開關(guān)量監(jiān)控系統(tǒng)，能夠通過PLC上的按鈕以及上位機操作點亮彩燈，并實時顯示彩燈的狀態(tài)。設(shè)計了多種選題。

(1)自動噴泉的PLC控制

利用16個彩燈代表16個噴頭，選擇4個按鈕，采用S7-300PLC進行控制，實現(xiàn)4種以上的自動噴泉花樣顯示。

(2)自動售貨機的控制設(shè)計選題

自動售貨機有3個投幣孔，分別為1元、5元和10元。售貨共有3種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。如投幣總額超過銷售價格，可由退幣鈕找回余額。投幣總額或當(dāng)前值顯示在7段數(shù)碼管上。按下要飲用的飲料按鈕，則相對應(yīng)的指示燈開始閃爍，3秒后燈閃爍自動停止，表示飲料已經(jīng)掉出。動作停止后按退幣鈕，可退回余額。

(3)裝瓶流水線的PLC控制選題

用10盞燈模擬有選瓶、裝瓶、蓋蓋、貼簽、傳送、成品入庫生產(chǎn)線操作工序，并有啟動、停止、移位、復(fù)位按鈕，采用S7-300PLC進行控制，實現(xiàn)手動、自動等4種以上的裝瓶流水線工序控制。

(4)十人投票機設(shè)計選題

當(dāng)計票開關(guān)處于OFF時，不執(zhí)行投票計算；當(dāng)計票開關(guān)處于ON時，開始計時，此時需在5秒內(nèi)完成投票即贊成與不贊成，5秒后立即顯示投票結(jié)果。若顯示燈Y0亮表示不通過即反對人數(shù)較多，顯示燈Y1亮表示贊成與反對人數(shù)相等，顯示燈Y2亮表示通過即贊成人數(shù)較多。當(dāng)投票結(jié)果顯示后，就不再接受任何信息，即使再次投票顯示燈仍不會改變其結(jié)果。按下歸零按鈕后，所有顯示燈熄滅，此時可再次進行投票。

(5)4層電梯模型的PLC控制選題

電梯模型由4層4站電梯對象、正反向繼電器、轎廂、內(nèi)選召喚按鈕、外選召喚按鈕、外呼指示燈、內(nèi)選指示燈、樓層顯示、上行和下行顯示、平層電磁傳感器檢測等組成，采用S7-300PLC進行控制，實現(xiàn)對電機驅(qū)動，上行、下行的順序控制，隨機呼叫的優(yōu)化控制，自動準(zhǔn)確定位，上行、下行及平層指示燈顯示和上位監(jiān)控系統(tǒng)等功能。系統(tǒng)有啟動、停止功能。轎廂開門、關(guān)門用指示燈顯示。用WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件，設(shè)計上位監(jiān)控系統(tǒng)。

3 Profbus現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的過程控制，需要在Step 7中完成一個完整的自動控制項目的下位機程序設(shè)計，進行硬件組態(tài)，建立組織塊、功能函數(shù)塊和數(shù)據(jù)塊。循環(huán)中斷組織塊OB30～OB38按設(shè)定的時間間隔循環(huán)執(zhí)行，循環(huán)中斷的間隔時間在CPU屬性中設(shè)定。在OB35循環(huán)中斷組織塊中用STL語句編寫程序。在WinCC中建立與PLC的連接，組態(tài)變量進行畫面組態(tài)。進行I/O域組態(tài)，實時曲線和歷史曲線的組態(tài)，添加按鈕動作。給畫面添加多個按鈕，名稱分別為歷史曲線、實時曲線、實驗流程、數(shù)據(jù)報表以及退出實驗等。

基于WinCC設(shè)計的Profibus現(xiàn)場總線過程控制實驗裝置總貌圖如圖2所示。

圖2 Profibus現(xiàn)場總線過程控制實驗裝置總貌圖

4 盤管出水口溫度和流量滯后控制

4.1 盤管出水口溫度滯后控制

現(xiàn)場總線過程控制實驗裝置中有一個小型鍋爐，可以實現(xiàn)盤管出水口溫度滯后控制實驗。實驗選擇盤管出水口溫度作為被控變量。如果忽略熱水在盤管內(nèi)流動時的熱損耗，則可近似地把盤管視為一階帶純滯后環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)為

式(1)中g(shù)1( s)是除去純滯后和靜態(tài)增益后的管道動態(tài)特性數(shù)學(xué)描述。

由特性測試可知，鍋爐內(nèi)膽的傳遞函數(shù)為

由式(1)和式(2)可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

實驗系統(tǒng)中的滯后包括了內(nèi)膽容量滯后和盤管傳輸滯后，而且內(nèi)膽容量滯后時間一般要遠大于盤管傳輸滯后。

4.2 盤管出水口流量滯后控制

盤管出水口流量滯后控制如圖3所示。系統(tǒng)的被控量為盤管出水口流量Q，要求它等于系統(tǒng)的給定值，將盤管出口渦輪流量計檢測到的流量信號作為反饋信號，與給定值進行比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相交流變頻器的輸出電壓，達到控制盤管出口流量的目的。選擇盤管出水口流量作為被控對象。

圖3 盤管出水口流量滯后控制

5 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制

要求鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定到給定值，將鉑電阻檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制單相調(diào)壓模塊的輸出電壓即電加熱管的端電壓，以達到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長。程序設(shè)計主要涉及兩路信號，一路是現(xiàn)場測量信號鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移相調(diào)壓模塊輸出的控制信號。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為PT100熱電阻，PT100熱電阻檢測到的信號傳送給溫度變送器。程序設(shè)計中使用語句PV_ IN:=PID321實現(xiàn)過程變量輸入是Profibus-PA總線上的溫度信號，語句LMN_PER:=PQW272表示I/O格式的控制器輸出值是PQW272。

6 結(jié)束語

現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置采用S7-300 PLC，利用Step7進行硬件組態(tài)和編寫控制算法程序，利用西門子組態(tài)軟件WinCC實現(xiàn)串級、比值、前饋-反饋等控制系統(tǒng)的人機交互界面。裝置采用了開放式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔板安裝，儀表與控制對象組合靈活。管路采用快速接頭結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)設(shè)計任務(wù)組合。因此很適合于學(xué)生的開放選題和畢業(yè)設(shè)計使用?，F(xiàn)場總線過程控制實驗裝置設(shè)備先進，學(xué)生可以學(xué)習(xí)先進軟件，編寫控制算法，進行復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制。實踐證明，學(xué)生利用現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置不僅熟悉了現(xiàn)場總線儀表使用，而且實現(xiàn)了基于STL語句表的控制算法編寫，較好地體會了控制系統(tǒng)概念和控制系統(tǒng)的組成。

[1] 王志新,谷云東,李洪興.三水箱多變量液位控制工程設(shè)計[J].工程技術(shù)與管理,2007,24(1):32-36.

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Development of Experimental Equipment for Process Control System Based on Profbus

Ai Hong
Beijing Information Science & Technology University， Beijing， 100192， China

This paper introduces the feld bus control system experiment device， the feld bus instrument confguration， the S7-300 feld bus control system hardware module. The Profbus-PA bus is connected with a pressure transmitter， temperature sensor， electromagnetic fow meter and electric valve positioned. This confgures feld bus control system. The detection device and the execution mechanism and feld bus instrument confguration are illustrated. The coil outlet fow hysteresis control is realized. The coil outlet temperature hysteresis control realization principle is illustrated. The boiler water temperature control programming design is expounded.

feld bus； feld bus instrument； delay control； boiler

2014-10-04

艾紅，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師。

促進人才培養(yǎng)綜合改革項目資助(編號：PXM2014_014224_000091)；北京信息科技大學(xué)2014年教學(xué)改革立項項目資助(編號：2014JG08)。