艾 紅

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 北京 100192

基于Profbus的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)

艾 紅

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 北京 100192

介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，說明了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表配置，闡述了S7-300現(xiàn)場(chǎng)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(jì)以及電氣閥門定位器，組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。說明了檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)總線儀表配置，實(shí)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(shí)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(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)總線；總線儀表； 滯后控制；鍋爐

現(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化系統(tǒng)中把大量現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點(diǎn)的通信總線。常見的有CAN總線、LonWorks總線、Profibus總線和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線等。我校自動(dòng)化專業(yè)是北京市和國家級(jí)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，與浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司共同研制的過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置。通過巧妙設(shè)計(jì)，將設(shè)備分為兩側(cè)，分別是智能儀表側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表側(cè)。4 套多功能實(shí)驗(yàn)裝置分別能做二十多個(gè)本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)和開放課題研究。目前現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置成功用于現(xiàn)場(chǎng)總線課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)總線課程設(shè)計(jì)、學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中。[1-2]

1 現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制實(shí)驗(yàn)裝置組成

1.1 Profibus過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括流量、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)被控參數(shù)測(cè)量、單回路控制、串級(jí)控制、前饋控制以及比值控制等多種控制形式。采用現(xiàn)場(chǎng)總線的壓力變送器、電磁流量計(jì)、變頻器、電動(dòng)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(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供了物理模擬對(duì)象和實(shí)現(xiàn)手段。系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，下位機(jī)軟件采用西門子的Step7，上位機(jī)軟件采用西門子的WinCC。圖1是現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要由網(wǎng)孔板、不銹鋼儲(chǔ)水箱、有機(jī)玻璃水箱、電加熱鍋爐和純滯后盤管等組成。在實(shí)驗(yàn)屏的下面有儲(chǔ)水箱和兩路供水系統(tǒng)。兩路獨(dú)立的供水系統(tǒng)分別由2只獨(dú)立的水泵驅(qū)動(dòng)供水。主回路采用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，副回路采用常規(guī)儀表。主要包括磁力泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、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(chǎng)總線儀表配置(見表1)

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

表1 現(xiàn)場(chǎng)總線儀表配置

2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)

一個(gè)被調(diào)參數(shù)可以在不同動(dòng)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(jì)時(shí)使2個(gè)信號(hào)可以在對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定或者進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，符合工業(yè)實(shí)際的性能要求?？梢赃M(jìn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)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(jí)控制，上水箱液位與進(jìn)水流量串級(jí)控制系統(tǒng)，鍋爐內(nèi)膽水溫與水流量串級(jí)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(shí)驗(yàn)等。掌握解耦裝置的設(shè)計(jì)及其物理實(shí)現(xiàn)方法。理解傳輸純滯后的形成及其對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。掌握水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。實(shí)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(shí)時(shí)顯示水箱液位當(dāng)前值，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的定值控制。

實(shí)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(jī)操作點(diǎn)亮彩燈，并實(shí)時(shí)顯示彩燈的狀態(tài)。設(shè)計(jì)了多種選題。

(1)自動(dòng)噴泉的PLC控制

利用16個(gè)彩燈代表16個(gè)噴頭，選擇4個(gè)按鈕，采用S7-300PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)4種以上的自動(dòng)噴泉花樣顯示。

(2)自動(dòng)售貨機(jī)的控制設(shè)計(jì)選題

自動(dòng)售貨機(jī)有3個(gè)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(jià)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(duì)應(yīng)的指示燈開始閃爍，3秒后燈閃爍自動(dòng)停止，表示飲料已經(jīng)掉出。動(dòng)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(dòng)、停止、移位、復(fù)位按鈕，采用S7-300PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等4種以上的裝瓶流水線工序控制。

(4)十人投票機(jī)設(shè)計(jì)選題

當(dāng)計(jì)票開關(guān)處于OFF時(shí)，不執(zhí)行投票計(jì)算；當(dāng)計(jì)票開關(guān)處于ON時(shí)，開始計(jì)時(shí)，此時(shí)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(duì)人數(shù)較多，顯示燈Y1亮表示贊成與反對(duì)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(huì)改變其結(jié)果。按下歸零按鈕后，所有顯示燈熄滅，此時(shí)可再次進(jìn)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(duì)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(cè)等組成，采用S7-300PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，上行、下行的順序控制，隨機(jī)呼叫的優(yōu)化控制，自動(dòng)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(dòng)、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(jì)上位監(jiān)控系統(tǒng)。

3 Profbus現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的過程控制，需要在Step 7中完成一個(gè)完整的自動(dòng)控制項(xiàng)目的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shí)間間隔循環(huán)執(zhí)行，循環(huán)中斷的間隔時(shí)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(jìn)行畫面組態(tài)。進(jìn)行I/O域組態(tài)，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的組態(tài)，添加按鈕動(dòng)作。給畫面添加多個(gè)按鈕，名稱分別為歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、實(shí)驗(yàn)流程、數(shù)據(jù)報(bào)表以及退出實(shí)驗(yàn)等。

基于WinCC設(shè)計(jì)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制實(shí)驗(yàn)裝置總貌圖如圖2所示。

圖2 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制實(shí)驗(yàn)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(chǎng)總線過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中有一個(gè)小型鍋爐，可以實(shí)現(xiàn)盤管出水口溫度滯后控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dòng)時(shí)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(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)描述。

由特性測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)間一般要遠(yuǎn)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(jì)檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，與給定值進(jìn)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(dá)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(duì)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(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，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(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。由于加熱過程容量時(shí)延較大，所以其控制過渡時(shí)間也較長(zhǎng)。程序設(shè)計(jì)主要涉及兩路信號(hào)，一路是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)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(hào)。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測(cè)裝置為PT100熱電阻，PT100熱電阻檢測(cè)到的信號(hào)傳送給溫度變送器。程序設(shè)計(jì)中使用語句PV_ IN:=PID321實(shí)現(xiàn)過程變量輸入是Profibus-PA總線上的溫度信號(hào)，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(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置采用S7-300 PLC，利用Step7進(jìn)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(shí)現(xiàn)串級(jí)、比值、前饋-反饋等控制系統(tǒng)的人機(jī)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(duì)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(jì)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(jì)使用?，F(xiàn)場(chǎng)總線過程控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備先進(jìn)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)先進(jìn)軟件，編寫控制算法，進(jìn)行復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制。實(shí)踐證明，學(xué)生利用現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置不僅熟悉了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表使用，而且實(shí)現(xiàn)了基于STL語句表的控制算法編寫，較好地體會(huì)了控制系統(tǒng)概念和控制系統(tǒng)的組成。

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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(jìn)人才培養(yǎng)綜合改革項(xiàng)目資助(編號(hào)：PXM2014_014224_000091)；北京信息科技大學(xué)2014年教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2014JG08)。