網(wǎng)絡(luò)化管理的繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究

陳永健

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是自動(dòng)化發(fā)展的新技術(shù)，正向著開放的國際統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為共同遵守的國際規(guī)范，它所涉及的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。傳統(tǒng)的繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只局限于獨(dú)立控制而且開關(guān)點(diǎn)多、使用故障率高，目前的繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用集中式控制，其控制功能由控制室設(shè)備完成，設(shè)備與儀表之間無法實(shí)現(xiàn)分散式的管理與信息交換。這種集中的控制方式必然導(dǎo)致危險(xiǎn)性的集中，給管理與設(shè)備故障檢修帶來很大的不便。在繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得現(xiàn)場(chǎng)儀表之間、現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連標(biāo)準(zhǔn)，這樣系統(tǒng)的控制功能分散得比較徹底，加上全數(shù)字化，形成了自動(dòng)化領(lǐng)域的開放系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)、形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成化的自動(dòng)系統(tǒng)。

1．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)控制模型兩個(gè)部分。現(xiàn)場(chǎng)控制模型可以利用實(shí)驗(yàn)室的原有設(shè)備，從而節(jié)約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)變送器轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場(chǎng)總線。

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于本系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)的尺寸范圍很有限，所以所有的接線部件、電源調(diào)節(jié)器和終端器都可以接到同一個(gè)總線端子排，從而形成星型結(jié)構(gòu)。當(dāng)然從邏輯上說，它仍然是總線型的。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)終端器位于總線電源內(nèi)，另一個(gè)直接接到總線端子排。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)安全與冗余設(shè)計(jì)

雖然 PROFIBUS不支持介質(zhì)冗余，但仍然有多種實(shí)現(xiàn)冗余的辦法。通過使用主機(jī) PID進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 PID控制作為備用。當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)無擾切換到現(xiàn)場(chǎng) PID控制，從而實(shí)現(xiàn)控制器冗余。具體實(shí)現(xiàn)方案如圖 2所示。

圖2 冗余實(shí)現(xiàn)方案

2．硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)是NI公司的產(chǎn)品，F(xiàn)P-3000具有總線H1接口的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，它與FP-AO-200和FP-DO-400分布式I/O模塊組裝在一起，并通過內(nèi)部總線高速通信。FP-AO-200的兩路模擬輸出作為兩個(gè)比例閥的控制信號(hào)。FP-DO-400的 3路開關(guān)量輸出分別作為兩個(gè)增壓水泵以及加熱電阻絲繼電器的控制信號(hào)。

控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子工控機(jī)，下位機(jī)采用西門子公司的S7-300系列PLC的CPU315-2DP，它包括3塊SM321數(shù)字量輸入模塊、2塊SM322數(shù)字量輸出模塊、1塊SM323數(shù)字量輸入輸出以及一塊通信處理器 CP340。315-2DP的MPI連接到西門子工控機(jī)，DP口通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線連接了遠(yuǎn)程分布式 IPO ET200，它包括了 1塊接口模塊IM153-1、2塊模擬量輸入模塊SM331、4塊數(shù)字量輸入模塊 SM321和 2塊數(shù)字量輸出模塊 SM323。ET200M 使用PROFIBUS總線連接了4臺(tái)直流調(diào)速器和18臺(tái)交流調(diào)速器以及裁斷位置控制器和截?cái)嗳藱C(jī)界面TP27。如圖3所示：

圖3 PROFIBUS總線

采用 PROFIBUS總線通信聯(lián)網(wǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：它是目前最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放的現(xiàn)場(chǎng)總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備都可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS-DP用于傳感器和驅(qū)動(dòng)器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，適用于系統(tǒng)與外部設(shè)備的通信，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室分布式系統(tǒng)尤為適合。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用沈陽自動(dòng)化研究所研制的 SIACON-H1Config，該軟件具有在線與離線組態(tài)能力。組態(tài)軟件包含接口程序、組態(tài)程序和 OPC 服務(wù)器等 3 部分。接口程序(Init)負(fù)責(zé)組態(tài)程序與底層物理設(shè)備的數(shù)據(jù)通信；組態(tài)程序是組態(tài)軟件的主程序；OPC 服務(wù)器可以向 HMI 軟件等應(yīng)用程序提供訪問現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)控制程序采用模塊化的編程思想，主要采用功能強(qiáng)大的語句表來進(jìn)行程序的編寫，將不同的控制功能用不同的程序功能塊來實(shí)現(xiàn)，它使程序可讀性、可移植性、易維護(hù)性大大的加強(qiáng)。本聯(lián)動(dòng)線控制程序從循環(huán)執(zhí)行主程序：組織塊OB1開始依次調(diào)用各個(gè)子程序和功能塊，各子程序的功能塊用于完成聯(lián)動(dòng)線系統(tǒng)某一部分的邏輯控制如液壓系統(tǒng)控制機(jī)頭的開合?；?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)某一特定功能如通過總線讀寫控制字、狀態(tài)字。程序從OB1開始順序調(diào)用主機(jī)程序FC16和輔助程序FC17。接著，主機(jī)程序FC16再調(diào)用機(jī)頭開合模程序FC15、直流電機(jī)控制程序FC18、機(jī)頭報(bào)警程序FC25和七段BCD數(shù)碼表顯示值標(biāo)度變換程序FC29等；輔助程序又調(diào)用了控制程序FC14、各段輥道電機(jī)速度鏈整定程序FC3、各輥道變頻電機(jī)控制程序FC14等。在直流電機(jī)控制程序中調(diào)用了STEP7中的系統(tǒng)功能SFC14、SFC15通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)去讀、寫直流調(diào)速器的狀態(tài)字（包括擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速和擠出電流等）和控制字。在用戶程序中除了編寫主程序OB1外，還編寫了OB35循環(huán)程序、OB80循環(huán)程序、OB81電源故障、OB100完全重啟等組織塊用以實(shí)現(xiàn)模塊的濾波和系統(tǒng)的重啟等。聯(lián)動(dòng)線子程序流程圖4如下：

圖4 模塊化子程序流程圖

4．效益分析及應(yīng)用前景

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、科研領(lǐng)域的應(yīng)用從某種意義上說還沒完全展開，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信技術(shù)還沒發(fā)展完善，有必要借助于科研力量作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。此平臺(tái)的建成就較好地滿足了教學(xué)的需要。通過這個(gè)平臺(tái)，科研人員可以深入地剖析PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)理，學(xué)習(xí)如何構(gòu)建更加復(fù)雜、實(shí)用的 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，以運(yùn)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中去。同時(shí)，科研人員還可以通過此平臺(tái)進(jìn)行一些復(fù)雜的過程控制試驗(yàn)，用以驗(yàn)證一些先進(jìn)的控制算法。

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