一類小型現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐寶昌， 鄭德健， 許亞嵐， 聶建英

(中國石油大學 自動化系，北京 102249)

一類小型現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐寶昌， 鄭德健， 許亞嵐， 聶建英

(中國石油大學 自動化系，北京 102249)

為了提高自動化專業(yè)學生在現(xiàn)場總線技術方面的實踐能力，基于西門子PCS7系統(tǒng)架構，設計并實現(xiàn)了一套現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成典型的過程工藝對象、工業(yè)過程常用儀表，并集成了HART、Profibus和Foundation Fieldbus(FF)3種過程控制中常用的總線協(xié)議，構建能夠高度模擬實際工業(yè)現(xiàn)場的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實驗平臺。整個實驗系統(tǒng)體積小、集成度高、功能完善，具有很強的實用性。

現(xiàn)場總線； 過程控制； 西門子PCS7； 實驗系統(tǒng)

0 引 言

過程控制工程是自動化專業(yè)的主要課程之一，這門課具有很強的工程實踐性，相應的實驗課程是學好這門課的重要環(huán)節(jié)。在工程實踐中，大型化工生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)實施的主要技術手段是采用集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)，隨著計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域迅速擴大，覆蓋了工廠中從現(xiàn)場設備到控制、管理的各個層次。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構的變革，逐步形成了以現(xiàn)場總線為基礎的新型計算機控制系統(tǒng)[1-3]。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義，現(xiàn)場總線是指應用在制造過程區(qū)域現(xiàn)場裝置和控制室內(nèi)自動控制裝置之間的包括數(shù)字式、多點、串行通信的數(shù)據(jù)總線，即工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層通信網(wǎng)絡[4-5]。以現(xiàn)場總線為技術核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)[6]。由于DCS系統(tǒng)幾十年以來已經(jīng)在過程控制中占據(jù)了主導地位，故目前FCS并不是完全取代DCS，在實踐中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)往往不是一個獨立的系統(tǒng)，而是與傳統(tǒng)的DCS集成在一起[7]。在實際應用中，DCS和FCS的界限已經(jīng)變得更為靈活，新一代的DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口，用來支持多種標準的現(xiàn)場總線儀表等。

目前，用于教學的計算機過程控制實驗裝置主要側(cè)重于DCS系統(tǒng)的實驗，例如華晟公司A3000-DCS實驗裝置[8]、浙江高聯(lián)儀器的PCS-D型過程控制綜合實驗裝置、浙江求是教儀的NPCT型DCS實驗裝置等。此類過程控制實驗裝置力爭包含較為全面和復雜的實驗對象，以用于能夠同時開展相應的計算機控制和過程控制教學實驗，一般比較龐大笨重，占地面積大，成本高，維護保養(yǎng)比較困難，通常一套裝置只安裝單一信號制的常規(guī)儀表，沒有包含目前工業(yè)中常用的總線儀表。而工業(yè)上用到的測量儀表從測量原理到通信方式上已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，特別是通信方式，從傳統(tǒng)的4～20 mA到目前廣泛應用的HART、MODBUS、Profibus和Foundation Fieldbus協(xié)議[9]。在現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)設計方面，沈愛弟等[10]進行了基于Ethernet、Profibus和DeviceNet的FCS實驗裝置的開發(fā)和實驗教學應用；師新利等[11]設計了基于現(xiàn)場總線的自動化控制系統(tǒng)實驗裝置，可模擬現(xiàn)場控制、車間監(jiān)控(MES層)和企業(yè)資源管理(ERP層)3層網(wǎng)絡，但這兩類系統(tǒng)都只包括了計算機控制系統(tǒng)，而是與控制對象相對分離，集成度不高，需要與特定的控制對象相連接方能進行過程對象的相關實驗，同時這些實驗裝置的應用背景以控制電機、開關等設備為主，沒有涵蓋連續(xù)過程工業(yè)中的常用儀表、執(zhí)行機構、總線形式，不能夠滿足過程控制相關的教學實驗要求。

大多數(shù)院校的自動控制專業(yè)都開設并講授現(xiàn)場總線儀表、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)類的課程。然而，由于沒有合適的實驗裝置，很多學生很難看到、操作、調(diào)試工業(yè)現(xiàn)場級的現(xiàn)場總線設備，使得學生對現(xiàn)場總線系統(tǒng)的認識往往停留在書本概念的階段。為了充分調(diào)動學生的積極性和創(chuàng)造性，使學生了解現(xiàn)場總線控制技術，掌握現(xiàn)場總線技術在過程控制中的應用技術，提高過程控制實驗教學效果，本文基于西門子的PCS系統(tǒng)，結(jié)合幾種常用的總線儀表，構建出集成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的過程控制實驗裝置。本文提出的實驗裝置包括簡單的過程控制對象，在對象上集成了多種工業(yè)過程常見的儀表，例如壓力、溫度、流量變送器、數(shù)字調(diào)節(jié)閥，這些儀表分別采用不同的總線協(xié)議與計算機控制系統(tǒng)通信，計算機控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列CPU和I/O模塊。整個裝置布局合理、空間利用率大，以滿足小型化和低成本的要求。在一套實驗裝置中實現(xiàn)多類變量控制和多種通信配置，既滿足實用性能，又節(jié)約空間與材料。在降低成本的同時提高實驗裝置的工作效率，為學習和研究基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)提供一個經(jīng)濟、高效、實用的平臺。

1 實驗裝置設計的總體方案

本實驗裝置設計的思想和總體目標是，設計一套能夠滿足過程控制、檢測儀表及技術、計算機控制等課程實驗的綜合實驗裝置，設計過程應考慮：

(1) 集成一套典型的過程工藝流程，以提供儀表的測量環(huán)境，并能夠完成簡單的閉環(huán)控制實驗。

(2) 包括幾種過程控制常用和有代表性的現(xiàn)場總線標準。

(3) 包括過程控制常用的溫度、壓力、流量等儀表，選用的儀表應采用過程控制中較為常用的測量原理。

(4) 小型化的原則。

(5) 系統(tǒng)架構采用典型的集散控制系統(tǒng)結(jié)構：分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便，具有高可靠性、開放性、靈活性、易于維護等特點。

基于上述原則，設計了如圖1所示的現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)的總體方案。整個總線系統(tǒng)包括3個層次：過程工藝設備、現(xiàn)場控制層、工廠級網(wǎng)絡；過程工藝設備包括一套簡單的氣體流動回路，主要由氣泵和管線組成，作為模擬工業(yè)現(xiàn)場流量控制的對象和安裝相關檢測儀表的平臺；現(xiàn)場控制層包括現(xiàn)場控制站、I/O模塊、總線接口模塊、網(wǎng)絡模塊等，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、輸出、總線通信功能，在這一層次，實現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表與DCS標準I/O信號的集成。工廠級網(wǎng)絡包括工程師站(數(shù)據(jù)庫服務器)、操作員站、工廠級監(jiān)控模擬服務器；在實際應用中，學生既可以診斷、監(jiān)視現(xiàn)場控制站運行情況，又能進行操作、監(jiān)視、報警、記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)等操作。裝置采用單站、多站相結(jié)合的模式，在節(jié)約實驗室空間和實驗成本的同時，高效完成實驗目標并加深學生對操作流程的認知，在實驗中驗證理論知識。

圖1 現(xiàn)場總線實驗裝置總體結(jié)構圖

1.1 過程工藝對象的流程及結(jié)構

為了實現(xiàn)裝置的小型化，結(jié)合本實驗裝置的主要目標是進行現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的相關實驗，因此，本實驗裝置僅包含一套簡單的氣體流動工藝，通過氣泵使得管路內(nèi)保持一定的氣體流量、溫度和壓力，為檢測儀表提供基本的檢測參數(shù)。實驗裝置的效果圖如圖2所示。

圖2 實驗裝置實際效果圖

過程工藝設備主要由氣泵、管線、數(shù)字式電動調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、渦輪流量計、孔板流量計、熱電阻溫度計構成。裝置啟動后，控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，氣泵會向管道內(nèi)輸入氣流。管道中安裝的渦輪流量計以及孔板流量計可以實時測量管道內(nèi)流量的變化，同時在管路中安裝壓力變送器檢測壓力信息，溫度變送器檢測該裝置的溫度數(shù)據(jù)。其中，溫度、壓力、流量傳感器采用的是過程控制中最為常見的檢測原理，可以結(jié)合學生在過程檢測儀表課程中的學習內(nèi)容進行相關的儀表實驗，掌握這些儀表的結(jié)構、原理和基本配置流程。同時每個儀表分別采用不同的總線協(xié)議，包括標準4～20 mA、HART、Profibus和Foundation Fieldbus(FF)協(xié)議，使得學生可以熟悉不同總線儀表的接線方式和配置過程。數(shù)字式調(diào)節(jié)閥可以作為現(xiàn)場控制站，利用數(shù)字調(diào)節(jié)閥的內(nèi)置功能模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與補償、PID 運算和控制、設備自校驗和自診斷等功能。將現(xiàn)場控制層的相關模塊、電氣元件、端子排安裝于實驗裝置的控制箱內(nèi)，并通過以太網(wǎng)和工廠級網(wǎng)絡相連[12]，整個裝置的外形尺寸為800 mm×1 500 mm×500 mm。

1.2 氣體流動回路的設計

本套裝置儀表測量的介質(zhì)為空氣，能夠提供氣源動力的設備，工程上常用的是空壓機和鼓風機，兩者都可以產(chǎn)生壓力和流量，但又有一些區(qū)別：① 空壓機。氣壓較高，一般0.6 MPa，但風量較小，用途比較廣泛；② 鼓風機。氣壓較低，一般小于0.1 MPa，但風量較大，一般用作通風，輸氣，通常用于污水廠和自來水廠的曝氣裝置。

本套裝置要求測量氣泵出口的壓力和流量，鼓風機的壓力過小，為方便壓力變送器顯示，選擇空壓機較好。

空壓機分為兩大類：①容積型；②速度型。根據(jù)空壓機體積大小和本套實驗裝置要求，選擇容積型空壓機，采用市場上常用的靜壓無油、噪聲較小的活塞式空壓機。

流量方面，因為渦輪流量計有最小測量范圍，所以空壓機的流量不宜小于50 L/min?？紤]到設備體積，選擇空壓機流量為120 L/min，流量計的測量范圍在3～7.2 m3/h，管徑為DN25，流速為1.7～4.1 m/s。

綜上，空壓機設計參數(shù)為：流量50～120 L/min，壓力0.6～0.8 MPa，電源：220 V/50 Hz。

因為本套裝置管徑較小，為了使調(diào)節(jié)的效果顯著，選用電動V型球閥作為調(diào)節(jié)閥門。V型球閥屬于固定球閥，也是單閥座密封球閥，調(diào)節(jié)性能是球閥中最佳的，流量特性是等百分比的，可調(diào)比達100∶1[13]。它的V型切口與金屬閥座之間具有剪切作用。

設計氣體流量在3～7.2 m3/h之間，管徑為DN25。閥前壓力：0.6 MPa，閥后壓力：0.1 MPa(1個大氣壓)，溫度60 ℃，閥門V口開度在15°為宜，開度可達到38%。

1.3 現(xiàn)場控制層的選型與配置

本套實驗裝置的現(xiàn)場控制層選用西門子公司的SIMENS S7-400系列產(chǎn)品。模塊選型如表1所示?，F(xiàn)場控制站采用西門子CPU412-2PN模塊，具有強大的處理和運算能力，通過本身集成的以太網(wǎng)接口與工廠級網(wǎng)絡相連，通過DP接口和分布式I/O站ET 200M相連，并實現(xiàn)Profibus總線儀表信號的采集、處理。CPU412-2PN可以處理多達65 536個數(shù)字量或4 096個模擬量I/O；分布式I/O站與CPU的通信速率最高可達12 Mb/s，通信距離最遠可達1.2 km。PS407電源為現(xiàn)場控制站提供控制電源。AI hart(6ES73317TF010AB0)模塊實現(xiàn)現(xiàn)場4～20 mA信號和HART儀表信號的采集，IM153-2模塊和Compact FF Link模塊結(jié)合實現(xiàn)現(xiàn)場FF總線儀表的信號采集、通信和配置功能。

表1 現(xiàn)場控制層模塊選型

從表1可知，盡管本實驗系統(tǒng)的規(guī)模較小，選用模塊不多，但是采用了西門子用于DCS應用的S7-400系列模塊，并且涵蓋了主要的I/O和通信模塊，從功能來說，可以模擬現(xiàn)今大多數(shù)工業(yè)企業(yè)在過程控制領域中較為重要的控制解決方案，在此基礎上可以進行較為全面的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗。

1.4 工廠級網(wǎng)絡的配置和軟件平臺

本實驗系統(tǒng)的工廠級網(wǎng)絡包括1臺工程師站(數(shù)據(jù)庫服務器)、3臺操作員站和1臺工廠級監(jiān)控模擬服務器，其目的是真實的模擬DCS控制系統(tǒng)中的多客戶機/服務器結(jié)構。多客戶機結(jié)構允許一個客戶機訪問多個OS服務器的數(shù)據(jù)；也允許多個客戶機同時訪問若干個服務器。項目數(shù)據(jù)、過程變量、存檔數(shù)據(jù)、報警和消息均從多客戶機的OS服務器獲得。在本實驗系統(tǒng)中，把工程師站作為OS服務器，形成3客戶機/1OS服務器的架構；工廠級監(jiān)控模擬服務器模擬工廠中工廠級管理人員對現(xiàn)場裝置的實時信息監(jiān)測、管理、分析的功能，類似于大型石化企業(yè)中的ERP和MES系統(tǒng)。

(2) 七星峰地質(zhì)公園主峰上的“佛印”景觀為平面上分布的聯(lián)體冰臼，一個小的冰臼和相對大的冰臼相連，和秦皇島祖山被韓同林教授認定為聯(lián)體冰臼“神女臥”極其相似。

本套實驗裝置使用西門子研發(fā)的軟件PCS7 V8.1作為軟件平臺，西門子PCS7系統(tǒng)將過程控制與制造業(yè)控制毫無障礙地連接到一起，可以應用于所有工業(yè)領域，包括過程工業(yè)、制造工業(yè)、混合工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過程自動化產(chǎn)品。PCS7基于西門子S7-400系列模塊，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機，形成完整的全集成自動化架構，主要包括Step7、CFC、SFC、PLCSIM、WinCC以及PDM等軟件模塊[14]。PCS7采用符合IEC61131-3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言?，F(xiàn)場設備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期[15]。PCS7具有ODBC、OPC等標準接口，并且應用以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線等開放網(wǎng)絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統(tǒng)。PCS7 V8.1與之前的版本相比，可以通過PDM軟件方便進行現(xiàn)場總線設備的配置和管理，實現(xiàn)DCS和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的完美結(jié)合。PCS7 V8.1的另一個優(yōu)勢是可以方便地進行離線的網(wǎng)絡組態(tài)、硬件組態(tài)，PCS7 V8.1包含有PLCSIM軟件模塊，PLCSIM提供了一個仿真的現(xiàn)場控制站平臺，即使沒有和現(xiàn)場控制站相連，仍然可以將硬件組態(tài)和軟件編程進行下裝[16]。其體驗和結(jié)果與對實際的現(xiàn)場控制站完全一致，這一點非常適合于教學實驗裝置的應用，使得學生可以不受現(xiàn)場控制站臺數(shù)的限制，按照教學實驗的要求靈活的進行現(xiàn)場總線軟硬件的配置和編程實驗。

WinCC是SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)及其他西門子控制系統(tǒng)中的人機界面組件。WinCC集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)了相互之間的整合。作為通用型組態(tài)軟件，WinCC可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程設備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制的人機界面的HMI接口，并通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)與PLC等設備通信，進而實現(xiàn)過程監(jiān)控功能[17]。WinCC組態(tài)靈活，可以實現(xiàn)復雜的輸入輸出功能，還可以組態(tài)工業(yè)級報警功能，實現(xiàn)故障設備信息報警，另外還具有功能完整、方便直觀、成本低廉等特點。

2 實驗項目的設計

通過不同的硬件配置和軟件組態(tài), 可以完成相當數(shù)量的實驗項目。在實際操作中培養(yǎng)學生FCS系統(tǒng)集成、組態(tài)、通信、編程各方面能力。利用本實驗系統(tǒng)可開展的相關實驗項目包括：

(1)FCS系統(tǒng)的認知實驗。

(2)FCS系統(tǒng)的硬件集成實驗。

(3)FCS系統(tǒng)的硬件組態(tài)實驗。打開實驗軟件PCS7 V8.1并新建工程，按照控制單元PLC的實際型號對硬件進行組態(tài)，即模擬真實的PLC硬件系統(tǒng)，將電源、CPU、通信模塊、I/O模塊等設備安裝到相應的機架上。同時還要對PLC硬件模塊的參數(shù)進行設置和修改。

(5) FCS系統(tǒng)的通信與故障診斷實驗。利用PLC通信模塊CP-443診斷通信是否成功。通信模塊的運行和啟停可通過STEP 7軟件對CP-443的診斷程序加以顯示，該診斷程序可以反映CP的啟停原因、時間以及通信連接完成的次數(shù)，要求學生根據(jù)診斷信息找出通信故障解決辦法。

(6) 現(xiàn)場總線儀表的通信與配置實驗。利用PDM軟件，完成現(xiàn)場總線儀表的通信和配置，掌握HART、Profibus和FF等總線協(xié)議的標準，熟悉總線儀表各功能塊的功能、參數(shù)設置，例如：FF總線儀表Resource Block、Transducer Block、Function Block等功能塊的配置。

(7) 數(shù)字式調(diào)節(jié)閥PID功能塊組態(tài)實驗。

(8) 軟件組態(tài)實驗。熟悉現(xiàn)場控制站中連續(xù)功能圖(CFC)、順序功能圖(SFC)兩種編程方法。通過編寫CFC、SFC程序，例如PID控制、串級控制等，保證在復雜環(huán)境下實現(xiàn)對實驗裝置管內(nèi)壓力、流量的穩(wěn)定控制。熟悉上位機WINCC組態(tài)和編程，能夠在WinCC界面上顯示當前控制情況畫面，實現(xiàn)WinCC與PLC的通訊，以及如何修改PID參數(shù)以提高控制效果。在WinCC界面上記錄曲線變化情況，并監(jiān)測報警信息。要求學生根據(jù)曲線變化情況分析出控制性能好壞并能提出優(yōu)化控制效果的合理方案。

3 結(jié) 論

(1) 為了滿足自動化專業(yè)學生在現(xiàn)場總線技術相關課程的實驗教學需要，研制了以西門子PCS7為基礎的一套現(xiàn)場總線實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了幾種過程工業(yè)中常見的總線協(xié)議和常用儀表，并按照工廠級的標準建立3層體系結(jié)構，從裝置的結(jié)構設計合理性和功能完善性來說，在我國高校同等專業(yè)的實驗教學中尚鮮見報導。

(2) 通過本文研制的實驗系統(tǒng)，使得學生可以對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的架構、硬件、軟件有一個直觀認識。通過相關實驗課程的訓練，使得學生學習并掌握目前先進的過程控制理念，熟悉現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成的基本過程。本實驗系統(tǒng)還可以為開放性、設計性實驗教學提供了一個完善的平臺，通過相關的課程設計環(huán)節(jié)和畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，使得學生能夠熟練運用相關的軟硬件來實現(xiàn)簡單的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計與實施，滿足了過程控制系統(tǒng)課程的實驗需要，提高了教學效果，增強了學生的專業(yè)知識和實際科研及工作能力。

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Design and Realization of a Small Fieldbus Experiment System

XUBaochang，ZHENGDejian，XUYalan,NIEJianying

(Department of Automation，China University of Petroleum， Beijing 102249， China)

With the development of industrial technology, fieldbus technology plays an increasingly important role in the field of process control. In order to improve the practice ability of the students majoring in automation in the fieldbus technology, a small fieldbus experiment system based on SIEMENS PCS7 framework was designed and accomplished in the paper. The system integrated the typical process objects and instruments widely used in industrial processes, and it also integrated three bus protocols included Hart, Profibus and Foundation Fieldbus (FF). Fieldbus control experiment platform was constructed, and it can highly simulate the actual industrial scene. The experimental system has the advantages of small size, high integration, perfect function and strong practicability. It is a perfect platform for students to study fieldbus control system, fieldbus instrument and advanced process control technology.

fieldbus; process control; SIEMENS PCS7; experiment system

2016-09-25

徐寶昌(1974-)，男，遼寧凌源人，博士，副教授，研究方向為復雜系統(tǒng)建模與先進控制、鉆井工程自動化、多傳感器信息融合與軟測量技術。Tel.:13683262121；E-mail:xbcyl@163.com

TP 23

A

1006-7167(2017)06-0160-05