FF總線&IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)

趙 鵬， 陳 飛， 孫 斌， 趙玉曉

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院， 杭州 310018)

·實習(xí)與實訓(xùn)·

FF總線&IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)

趙 鵬， 陳 飛， 孫 斌， 趙玉曉

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院， 杭州 310018)

為填補高校現(xiàn)場總線教學(xué)實訓(xùn)與IEC61131-3語言教學(xué)實訓(xùn)的空白，設(shè)計研發(fā)了一套實訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于基金會現(xiàn)場總線實現(xiàn)了對過程儀表的監(jiān)測并對過程參數(shù)進行控制，同時可應(yīng)用于計量檢定基礎(chǔ)知識教學(xué)?；贗EC61131-3語言實現(xiàn)了對電機控制及各類燈光控制的仿真。系統(tǒng)采用LabVIEW進行上位機程序編寫，交互界面友好。將該系統(tǒng)用于實踐教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

基金會現(xiàn)場總線； 實訓(xùn)系統(tǒng)； 過程儀表

0 引 言

在過去的20年中，工業(yè)過程控制儀表[1-2]一直采用著4～20mA的標準信號。這種一對一的接線方式導(dǎo)致現(xiàn)場到控制室的信號連線過多，增加了投入，采用這種連線方式進行模擬信號的傳輸容易出現(xiàn)信號干擾，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著3C(Computer,Control,Communication)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)很好地解決了以上問題，不僅節(jié)省了安裝及維護費用，提高了系統(tǒng)控制精度及可靠性，同時，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)[3-4]中智能設(shè)備能直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算等功能，因此可減少變送器數(shù)量，節(jié)約硬件數(shù)量與投資。同時，由于現(xiàn)場總線的開放性，用戶可以任意選擇不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品組成系統(tǒng)而不必過多考慮系統(tǒng)的兼容性問題?；饡F(xiàn)場總線(FF)[5-6]是儀表和過程控制向數(shù)字化通信方向發(fā)展而形成的技術(shù)，是一種專為工業(yè)過程控制應(yīng)用而設(shè)計，并得到了世界上主要自控設(shè)備供應(yīng)商支持的現(xiàn)場總線技術(shù)。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，純粹的PLC系統(tǒng)會慢慢淡出工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域，但是現(xiàn)場總線的應(yīng)用核心仍是基于PLC或PLC編程系統(tǒng)的用戶程序設(shè)計部分，而且基于PLC編程系統(tǒng)的使用會越來越多。在當前現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，大部分主站設(shè)備或控制軟件都支持IEC61131-3[7]，使用IEC61131-3語言進行程序設(shè)計已成為一種趨勢和現(xiàn)實，所以學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，就必須學(xué)習(xí)和了解IEC61131-3編程語言。

國內(nèi)高校中，專為教學(xué)而設(shè)計的FF總線及IEC61131-3實訓(xùn)系統(tǒng)仍基本處于空白狀態(tài)[8-10]。學(xué)生對課堂教學(xué)所得內(nèi)容僅存在一個感性的認知，而缺乏動手實踐的機會，課堂教學(xué)與工業(yè)現(xiàn)場間始終存在著一條難以跨過的鴻溝，所以研制一套面向高校學(xué)生的FF總線及IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)是非常必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用沈陽中科博微自動化技術(shù)有限公司研發(fā)的新一代分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)NCS4000為核心，其適用于中、大規(guī)模工業(yè)控制環(huán)境，提供過程控制、邏輯控制功能，可以廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、焦化、污水處理、石油、化工等行業(yè)[11-12]。整個控制系統(tǒng)分為操作臺即人機交互、控制器、管路及現(xiàn)場儀表三部分[13]，控制系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)實物圖如圖2所示，采用鋁型材及亞克力板組裝各個系統(tǒng)部分，采用模塊化組裝方式，拆裝方便，外形整潔美觀，并且學(xué)生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及走線方式一目了然，對系統(tǒng)整體有著更加直觀的認識。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)實物圖

1.1 人機交互設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國國家儀器(NI)公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)平臺進行人機交互界面及控制程序的編寫[14-15]。LabVIEW最大的特色是采用編譯型圖形化編程語言即G語言，較之傳統(tǒng)的文本語言，LabVIEW有著開發(fā)周期短，直觀形象等優(yōu)點，尤其是LabVIEW集成了豐富的工具包資源，以及提供了多種網(wǎng)絡(luò)接口，支持先進的流動數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，已在工業(yè)自動化及測試測量領(lǐng)域占有不可替代的地位。

1.2 控制系統(tǒng)模塊介紹

NCS4000控制器是整個控制系統(tǒng)最主要的硬件平臺，如圖3所示。

圖3 NCS4000控制器

它采用FF總線標準定義的高速以太網(wǎng)，提供100MB的網(wǎng)絡(luò)連接功能連接到工作站或交換機。本系統(tǒng)還選用2通道FF現(xiàn)場總線H1協(xié)議模塊采集渦街流量計(E+H品牌)、熱式質(zhì)量氣體流量計(ABB品牌)和溫度變送器(E+H品牌)等現(xiàn)場總線儀表信號；選用8通道4～20 mA電流輸入模塊采集渦輪流量計、壓力變送器及電動調(diào)節(jié)閥反饋信號等傳統(tǒng)的標準4～20 mA電流信號；選用8通道4～20 mA電流輸出模塊控制變頻器的頻率以及電動調(diào)節(jié)閥的開度；選用8通道24VDC數(shù)字輸入模塊及16通道24VDC數(shù)字輸出模塊分別連接按鈕及指示燈作為IEC61131-3語言實訓(xùn)的控制及指示元件。

1.3 管路及現(xiàn)場儀表

本系統(tǒng)管路及現(xiàn)場儀表示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)管路及現(xiàn)場儀表示意圖

系統(tǒng)采用可拆卸式模塊化不銹鋼管道組成整套管路系統(tǒng)，管徑為DN25，使用空氣作為介質(zhì)，采用離心式風機作為整個系統(tǒng)的氣源，其中風量大小(0～30 m3/h)可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率(0～50Hz)進行控制，風機與不銹鋼管道采用軟管式連接，防止振動傳入不銹鋼管路，氣體介質(zhì)進入不銹鋼管路前會流經(jīng)擴徑管路段，起到穩(wěn)定流場的作用。氣體介質(zhì)在主路上流經(jīng)熱式氣體質(zhì)量流量計及渦輪流量計進入大氣，在支路上流經(jīng)渦街流量計及渦輪流量計進入大氣，在各流量計上游部分安裝壓力變送器對管道壓力進行監(jiān)控，在管道氣體介質(zhì)出口處安裝溫度變送器對介質(zhì)溫度進行監(jiān)控。主路與支路可通過手動球閥進行切換選擇，整個管路的流通面積可通過電動調(diào)節(jié)閥進行控制。

2 FF總線實訓(xùn)系統(tǒng)

系統(tǒng)通過對現(xiàn)場總線設(shè)備的組態(tài)，實現(xiàn)對現(xiàn)場總線設(shè)備信號的采集，同時采用OPC[16]技術(shù)及Datasocket[17]技術(shù)通過I/O模塊對傳統(tǒng)儀表進行信號采集或控制。

2.1 系統(tǒng)組態(tài)與OPC&Datasocket技術(shù)

系統(tǒng)基于NCS4000組態(tài)軟件，其組態(tài)流程如圖5所示, OPC(OLE for Process Control)是以微軟OLE/COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客服/服務(wù)器模式，定義了一套適用于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等的功能接口。Datasocket是NI公司提出的一種基于微軟COM/ActiveX技術(shù)的一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的供應(yīng)及Datasocket技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，從而實現(xiàn)過程控制及邏輯控制中的對象鏈接與嵌入。

圖5 系統(tǒng)組態(tài)流程圖

2.2 實驗?zāi)K介紹

FF總線實訓(xùn)系統(tǒng)分為儀表監(jiān)控實驗、流量單閉環(huán)實驗、壓力單閉環(huán)實驗及計量檢定實驗4個模塊。

2.2.1 儀表監(jiān)控實驗?zāi)K

儀表監(jiān)控實驗界面如圖6所示，界面按照NCS4000控制器各模塊將現(xiàn)場信號模塊化劃分。實訓(xùn)學(xué)生可以在該界面上實現(xiàn)對現(xiàn)場總線儀表及傳統(tǒng)儀表信號的讀取，也可以手動填寫輸出信號值實現(xiàn)對變頻器頻率或電動調(diào)節(jié)閥開度的控制。一方面，學(xué)生可以直觀地對比學(xué)習(xí)并深入了解現(xiàn)場總線儀表與傳統(tǒng)儀表的輸出信號的不同；另一方面，通過設(shè)置現(xiàn)場儀表故障可以培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)場儀表故障診斷的思維方式與實際解決問題的能力。另外該界面還提供了數(shù)字I/O模塊的端口，方便學(xué)生進行調(diào)試。

圖6 儀表監(jiān)控實驗界面

2.2.2 單閉環(huán)控制實驗?zāi)K

流量單閉環(huán)控制實驗界面及實際控制曲線如圖7所示，顯示界面左上部分為過程曲線顯示區(qū)域，實訓(xùn)學(xué)生可以直觀的看到過程參數(shù)的變化歷史曲線，顯示界面右上部分為儀表過程參數(shù)顯示部分，實訓(xùn)學(xué)生可以在該區(qū)域讀取各個過程儀表的實時參數(shù)，顯示界面左下部分為整個管路系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表示意圖，增強實訓(xùn)學(xué)生操作的代入感，更加有助于學(xué)生了解掌握過程控制中各個環(huán)節(jié)，顯示界面右下部分為參數(shù)設(shè)置區(qū)域，實訓(xùn)學(xué)生可以選擇調(diào)節(jié)閥或者風機來控制介質(zhì)流量大小，可以選擇流量儀表顯示作為被控變量參數(shù)，可以進行PID控制各參數(shù)的設(shè)置并控制實驗的啟停。

(a) 實驗界面

(b) 實驗曲線

壓力單閉環(huán)實驗原理同流量單閉環(huán)相似，在此將不再贅述。

2.2.3 計量檢定實驗?zāi)K

計量檢定實驗界面如圖8所示。

實訓(xùn)學(xué)生可以依托該實驗?zāi)K了解并掌握標準表法計量檢定的流程及量值傳遞與溯源的相關(guān)理論知識。該實驗?zāi)K操作靈活多樣，實訓(xùn)學(xué)生可以自主選擇檢定方案，可對標準表及被檢表進行不同組合的選擇，同時對流量調(diào)節(jié)方式進行選擇，不僅如此，該實驗既可以依據(jù)檢定規(guī)程進行檢定點的手動設(shè)置，也可以自主設(shè)計先進的自動檢定方案。對計量檢定相關(guān)專業(yè)學(xué)生有著良好的教學(xué)效果。

圖8 計量檢定實驗界面

3 IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)

NCS4000支持IEC61131-3提供的5種PLC的標準編程語言，該系統(tǒng)在NCS4000編程環(huán)境中使用梯形圖(LD)進行下位機程序編寫，在上位機使用LabVIEW編程環(huán)境進行人機交互界面的設(shè)計，系統(tǒng)采用OPC技術(shù)及Datasocket技術(shù)實現(xiàn)上位機與下位機數(shù)據(jù)的通訊。

3.1 實驗?zāi)K介紹

IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)分為循環(huán)燈實驗?zāi)K和電機類實驗?zāi)K，每個模塊下又分為多個實驗，如圖9所示。

圖9 IEC61131-3語言實訓(xùn)模塊

3.1.1 循環(huán)燈實驗?zāi)K

循環(huán)燈實驗中以交通燈為例，其實驗界面如圖10所示，實訓(xùn)學(xué)生可以通過燈類實驗，了解IEC61131-3語言中梯形圖的編程方法，同時可以掌握控制時序、定時器等的應(yīng)用。值得一提的是，該系統(tǒng)操作臺上有8路按鈕開關(guān)以及16路指示燈，所有的接口都是開放的，實訓(xùn)學(xué)生可以自主接線至控制器I/O模塊，并進行下位機及上位機程序的編寫，實現(xiàn)特定的功能，提高實踐動手能力。

圖10 交通燈實驗界面

3.1.2 電機類實驗

電機類實驗中以順序啟動為例，其實驗界面如圖11所示，顯示界面左側(cè)部分為電機動畫示意，可以直觀的顯示電路連接及電機停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等狀態(tài)。顯示界面中上部分為電氣節(jié)點示意圖，可以直觀的顯示控制器模塊及各節(jié)點的通斷狀態(tài)。界面中下部分為梯形圖示意圖，該梯形圖同NCS4000編程環(huán)境下的梯形圖一致，并通過OPC技術(shù)及Datasocket技術(shù)實現(xiàn)與下位機程序的同步顯示，更加有利于學(xué)生對梯形圖編程的深入理解。顯示界面右側(cè)為控制開關(guān)機控制按鈕，實訓(xùn)學(xué)生可以通過對開關(guān)或按鈕的操作實現(xiàn)各項功能，提高動手操作能力。該系統(tǒng)無需電機實物即可實現(xiàn)功能仿真，同時，也可擴展接入電機等被控對象進行半實物仿真。

圖11 電機順序啟動實驗界面

4 結(jié) 語

作者設(shè)計研發(fā)的FF總線&IEC61131-3語言實訓(xùn)系統(tǒng)，填補了高校教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)的一項空白。采用全透明框架設(shè)計，外形美觀大方，實訓(xùn)學(xué)生可以自主了解所有管路結(jié)構(gòu)及儀表接線。系統(tǒng)可面向現(xiàn)場總線、PLC等相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供實訓(xùn)平臺，同時可以作為儀器儀表、過程控制、自控原理、計量檢定、虛擬儀器等多課程的教學(xué)平臺，實訓(xùn)及教學(xué)效果良好。該系統(tǒng)更提供了一個設(shè)計、研發(fā)平臺，學(xué)生可以在該平臺上自主設(shè)計、擴展實驗項目，同時可作科研項目平臺使用。

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An R&D of FF-bus and IEC61131-3 Language Training System

ZHAOPeng,CHENFei,SUNBin,ZHAOYuxiao

(College of Metrology & Measurement Engineering China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In order to fill in the blank of training system of field bus teaching and IEC61131-3 language teaching in universities, a training system is developed. Processing instruments are monitored and processing parameters are controlled based on Foundation Fieldbus in this system, basic knowledge teaching of metrological verification can be achieved as well. Motor and light controls are simulated based on IEC61131-3 language. The interactive interface of PC program written by LabVIEW is friendly. The system has been used in practice teaching, and has achieved good teaching results.

foundation fieldbus (FF); training system; process instruments

2016-09-22

趙 鵬(1989-)，男，江蘇徐州人，碩士，助理實驗師，研究方向：實驗室儀器設(shè)備管理工作。

Tel.：15858275670； E-mail：zhaopeng@cjlu.edu.cn

TP 273.5

A

1006-7167(2017)06-0235-05