網絡化管理的繼電接觸控制實驗教學平臺研究

陳永健

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

PROFIBUS現場總線技術是自動化發展的新技術，正向著開放的國際統一的方向發展，成為共同遵守的國際規范，它所涉及的技術和應用領域十分廣泛。傳統的繼電接觸控制實驗平臺只局限于獨立控制而且開關點多、使用故障率高，目前的繼電接觸控制實驗系統采用集中式控制，其控制功能由控制室設備完成，設備與儀表之間無法實現分散式的管理與信息交換。這種集中的控制方式必然導致危險性的集中，給管理與設備故障檢修帶來很大的不便。在繼電接觸控制實驗室內引入現場總線技術，使得現場儀表之間、現場儀表與控制室設備之間構成網絡互連標準，這樣系統的控制功能分散得比較徹底，加上全數字化，形成了自動化領域的開放系統互連網絡、形成了全分布式網絡集成化的自動系統。

1．系統總體結構設計

繼電接觸控制實驗系統包括 PROFIBUS現場總線和現場控制模型兩個部分。現場控制模型可以利用實驗室的原有設備，從而節約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號到現場總線信號變送器轉接到現場總線。

1.1 系統拓撲結構

由于本系統是實驗室系統，整個控制系統的尺寸范圍很有限，所以所有的接線部件、電源調節器和終端器都可以接到同一個總線端子排，從而形成星型結構。當然從邏輯上說，它仍然是總線型的。本實驗系統的一個終端器位于總線電源內，另一個直接接到總線端子排。拓撲結構如圖1所示。

圖 1 實驗系統拓撲結構

1.2 系統安全與冗余設計

雖然 PROFIBUS不支持介質冗余，但仍然有多種實現冗余的辦法。通過使用主機 PID進行控制，現場設備 PID控制作為備用。當主機系統出現故障時，自動無擾切換到現場 PID控制，從而實現控制器冗余。具體實現方案如圖 2所示。

圖2 冗余實現方案

2．硬件結構設計

主機系統是NI公司的產品，FP-3000具有總線H1接口的網絡接口模塊，它與FP-AO-200和FP-DO-400分布式I/O模塊組裝在一起，并通過內部總線高速通信。FP-AO-200的兩路模擬輸出作為兩個比例閥的控制信號。FP-DO-400的 3路開關量輸出分別作為兩個增壓水泵以及加熱電阻絲繼電器的控制信號。

控制系統上位機采用西門子工控機，下位機采用西門子公司的S7-300系列PLC的CPU315-2DP，它包括3塊SM321數字量輸入模塊、2塊SM322數字量輸出模塊、1塊SM323數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，DP口通過PROFIBUS現場總線連接了遠程分布式 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塊數字量輸入模塊 SM321和 2塊數字量輸出模塊 SM323。ET200M 使用PROFIBUS總線連接了4臺直流調速器和18臺交流調速器以及裁斷位置控制器和截斷人機界面TP27。如圖3所示：

圖3 PROFIBUS總線

采用 PROFIBUS總線通信聯網具有如下優點：它是目前最成功的現場總線之一，是不依賴于生產廠家的、開放的現場總線，各種各樣的自動化設備都可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS-DP用于傳感器和驅動器級的高速數據傳送，是一種經過優化的模塊，適用于系統與外部設備的通信，在網絡實驗室分布式系統尤為適合。

3．系統軟件設計

采用沈陽自動化研究所研制的 SIACON-H1Config，該軟件具有在線與離線組態能力。組態軟件包含接口程序、組態程序和 OPC 服務器等 3 部分。接口程序(Init)負責組態程序與底層物理設備的數據通信；組態程序是組態軟件的主程序；OPC 服務器可以向 HMI 軟件等應用程序提供訪問現場數據的標準接口。系統控制程序采用模塊化的編程思想，主要采用功能強大的語句表來進行程序的編寫，將不同的控制功能用不同的程序功能塊來實現，它使程序可讀性、可移植性、易維護性大大的加強。本聯動線控制程序從循環執行主程序：組織塊OB1開始依次調用各個子程序和功能塊，各子程序的功能塊用于完成聯動線系統某一部分的邏輯控制如液壓系統控制機頭的開合模或實現系統某一特定功能如通過總線讀寫控制字、狀態字。程序從OB1開始順序調用主機程序FC16和輔助程序FC17。接著，主機程序FC16再調用機頭開合模程序FC15、直流電機控制程序FC18、機頭報警程序FC25和七段BCD數碼表顯示值標度變換程序FC29等；輔助程序又調用了控制程序FC14、各段輥道電機速度鏈整定程序FC3、各輥道變頻電機控制程序FC14等。在直流電機控制程序中調用了STEP7中的系統功能SFC14、SFC15通過PROFIBUS-DP網絡去讀、寫直流調速器的狀態字（包括擠出機的螺桿轉速和擠出電流等）和控制字。在用戶程序中除了編寫主程序OB1外，還編寫了OB35循環程序、OB80循環程序、OB81電源故障、OB100完全重啟等組織塊用以實現模塊的濾波和系統的重啟等。聯動線子程序流程圖4如下：

圖4 模塊化子程序流程圖

4．效益分析及應用前景

PROFIBUS現場總線技術在工業應用領域、實驗室系統、科研領域的應用從某種意義上說還沒完全展開，現場設備之間的通信技術還沒發展完善，有必要借助于科研力量作為現場總線技術發展的強大動力。此平臺的建成就較好地滿足了教學的需要。通過這個平臺，科研人員可以深入地剖析PROFIBUS 現場總線的機理，學習如何構建更加復雜、實用的 PROFIBUS現場總線控制系統，以運用到實際的工業生產當中去。同時，科研人員還可以通過此平臺進行一些復雜的過程控制試驗，用以驗證一些先進的控制算法。

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