网络化管理的继电接触控制实验教学平台研究

陈永健

（闽南理工学院，福建 石狮 362700）

PROFIBUS现场总线技术是自动化发展的新技术，正向着开放的国际统一的方向发展，成为共同遵守的国际规范，它所涉及的技术和应用领域十分广泛。传统的继电接触控制实验平台只局限于独立控制而且开关点多、使用故障率高，目前的继电接触控制实验系统采用集中式控制，其控制功能由控制室设备完成，设备与仪表之间无法实现分散式的管理与信息交换。这种集中的控制方式必然导致危险性的集中，给管理与设备故障检修带来很大的不便。在继电接触控制实验室内引入现场总线技术，使得现场仪表之间、现场仪表与控制室设备之间构成网络互连标准，这样系统的控制功能分散得比较彻底，加上全数字化，形成了自动化领域的开放系统互连网络、形成了全分布式网络集成化的自动系统。

1．系统总体结构设计

继电接触控制实验系统包括 PROFIBUS现场总线和现场控制模型两个部分。现场控制模型可以利用实验室的原有设备，从而节约了投资。原有的模拟仪表可以通过电流信号到现场总线信号变送器转接到现场总线。

1.1 系统拓扑结构

由于本系统是实验室系统，整个控制系统的尺寸范围很有限，所以所有的接线部件、电源调节器和终端器都可以接到同一个总线端子排，从而形成星型结构。当然从逻辑上说，它仍然是总线型的。本实验系统的一个终端器位于总线电源内，另一个直接接到总线端子排。拓扑结构如图1所示。

图 1 实验系统拓扑结构

1.2 系统安全与冗余设计

虽然 PROFIBUS不支持介质冗余，但仍然有多种实现冗余的办法。通过使用主机 PID进行控制，现场设备 PID控制作为备用。当主机系统出现故障时，自动无扰切换到现场 PID控制，从而实现控制器冗余。具体实现方案如图 2所示。

图2 冗余实现方案

2．硬件结构设计

主机系统是NI公司的产品，FP-3000具有总线H1接口的网络接口模块，它与FP-AO-200和FP-DO-400分布式I/O模块组装在一起，并通过内部总线高速通信。FP-AO-200的两路模拟输出作为两个比例阀的控制信号。FP-DO-400的 3路开关量输出分别作为两个增压水泵以及加热电阻丝继电器的控制信号。

控制系统上位机采用西门子工控机，下位机采用西门子公司的S7-300系列PLC的CPU315-2DP，它包括3块SM321数字量输入模块、2块SM322数字量输出模块、1块SM323数字量输入输出以及一块通信处理器 CP340。315-2DP的MPI连接到西门子工控机，DP口通过PROFIBUS现场总线连接了远程分布式 IPO ET200，它包括了 1块接口模块IM153-1、2块模拟量输入模块SM331、4块数字量输入模块 SM321和 2块数字量输出模块 SM323。ET200M 使用PROFIBUS总线连接了4台直流调速器和18台交流调速器以及裁断位置控制器和截断人机界面TP27。如图3所示：

图3 PROFIBUS总线

采用 PROFIBUS总线通信联网具有如下优点：它是目前最成功的现场总线之一，是不依赖于生产厂家的、开放的现场总线，各种各样的自动化设备都可以通过同样的接口交换信息。PROFIBUS-DP用于传感器和驱动器级的高速数据传送，是一种经过优化的模块，适用于系统与外部设备的通信，在网络实验室分布式系统尤为适合。

3．系统软件设计

采用沈阳自动化研究所研制的 SIACON-H1Config，该软件具有在线与离线组态能力。组态软件包含接口程序、组态程序和 OPC 服务器等 3 部分。接口程序(Init)负责组态程序与底层物理设备的数据通信；组态程序是组态软件的主程序；OPC 服务器可以向 HMI 软件等应用程序提供访问现场数据的标准接口。系统控制程序采用模块化的编程思想，主要采用功能强大的语句表来进行程序的编写，将不同的控制功能用不同的程序功能块来实现，它使程序可读性、可移植性、易维护性大大的加强。本联动线控制程序从循环执行主程序：组织块OB1开始依次调用各个子程序和功能块，各子程序的功能块用于完成联动线系统某一部分的逻辑控制如液压系统控制机头的开合模或实现系统某一特定功能如通过总线读写控制字、状态字。程序从OB1开始顺序调用主机程序FC16和辅助程序FC17。接着，主机程序FC16再调用机头开合模程序FC15、直流电机控制程序FC18、机头报警程序FC25和七段BCD数码表显示值标度变换程序FC29等；辅助程序又调用了控制程序FC14、各段辊道电机速度链整定程序FC3、各辊道变频电机控制程序FC14等。在直流电机控制程序中调用了STEP7中的系统功能SFC14、SFC15通过PROFIBUS-DP网络去读、写直流调速器的状态字（包括挤出机的螺杆转速和挤出电流等）和控制字。在用户程序中除了编写主程序OB1外，还编写了OB35循环程序、OB80循环程序、OB81电源故障、OB100完全重启等组织块用以实现模块的滤波和系统的重启等。联动线子程序流程图4如下：

图4 模块化子程序流程图

4．效益分析及应用前景

PROFIBUS现场总线技术在工业应用领域、实验室系统、科研领域的应用从某种意义上说还没完全展开，现场设备之间的通信技术还没发展完善，有必要借助于科研力量作为现场总线技术发展的强大动力。此平台的建成就较好地满足了教学的需要。通过这个平台，科研人员可以深入地剖析PROFIBUS 现场总线的机理，学习如何构建更加复杂、实用的 PROFIBUS现场总线控制系统，以运用到实际的工业生产当中去。同时，科研人员还可以通过此平台进行一些复杂的过程控制试验，用以验证一些先进的控制算法。

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