基于Profbus的过程控制系统实验装置开发

艾 红

北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

基于Profbus的过程控制系统实验装置开发

艾 红

北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

介绍了现场总线控制系统实验装置，说明了现场总线仪表配置，阐述了S7-300现场总线控制系统硬件模块构成。在Profibus-PA总线上连接有压力变送器、温度传感器、电磁流量计以及电气阀门定位器，组成现场总线控制系统。说明了检测装置和执行机构以及现场总线仪表配置，实现了盘管出水口流量滞后控制。阐述了盘管出水口温度滞后控制的实现原理以及锅炉内胆水温定值控制程序主要语句设计。

现场总线；总线仪表； 滞后控制；锅炉

现场总线是自动化系统中把大量现场级设备相连的工业通讯系统，是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。常见的有CAN总线、LonWorks总线、Profibus总线和基金会现场总线等。我校自动化专业是北京市和国家级特色专业建设项目，与浙江天煌科技实业有限公司共同研制的过程控制多功能实验装置。通过巧妙设计，将设备分为两侧，分别是智能仪表侧和现场总线仪表侧。4 套多功能实验装置分别能做二十多个本科专业实验和开放课题研究。目前现场总线过程控制系统实验装置成功用于现场总线课程教学实验、自动控制系统综合实验、现场总线课程设计、学生开放实验以及毕业设计中。[1-2]

1 现场总线过程控制实验装置组成

1.1 Profibus过程控制系统实验装置

基于Profibus现场总线控制的实验设备，包括流量、温度、液位等热工参数，可实现系统被控参数测量、单回路控制、串级控制、前馈控制以及比值控制等多种控制形式。采用现场总线的压力变送器、电磁流量计、变频器、电动调节阀、温度变送器以及分布式I/O模块，为复杂控制系统、先进控制系统的研究提供了物理模拟对象和实现手段。系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用西门子的Step7，上位机软件采用西门子的WinCC。图1是现场总线过程控制系统实验装置。

图1 现场总线过程控制系统实验装置

现场总线过程控制系统的实验对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉和纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面有储水箱和两路供水系统。两路独立的供水系统分别由2只独立的水泵驱动供水。主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器以及温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合。总线控制柜由控制系统供电板、控制站和温度变送器构成。控制站主要由CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。[3,4]

1.2 现场总线仪表配置(见表1)

调节阀支路的流量检测采用S I E M E N S带Profibus-PA通信接口的检测和变送一体的电磁流量计。配有智能电气阀门定位器控制的气动调节阀。PLC中的CPU直接发送数字信号控制气动调节阀的阀门开度。

表1 现场总线仪表配置

2 实验装置实验内容开发

一个被调参数可以在不同动力源、不同执行器、不同工艺管路下演变成多种调节回路，便于比较各种调节方案的优劣。系统设计时使2个信号可以在对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定或者进行解耦实验，符合工业实际的性能要求。可以进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。实现锅炉内胆水温和锅炉夹套水温PID控制，水箱液位串级控制，上水箱液位与进水流量串级控制系统，锅炉内胆水温与水流量串级控制，下水箱液位前馈-反馈控制，锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统，并联水箱液位解耦控制，锅炉夹套与内胆水温解耦控制系统，盘管出水口温度滞后控制，盘管出水口流量纯滞后控制系统以及比值控制系统实验等。掌握解耦装置的设计及其物理实现方法。理解传输纯滞后的形成及其对系统动态性能的影响。掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。实现Profibus总线的模拟量显示，能够通过Profibus-DP总线或Profibus-PA总线实时显示水箱液位当前值，实现对水箱液位的定值控制。

实现Profibus-DP总线开关量监控系统，能够通过PLC上的按钮以及上位机操作点亮彩灯，并实时显示彩灯的状态。设计了多种选题。

(1)自动喷泉的PLC控制

利用16个彩灯代表16个喷头，选择4个按钮，采用S7-300PLC进行控制，实现4种以上的自动喷泉花样显示。

(2)自动售货机的控制设计选题

自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元和10元。售货共有3种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。如投币总额超过销售价格，可由退币钮找回余额。投币总额或当前值显示在7段数码管上。按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3秒后灯闪烁自动停止，表示饮料已经掉出。动作停止后按退币钮，可退回余额。

(3)装瓶流水线的PLC控制选题

用10盏灯模拟有选瓶、装瓶、盖盖、贴签、传送、成品入库生产线操作工序，并有启动、停止、移位、复位按钮，采用S7-300PLC进行控制，实现手动、自动等4种以上的装瓶流水线工序控制。

(4)十人投票机设计选题

当计票开关处于OFF时，不执行投票计算；当计票开关处于ON时，开始计时，此时需在5秒内完成投票即赞成与不赞成，5秒后立即显示投票结果。若显示灯Y0亮表示不通过即反对人数较多，显示灯Y1亮表示赞成与反对人数相等，显示灯Y2亮表示通过即赞成人数较多。当投票结果显示后，就不再接受任何信息，即使再次投票显示灯仍不会改变其结果。按下归零按钮后，所有显示灯熄灭，此时可再次进行投票。

(5)4层电梯模型的PLC控制选题

电梯模型由4层4站电梯对象、正反向继电器、轿厢、内选召唤按钮、外选召唤按钮、外呼指示灯、内选指示灯、楼层显示、上行和下行显示、平层电磁传感器检测等组成，采用S7-300PLC进行控制，实现对电机驱动，上行、下行的顺序控制，随机呼叫的优化控制，自动准确定位，上行、下行及平层指示灯显示和上位监控系统等功能。系统有启动、停止功能。轿厢开门、关门用指示灯显示。用WinCC监控组态软件，设计上位监控系统。

3 Profbus现场总线过程控制系统

为了实现基于现场总线的过程控制，需要在Step 7中完成一个完整的自动控制项目的下位机程序设计，进行硬件组态，建立组织块、功能函数块和数据块。循环中断组织块OB30～OB38按设定的时间间隔循环执行，循环中断的间隔时间在CPU属性中设定。在OB35循环中断组织块中用STL语句编写程序。在WinCC中建立与PLC的连接，组态变量进行画面组态。进行I/O域组态，实时曲线和历史曲线的组态，添加按钮动作。给画面添加多个按钮，名称分别为历史曲线、实时曲线、实验流程、数据报表以及退出实验等。

基于WinCC设计的Profibus现场总线过程控制实验装置总貌图如图2所示。

图2 Profibus现场总线过程控制实验装置总貌图

4 盘管出水口温度和流量滞后控制

4.1 盘管出水口温度滞后控制

现场总线过程控制实验装置中有一个小型锅炉，可以实现盘管出水口温度滞后控制实验。实验选择盘管出水口温度作为被控变量。如果忽略热水在盘管内流动时的热损耗，则可近似地把盘管视为一阶带纯滞后环节，它的传递函数为

式(1)中g1( s)是除去纯滞后和静态增益后的管道动态特性数学描述。

由特性测试可知，锅炉内胆的传递函数为

由式(1)和式(2)可得系统的传递函数为

实验系统中的滞后包括了内胆容量滞后和盘管传输滞后，而且内胆容量滞后时间一般要远大于盘管传输滞后。

4.2 盘管出水口流量滞后控制

盘管出水口流量滞后控制如图3所示。系统的被控量为盘管出水口流量Q，要求它等于系统的给定值，将盘管出口涡轮流量计检测到的流量信号作为反馈信号，与给定值进行比较后的差值通过调节器控制三相交流变频器的输出电压，达到控制盘管出口流量的目的。选择盘管出水口流量作为被控对象。

图3 盘管出水口流量滞后控制

5 锅炉内胆水温定值控制

要求锅炉内胆水温稳定到给定值，将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压即电加热管的端电压，以达到控制锅炉内胆水温的目的。由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长。程序设计主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移相调压模块输出的控制信号。锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器。程序设计中使用语句PV_ IN:=PID321实现过程变量输入是Profibus-PA总线上的温度信号，语句LMN_PER:=PQW272表示I/O格式的控制器输出值是PQW272。

6 结束语

现场总线过程控制系统实验装置采用S7-300 PLC，利用Step7进行硬件组态和编写控制算法程序，利用西门子组态软件WinCC实现串级、比值、前馈-反馈等控制系统的人机交互界面。装置采用了开放式结构，网孔板安装，仪表与控制对象组合灵活。管路采用快速接头结构，可以根据设计任务组合。因此很适合于学生的开放选题和毕业设计使用。现场总线过程控制实验装置设备先进，学生可以学习先进软件，编写控制算法，进行复杂控制系统的控制。实践证明，学生利用现场总线过程控制系统实验装置不仅熟悉了现场总线仪表使用，而且实现了基于STL语句表的控制算法编写，较好地体会了控制系统概念和控制系统的组成。

[1] 王志新,谷云东,李洪兴.三水箱多变量液位控制工程设计[J].工程技术与管理,2007,24(1):32-36.

[2] 王宗明,王振波,周昌静.突出石化特色,培养应用型复合人才[J].高教论坛,2009(2):53-54.

[3] 党选举,谭永红.过程控制课程的改革与建设[J].高教论坛,2011(5):71-72.

[4] 王鸿懿.“过程控制仪表”课程教学方法改革的探索与实践[J].中国电力教育,2008(127):39-40.

[5] 标准格式实验指导书DCS[EB/OL].http://wenku.baidu.com/ view/7397b03183c4bb4cf7ecd139.html.

[6] 王建晖；张立.锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统的实验教学方案设计[J].常熟理工学院学报,2011(6):106-109.

Development of Experimental Equipment for Process Control System Based on Profbus

Ai Hong
Beijing Information Science & Technology University， Beijing， 100192， China

This paper introduces the feld bus control system experiment device， the feld bus instrument confguration， the S7-300 feld bus control system hardware module. The Profbus-PA bus is connected with a pressure transmitter， temperature sensor， electromagnetic fow meter and electric valve positioned. This confgures feld bus control system. The detection device and the execution mechanism and feld bus instrument confguration are illustrated. The coil outlet fow hysteresis control is realized. The coil outlet temperature hysteresis control realization principle is illustrated. The boiler water temperature control programming design is expounded.

feld bus； feld bus instrument； delay control； boiler

2014-10-04

艾红，硕士，副教授，硕士生导师。

促进人才培养综合改革项目资助(编号：PXM2014_014224_000091)；北京信息科技大学2014年教学改革立项项目资助(编号：2014JG08)。