FF总线&IEC61131-3语言实训系统研发

赵 鹏， 陈 飞， 孙 斌， 赵玉晓

(中国计量大学 计量测试工程学院， 杭州 310018)

·实习与实训·

FF总线&IEC61131-3语言实训系统研发

赵 鹏， 陈 飞， 孙 斌， 赵玉晓

(中国计量大学 计量测试工程学院， 杭州 310018)

为填补高校现场总线教学实训与IEC61131-3语言教学实训的空白，设计研发了一套实训系统。该系统基于基金会现场总线实现了对过程仪表的监测并对过程参数进行控制，同时可应用于计量检定基础知识教学。基于IEC61131-3语言实现了对电机控制及各类灯光控制的仿真。系统采用LabVIEW进行上位机程序编写，交互界面友好。将该系统用于实践教学中，取得了良好的教学效果。

基金会现场总线； 实训系统； 过程仪表

0 引 言

在过去的20年中，工业过程控制仪表[1-2]一直采用着4～20mA的标准信号。这种一对一的接线方式导致现场到控制室的信号连线过多，增加了投入，采用这种连线方式进行模拟信号的传输容易出现信号干扰，降低了系统的稳定性与可靠性。随着3C(Computer,Control,Communication)技术的发展，现场总线技术很好地解决了以上问题，不仅节省了安装及维护费用，提高了系统控制精度及可靠性，同时，由于现场总线系统[3-4]中智能设备能直接执行传感、控制、报警和计算等功能，因此可减少变送器数量，节约硬件数量与投资。同时，由于现场总线的开放性，用户可以任意选择不同设备厂商的产品组成系统而不必过多考虑系统的兼容性问题。基金会现场总线(FF)[5-6]是仪表和过程控制向数字化通信方向发展而形成的技术，是一种专为工业过程控制应用而设计，并得到了世界上主要自控设备供应商支持的现场总线技术。

随着现场总线技术的发展，纯粹的PLC系统会慢慢淡出工业自动化技术领域，但是现场总线的应用核心仍是基于PLC或PLC编程系统的用户程序设计部分，而且基于PLC编程系统的使用会越来越多。在当前现场总线控制系统中，大部分主站设备或控制软件都支持IEC61131-3[7]，使用IEC61131-3语言进行程序设计已成为一种趋势和现实，所以学习现场总线技术及其应用，就必须学习和了解IEC61131-3编程语言。

国内高校中，专为教学而设计的FF总线及IEC61131-3实训系统仍基本处于空白状态[8-10]。学生对课堂教学所得内容仅存在一个感性的认知，而缺乏动手实践的机会，课堂教学与工业现场间始终存在着一条难以跨过的鸿沟，所以研制一套面向高校学生的FF总线及IEC61131-3语言实训系统是非常必要的。

1 系统总体设计

本系统采用沈阳中科博微自动化技术有限公司研发的新一代分布式现场总线控制系统NCS4000为核心，其适用于中、大规模工业控制环境，提供过程控制、逻辑控制功能，可以广泛应用于冶金、水泥、焦化、污水处理、石油、化工等行业[11-12]。整个控制系统分为操作台即人机交互、控制器、管路及现场仪表三部分[13]，控制系统框架如图1所示。系统实物图如图2所示，采用铝型材及亚克力板组装各个系统部分，采用模块化组装方式，拆装方便，外形整洁美观，并且学生对系统结构及走线方式一目了然，对系统整体有着更加直观的认识。

图1 控制系统框架图

图2 系统实物图

1.1 人机交互设计

本系统采用美国国家仪器(NI)公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)平台进行人机交互界面及控制程序的编写[14-15]。LabVIEW最大的特色是采用编译型图形化编程语言即G语言，较之传统的文本语言，LabVIEW有着开发周期短，直观形象等优点，尤其是LabVIEW集成了丰富的工具包资源，以及提供了多种网络接口，支持先进的流动数据传输等先进技术，已在工业自动化及测试测量领域占有不可替代的地位。

1.2 控制系统模块介绍

NCS4000控制器是整个控制系统最主要的硬件平台，如图3所示。

图3 NCS4000控制器

它采用FF总线标准定义的高速以太网，提供100MB的网络连接功能连接到工作站或交换机。本系统还选用2通道FF现场总线H1协议模块采集涡街流量计(E+H品牌)、热式质量气体流量计(ABB品牌)和温度变送器(E+H品牌)等现场总线仪表信号；选用8通道4～20 mA电流输入模块采集涡轮流量计、压力变送器及电动调节阀反馈信号等传统的标准4～20 mA电流信号；选用8通道4～20 mA电流输出模块控制变频器的频率以及电动调节阀的开度；选用8通道24VDC数字输入模块及16通道24VDC数字输出模块分别连接按钮及指示灯作为IEC61131-3语言实训的控制及指示元件。

1.3 管路及现场仪表

本系统管路及现场仪表示意图如图4所示。

图4 系统管路及现场仪表示意图

系统采用可拆卸式模块化不锈钢管道组成整套管路系统，管径为DN25，使用空气作为介质，采用离心式风机作为整个系统的气源，其中风量大小(0～30 m3/h)可通过调节变频器的频率(0～50Hz)进行控制，风机与不锈钢管道采用软管式连接，防止振动传入不锈钢管路，气体介质进入不锈钢管路前会流经扩径管路段，起到稳定流场的作用。气体介质在主路上流经热式气体质量流量计及涡轮流量计进入大气，在支路上流经涡街流量计及涡轮流量计进入大气，在各流量计上游部分安装压力变送器对管道压力进行监控，在管道气体介质出口处安装温度变送器对介质温度进行监控。主路与支路可通过手动球阀进行切换选择，整个管路的流通面积可通过电动调节阀进行控制。

2 FF总线实训系统

系统通过对现场总线设备的组态，实现对现场总线设备信号的采集，同时采用OPC[16]技术及Datasocket[17]技术通过I/O模块对传统仪表进行信号采集或控制。

2.1 系统组态与OPC&Datasocket技术

系统基于NCS4000组态软件，其组态流程如图5所示, OPC(OLE for Process Control)是以微软OLE/COM/DCOM技术为基础，采用客服/服务器模式，定义了一套适用于过程控制应用，支持过程数据访问、报警、事件与历史数据访问等的功能接口。Datasocket是NI公司提出的一种基于微软COM/ActiveX技术的一种网络通信技术。本系统采用OPC技术实现数据的供应及Datasocket技术实现数据的共享，从而实现过程控制及逻辑控制中的对象链接与嵌入。

图5 系统组态流程图

2.2 实验模块介绍

FF总线实训系统分为仪表监控实验、流量单闭环实验、压力单闭环实验及计量检定实验4个模块。

2.2.1 仪表监控实验模块

仪表监控实验界面如图6所示，界面按照NCS4000控制器各模块将现场信号模块化划分。实训学生可以在该界面上实现对现场总线仪表及传统仪表信号的读取，也可以手动填写输出信号值实现对变频器频率或电动调节阀开度的控制。一方面，学生可以直观地对比学习并深入了解现场总线仪表与传统仪表的输出信号的不同；另一方面，通过设置现场仪表故障可以培养学生对现场仪表故障诊断的思维方式与实际解决问题的能力。另外该界面还提供了数字I/O模块的端口，方便学生进行调试。

图6 仪表监控实验界面

2.2.2 单闭环控制实验模块

流量单闭环控制实验界面及实际控制曲线如图7所示，显示界面左上部分为过程曲线显示区域，实训学生可以直观的看到过程参数的变化历史曲线，显示界面右上部分为仪表过程参数显示部分，实训学生可以在该区域读取各个过程仪表的实时参数，显示界面左下部分为整个管路系统及现场仪表示意图，增强实训学生操作的代入感，更加有助于学生了解掌握过程控制中各个环节，显示界面右下部分为参数设置区域，实训学生可以选择调节阀或者风机来控制介质流量大小，可以选择流量仪表显示作为被控变量参数，可以进行PID控制各参数的设置并控制实验的启停。

(a) 实验界面

(b) 实验曲线

压力单闭环实验原理同流量单闭环相似，在此将不再赘述。

2.2.3 计量检定实验模块

计量检定实验界面如图8所示。

实训学生可以依托该实验模块了解并掌握标准表法计量检定的流程及量值传递与溯源的相关理论知识。该实验模块操作灵活多样，实训学生可以自主选择检定方案，可对标准表及被检表进行不同组合的选择，同时对流量调节方式进行选择，不仅如此，该实验既可以依据检定规程进行检定点的手动设置，也可以自主设计先进的自动检定方案。对计量检定相关专业学生有着良好的教学效果。

图8 计量检定实验界面

3 IEC61131-3语言实训系统

NCS4000支持IEC61131-3提供的5种PLC的标准编程语言，该系统在NCS4000编程环境中使用梯形图(LD)进行下位机程序编写，在上位机使用LabVIEW编程环境进行人机交互界面的设计，系统采用OPC技术及Datasocket技术实现上位机与下位机数据的通讯。

3.1 实验模块介绍

IEC61131-3语言实训系统分为循环灯实验模块和电机类实验模块，每个模块下又分为多个实验，如图9所示。

图9 IEC61131-3语言实训模块

3.1.1 循环灯实验模块

循环灯实验中以交通灯为例，其实验界面如图10所示，实训学生可以通过灯类实验，了解IEC61131-3语言中梯形图的编程方法，同时可以掌握控制时序、定时器等的应用。值得一提的是，该系统操作台上有8路按钮开关以及16路指示灯，所有的接口都是开放的，实训学生可以自主接线至控制器I/O模块，并进行下位机及上位机程序的编写，实现特定的功能，提高实践动手能力。

图10 交通灯实验界面

3.1.2 电机类实验

电机类实验中以顺序启动为例，其实验界面如图11所示，显示界面左侧部分为电机动画示意，可以直观的显示电路连接及电机停止、正转、反转等状态。显示界面中上部分为电气节点示意图，可以直观的显示控制器模块及各节点的通断状态。界面中下部分为梯形图示意图，该梯形图同NCS4000编程环境下的梯形图一致，并通过OPC技术及Datasocket技术实现与下位机程序的同步显示，更加有利于学生对梯形图编程的深入理解。显示界面右侧为控制开关机控制按钮，实训学生可以通过对开关或按钮的操作实现各项功能，提高动手操作能力。该系统无需电机实物即可实现功能仿真，同时，也可扩展接入电机等被控对象进行半实物仿真。

图11 电机顺序启动实验界面

4 结 语

作者设计研发的FF总线&IEC61131-3语言实训系统，填补了高校教学实训系统的一项空白。采用全透明框架设计，外形美观大方，实训学生可以自主了解所有管路结构及仪表接线。系统可面向现场总线、PLC等相关专业学生提供实训平台，同时可以作为仪器仪表、过程控制、自控原理、计量检定、虚拟仪器等多课程的教学平台，实训及教学效果良好。该系统更提供了一个设计、研发平台，学生可以在该平台上自主设计、扩展实验项目，同时可作科研项目平台使用。

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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

赵 鹏(1989-)，男，江苏徐州人，硕士，助理实验师，研究方向：实验室仪器设备管理工作。

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

TP 273.5

A

1006-7167(2017)06-0235-05