基于西门子S7-300 PLC的过程控制实验平台设计

2018-05-21窦晨超冯晓会

实验室研究与探索 2018年4期

汤伟, 窦晨超, 冯晓会

(陕西科技大学工业自动化研究所，西安 710021)

0 引言

过程控制是自动化及其相关专业的重要专业课，具有理论性与实践性并重的特点[1-4]。切实掌握过程控制课程内容，实验教学环节必不可少。然而，许多高校实验系统并不完善，导致过程控制实验教学趋于形式化，学生对实验的理解停留于表面。因此，设计、开发一套性能优越、功能完善的过程控制实验平台对提高过程控制教学质量和培养学生工程实践能力具有重要意义[5-8]。

本文过程控制实验平台是以自主研制的小型多参数三容水箱实验装置为被控对象，通过人机交互界面和对应的硬件连接，向实验装置上的执行机构发出控制信号，采集各检测仪表发出的电压或者电流信号进行处理，并将各类数据以曲线或者直接显示的方式表现出来的一套完整的实验系统。

1 实验平台总体设计方案

本过程控制实验平台设计基于“过程控制”及相关课程教学大纲的要求，采用最典型的“上位机-PLC-被控对象”系统结构完成数据的采集和处理，其结构示意图如图1所示。

图1 实验平台结构示意图

其中，作为被控对象的物理实验装置选用本课题组自主研制的小型多参数三容水箱实验装置。上位机中选取目前使用较多且功能完善的西门子工业组态软件SIMATIC WinCC V7.0进行监控界面设计[9]。下位机选取模块式的西门子SIMATIC S7-300 PLC，负责完成实验平台的数据采集与处理，接收来自上位机的操作信号以及实物实验的相关逻辑控制等[10]。

上位机与下位机采用易实现的以太网进行实时通信，上位机中可编写相应的程序，组态界面等，然后下载到PLC控制器中，通过通信通道、模拟/数字量的输入/输出通道实现与实验设备之间的通信，从而完成整个实验平台的运行。

2 硬件设计

2.1 物理实验装置搭建

该实验装置的基本工作流程是水经由水泵从蓄水箱中流入水箱01、水箱02、水箱03，再经由相对应的管路回到蓄水箱中，形成水的循环流动，其结构示意图如图2所示。

图2 物理实验装置结构示意图

通过21个阀门的开关切换可以组成5条不同的工艺回路，从蓄水箱连接至泵02，经过水箱03到水箱02，再回到蓄水箱，形成循环水路L1；从蓄水箱连接至泵02，经过电磁阀02到水箱02，再回到蓄水箱，形成循环水路L2；从蓄水箱连接至泵01，经过电动调节阀01到水箱02，再回到蓄水箱，形成循环水路L3；从蓄水箱连接至泵01，经过动调节阀01到水箱01，再到水箱02，最终回到蓄水箱，形成循环水路L4；从蓄水箱连接至泵01，经过动调节阀01到盘管，再到水箱02，最终回到蓄水箱，形成循环水路L5。各循环水路可以单独使用，也可以左右循环水路结合起来完成更加复杂的实验项目。

2.2 控制系统硬件设计

本实验平台下位机选取西门子模块式的SIMATIC S7-300 PLC[11]，下位机主要负责液位、压力、温度、流量等过程参数信号的采集、转换以及控制运算与输出，同时也负责与上位机进行实时通信。实验平台控制系统硬件主要由PLC控制柜和MCC柜组成，系统框图如图3所示。

图3 硬件系统框图

在本系统中，S7-300 PLC由处理数据和与上位机进行交换数据的CPU315-2PN/DP模块、用于采集模拟量数据的SM331模块、用于输出模拟量数据的SM332模块、用于采集数字量信号的SM321模块、用于输出数字量信号的SM322模块以及电源模块组成，配以给PLC控制系统供电的24 V稳压电源，均放置在定制的控制柜内。通过统计，系统的I/O测控点为：模拟量输入信号(AI)16个，模拟量输出信号(AO)4个，数字量输入信号(DI)32个，数字量输出信号(DO)32个。

3 软件设计

本过程控制实验平台选用的编程软件与组态软件分别是STEP7 V5.5与WinCC V7.0。首先使用STEP7编程，将实际的硬件配置准确无误的下载到CPU中,然后在WinCC V7.0进行实验界面的设计。

3.1 上位机与下位机的通信实现

结合实际情况，本实验平台下位机PLC与上位机之间采用以太网通信[12-13]，CPU315-2PN/DP集成有PROFINET功能，无需额外添加通信模块和专门的编程电缆，利用上位机电脑自带的网卡，只需一根普通网线即可实现PLC与上位机的以太网通信，简单方便，经济实惠。

3.2 实验平台程序设计

SIMATIC S7-300 PLC是结构化编程的积极倡导者，在STEP7中，结构化的用户程序是以“块”的形式实现的，本实验平台的主程序设计，即确定OB1中的各子程序嵌套或调用的结构[14]。进行程序设计时，将设计任务分为模拟量采样、各设备的启停以及各实验项目实现等任务，其中各设备的启停分为变频器的启停和其他设备的启停，相对应地编写了FC105采样子程序、FC103启停子程序及FC1～FC12实验项目子程序。设计的主程序相对简单，具体程序结构如图4所示。

图4 OB1程序结构

对于各实验项目子程序通过两个常开触点和一个正跳沿检测产生调用信号，如图5所示。一个常开触点接收来自WinCC监控界面的信号，实现实验项目的选择；另一个常开触点接收来自CPU内部时钟的周期脉冲信号，辅以正跳沿检测，实现子程序运行结果的周期性输出。CPU内部时钟的周期脉冲信号获取如图6所示，在CPU的Cycle/Clock Memory选项卡中勾选Clock Memory，Memory byte设置为10，则M10.0～M10.7会产生不同周期的脉冲信号，在编写程序时可直接使用。

图5 实验项目子程序调用信号

图6 获取周期性脉冲信号

3.3 实验平台界面设计

实验平台操作界面是管理与实施整个过程控制实验平台的直接环节，实验平台界面设计包括登录界面设计和实验界面设计。登录界面设置了【登录】、【进入系统】、【退出系统】3个按钮，考虑到实验平台的安全性和规范性，将注意事项界面放在实验项目选择前。本实验平台设置了不同的登录名和登录密码，给“Administrator”设置全部权限，而“student”设置数值输入、过程控制、窗口选择等权限，如图7所示。

图7 用户管理器窗口

本实验平台的实验界面见图8，包括横栏、纵栏、实验区三部分。横栏中4个按钮用来选择实验项目类别，包括基础控制、复杂控制、提高性、仿真等实验，当按下按钮时按钮背景色呈现深灰色；纵栏包括实验选择和历史曲线两部分，实验选择中的按钮按下时背景色呈现浅蓝色，表示该实验被选中，同时实验区画面切换到该实验对应的画面，当历史曲线中显示画面按下查看LT101、LT201、LT103、FT101、FT201、PT201、TT101、TT201的变化曲线；实验区是各实验项目的工艺图，该工艺图仿实物绘制，图中使用的循环水路以红色标出，控制回路以虚线标出，便于学生理解实验原理和观察控制效果。各实验画面的切换均使用画面窗口实现。

图8 实验界面

图9 历史曲线界面

实验平台的历史曲线使用WinCC画面编辑器ActiveX控件中的WinCC Online TrendControl实现，该控件支持趋势、时间轴、数值轴、数据源、曲线形式等的在线调整，方便学生观察实验效果[15]。由于实验平台要求在实验界面反复切换时历史曲线不会被擦除，本实验平台的数据源选取归档变量，使用WinCCExplorer中的【变量记录】建立归档变量。

4 可开发实验项目列表

实验平台可开发各类过程控制实验，如表1所示。

表1 可开发实验列表

5 结语

根据对过程控制实验平台的需求分析，设计了一套基于西门子S7-300 PLC的过程控制实验平台，设计、制作了一套小型化的多参数三容水箱实验装置，以该实验装置为被控对象，设计了基于STEP7的实验项目程序、基于WinCC的监控界面设计等。实验平台设计充分考虑了工业现场的习惯，使学生对现场的实际操作等有直观的认识。

参考文献(References)：

[1] 邓晓燕,高红霞,黄道平，等. 过程控制工程实验课程教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索,2017,36(2):214-217.

[2] 赵越岭,王俊生. “过程控制系统”课程实验平台设计[J]. 辽宁工业大学学报(社会科学版),2014,16(4):54-56.

[3] 熊新民，李智强，孙丽君．过程控制课程综合性实验研究与实践[J]．实验室研究与探索，2011，30(11)：331-333．

[4] 刘科．过程控制教学实验系统设计研究[D]．北京：清华大学，2004．

[5] 杨光祥，梁华，曹晓莉，等．过程控制系统仿真与实践结合的实验教学设[J]．实验技术与管理，2013，30(1)：91-93．

[6] 李敏，邹涛，杨马英，等．过程控制系统综合性实验设计与教学实践[J]．实验技术与管理，2011，28(6)：100-104．

[7] 雷振伍,吴秀冰,孙德辉，等. 基于PCS7和Simulink的过程控制虚拟仿真实验平台开发[J]. 实验技术与管理,2016,33(1):135-139.

[8] 王晓芳，张继研，金路路．基于SIMATIC系统的先进控制理论实验平台的开发[J]．实验室研究与探索，2008，27(8)：207-209．

[9] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西门S7-300PLC[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004：5-7．

[10] 廖常初．S7-300/400 PLC应用技术[M]．2版.北京：机械工业出版社，2011：156-178．

[11] 高彬彬,李宇华,高丙朋，等. 基于S7-300PLC和组态软件的分布式温度控制系统[J]. 实验室研究与探索,2015,34(4):96-98.