基于现场总线的高级过程控制系统设计
【摘 要】本文论述了采用现场总线技术（FCS）实现的高级过程控制系统的设计。本控制系统的开发对目前高校进行实验室建设以及摆脱实验室设备与生产现场脱节严重的现状有一定的现实意义。
【关键词】现场总线；PLC；WINCC
实验室现有设备，控制方式比较落后，实验内容单一，接线简单，无法更好地锻炼学生的动手能力，并且和现代企业当中所使用的先进控制方式相脱节，无法适应现在突飞猛进的发展。目前过程控制系统最新的发展方向是采用现场总线控制系统进行控制，为了让学生能够接触最新的过程控制技术，以已有过程控制系统为对象，在不增加设备和成本的前提下，对原有系统进行分析研究，建立一套以西门子PROFIBUS-DP现场总线为基础的，接近于生产的现场总线控制系统。
1.控制系统结构
系统总体构成分为四层，第一层为信息层，主要完成集中监控，集中协调控制等，采用工业以太网(TCP/PI),用于监控PC机和主站PLC之间的通讯；第二层为S7-300PLC主站,采用RPOFBIUS-DP现场总线，用于PLC主站和分布式I/O、变频器从站之间的通讯。第三层为分布式I/O、变频器从站层，采用RPOFBIUS-PA现场总线，用于DP链路和智能仪表之间的通讯，第四层为设备层。
2.硬件设计
2.1 硬件选型
根据设计要求，其具体硬件选型如表2-1所示
表2-1控制系统硬件选型
设备名称 设备型号 生产厂家 货号
DC 24V CPU
ET 200M
ET 200M
SM331
SM332
变频器 PC 307(5A)
CPU315-2DP
MI153-1
MI153-2
AI8×12BIT
A04×12BIT
MICROMASTER 440 SIEMENS
SIEMENS
SIEMENS
SIEMENS
SIEMENS
SIEMENS
SIEMENS 307-1EA01-0AA0
315-2AG10-0AB0
153-1AA03-0XB0
153-2BA82-0XB0
331-7KF02-0AB0
332-5HD01-0AB0
6SE6420-2AB15-5AA1
2.1.1压力传感器、变送器型号
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为二线制原因，所以工作时需串接24V直流电源
图1-1 系统结构图
图2.1 硬件组态
2.1.2被控对象
包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。
2.1.3电磁阀的选择
在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。
2.1.4调节阀的选择
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度。
2.1.5水泵的选择
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W为三相380V恒压驱动。
2.2 硬件组态
系统硬件组态如图2.1所示。
3.软件设计
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SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC。
3.1 WINCC通讯连接和组态画面
WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据通讯硬件配置选取正确的通讯连接方式。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。
WICC组态好的画面如图3.1所示。
图3.1 组态画面
3.2 程序编写
STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。程序流程图如图4.1。
4.结束语
随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍，如何把这种能体现现代控制主流的技术应用到教学中，是现在高级过程控制系统开发所要解决的主要问题。
本现场总线控制系统，在原有传统过程控制实验装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采用工业以太网与上位机进行通讯和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化。
图4.1
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