趙 鵬， 陳 飛， 孫 斌， 趙玉曉

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院， 杭州 310018)

·實(shí)習(xí)與實(shí)訓(xùn)·

FF總線(xiàn)&IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)

趙 鵬， 陳 飛， 孫 斌， 趙玉曉

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院， 杭州 310018)

為填補(bǔ)高?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)與IEC61131-3語(yǔ)言教學(xué)實(shí)訓(xùn)的空白，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)程儀表的監(jiān)測(cè)并對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)可應(yīng)用于計(jì)量檢定基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)?；贗EC61131-3語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)控制及各類(lèi)燈光控制的仿真。系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)程序編寫(xiě)，交互界面友好。將該系統(tǒng)用于實(shí)踐教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)； 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)； 過(guò)程儀表

0 引 言

在過(guò)去的20年中，工業(yè)過(guò)程控制儀表[1-2]一直采用著4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這種一對(duì)一的接線(xiàn)方式導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)到控制室的信號(hào)連線(xiàn)過(guò)多，增加了投入，采用這種連線(xiàn)方式進(jìn)行模擬信號(hào)的傳輸容易出現(xiàn)信號(hào)干擾，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著3C(Computer,Control,Communication)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)很好地解決了以上問(wèn)題，不僅節(jié)省了安裝及維護(hù)費(fèi)用，提高了系統(tǒng)控制精度及可靠性，同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)[3-4]中智能設(shè)備能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算等功能，因此可減少變送器數(shù)量，節(jié)約硬件數(shù)量與投資。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)放性，用戶(hù)可以任意選擇不同設(shè)備廠(chǎng)商的產(chǎn)品組成系統(tǒng)而不必過(guò)多考慮系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(FF)[5-6]是儀表和過(guò)程控制向數(shù)字化通信方向發(fā)展而形成的技術(shù)，是一種專(zhuān)為工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并得到了世界上主要自控設(shè)備供應(yīng)商支持的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，純粹的PLC系統(tǒng)會(huì)慢慢淡出工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，但是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用核心仍是基于PLC或PLC編程系統(tǒng)的用戶(hù)程序設(shè)計(jì)部分，而且基于PLC編程系統(tǒng)的使用會(huì)越來(lái)越多。在當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)中，大部分主站設(shè)備或控制軟件都支持IEC61131-3[7]，使用IEC61131-3語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為一種趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)，所以學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用，就必須學(xué)習(xí)和了解IEC61131-3編程語(yǔ)言。

國(guó)內(nèi)高校中，專(zhuān)為教學(xué)而設(shè)計(jì)的FF總線(xiàn)及IEC61131-3實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)仍基本處于空白狀態(tài)[8-10]。學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)所得內(nèi)容僅存在一個(gè)感性的認(rèn)知，而缺乏動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，課堂教學(xué)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)間始終存在著一條難以跨過(guò)的鴻溝，所以研制一套面向高校學(xué)生的FF總線(xiàn)及IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是非常必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用沈陽(yáng)中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)的新一代分布式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)NCS4000為核心，其適用于中、大規(guī)模工業(yè)控制環(huán)境，提供過(guò)程控制、邏輯控制功能，可以廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、焦化、污水處理、石油、化工等行業(yè)[11-12]。整個(gè)控制系統(tǒng)分為操作臺(tái)即人機(jī)交互、控制器、管路及現(xiàn)場(chǎng)儀表三部分[13]，控制系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，采用鋁型材及亞克力板組裝各個(gè)系統(tǒng)部分，采用模塊化組裝方式，拆裝方便，外形整潔美觀，并且學(xué)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及走線(xiàn)方式一目了然，對(duì)系統(tǒng)整體有著更加直觀的認(rèn)識(shí)。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

1.1 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)交互界面及控制程序的編寫(xiě)[14-15]。LabVIEW最大的特色是采用編譯型圖形化編程語(yǔ)言即G語(yǔ)言，較之傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言，LabVIEW有著開(kāi)發(fā)周期短，直觀形象等優(yōu)點(diǎn)，尤其是LabVIEW集成了豐富的工具包資源，以及提供了多種網(wǎng)絡(luò)接口，支持先進(jìn)的流動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，已在工業(yè)自動(dòng)化及測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域占有不可替代的地位。

1.2 控制系統(tǒng)模塊介紹

NCS4000控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)最主要的硬件平臺(tái)，如圖3所示。

圖3 NCS4000控制器

它采用FF總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義的高速以太網(wǎng)，提供100MB的網(wǎng)絡(luò)連接功能連接到工作站或交換機(jī)。本系統(tǒng)還選用2通道FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)H1協(xié)議模塊采集渦街流量計(jì)(E+H品牌)、熱式質(zhì)量氣體流量計(jì)(ABB品牌)和溫度變送器(E+H品牌)等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表信號(hào)；選用8通道4～20 mA電流輸入模塊采集渦輪流量計(jì)、壓力變送器及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋信號(hào)等傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)；選用8通道4～20 mA電流輸出模塊控制變頻器的頻率以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度；選用8通道24VDC數(shù)字輸入模塊及16通道24VDC數(shù)字輸出模塊分別連接按鈕及指示燈作為IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)的控制及指示元件。

1.3 管路及現(xiàn)場(chǎng)儀表

本系統(tǒng)管路及現(xiàn)場(chǎng)儀表示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)管路及現(xiàn)場(chǎng)儀表示意圖

系統(tǒng)采用可拆卸式模塊化不銹鋼管道組成整套管路系統(tǒng)，管徑為DN25，使用空氣作為介質(zhì)，采用離心式風(fēng)機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的氣源，其中風(fēng)量大小(0～30 m3/h)可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率(0～50Hz)進(jìn)行控制，風(fēng)機(jī)與不銹鋼管道采用軟管式連接，防止振動(dòng)傳入不銹鋼管路，氣體介質(zhì)進(jìn)入不銹鋼管路前會(huì)流經(jīng)擴(kuò)徑管路段，起到穩(wěn)定流場(chǎng)的作用。氣體介質(zhì)在主路上流經(jīng)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)及渦輪流量計(jì)進(jìn)入大氣，在支路上流經(jīng)渦街流量計(jì)及渦輪流量計(jì)進(jìn)入大氣，在各流量計(jì)上游部分安裝壓力變送器對(duì)管道壓力進(jìn)行監(jiān)控，在管道氣體介質(zhì)出口處安裝溫度變送器對(duì)介質(zhì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。主路與支路可通過(guò)手動(dòng)球閥進(jìn)行切換選擇，整個(gè)管路的流通面積可通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

2 FF總線(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備信號(hào)的采集，同時(shí)采用OPC[16]技術(shù)及Datasocket[17]技術(shù)通過(guò)I/O模塊對(duì)傳統(tǒng)儀表進(jìn)行信號(hào)采集或控制。

2.1 系統(tǒng)組態(tài)與OPC&Datasocket技術(shù)

系統(tǒng)基于NCS4000組態(tài)軟件，其組態(tài)流程如圖5所示, OPC(OLE for Process Control)是以微軟OLE/COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客服/服務(wù)器模式，定義了一套適用于過(guò)程控制應(yīng)用，支持過(guò)程數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、報(bào)警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)等的功能接口。Datasocket是NI公司提出的一種基于微軟COM/ActiveX技術(shù)的一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的供應(yīng)及Datasocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制及邏輯控制中的對(duì)象鏈接與嵌入。

圖5 系統(tǒng)組態(tài)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K介紹

FF總線(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分為儀表監(jiān)控實(shí)驗(yàn)、流量單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)、壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)及計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)4個(gè)模塊。

2.2.1 儀表監(jiān)控實(shí)驗(yàn)?zāi)K

儀表監(jiān)控實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示，界面按照NCS4000控制器各模塊將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)模塊化劃分。實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以在該界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表及傳統(tǒng)儀表信號(hào)的讀取，也可以手動(dòng)填寫(xiě)輸出信號(hào)值實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器頻率或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的控制。一方面，學(xué)生可以直觀地對(duì)比學(xué)習(xí)并深入了解現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表與傳統(tǒng)儀表的輸出信號(hào)的不同；另一方面，通過(guò)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)儀表故障可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表故障診斷的思維方式與實(shí)際解決問(wèn)題的能力。另外該界面還提供了數(shù)字I/O模塊的端口，方便學(xué)生進(jìn)行調(diào)試。

圖6 儀表監(jiān)控實(shí)驗(yàn)界面

2.2.2 單閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K

流量單閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)界面及實(shí)際控制曲線(xiàn)如圖7所示，顯示界面左上部分為過(guò)程曲線(xiàn)顯示區(qū)域，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以直觀的看到過(guò)程參數(shù)的變化歷史曲線(xiàn)，顯示界面右上部分為儀表過(guò)程參數(shù)顯示部分，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以在該區(qū)域讀取各個(gè)過(guò)程儀表的實(shí)時(shí)參數(shù)，顯示界面左下部分為整個(gè)管路系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表示意圖，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)學(xué)生操作的代入感，更加有助于學(xué)生了解掌握過(guò)程控制中各個(gè)環(huán)節(jié)，顯示界面右下部分為參數(shù)設(shè)置區(qū)域，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以選擇調(diào)節(jié)閥或者風(fēng)機(jī)來(lái)控制介質(zhì)流量大小，可以選擇流量?jī)x表顯示作為被控變量參數(shù)，可以進(jìn)行PID控制各參數(shù)的設(shè)置并控制實(shí)驗(yàn)的啟停。

(a) 實(shí)驗(yàn)界面

(b) 實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)原理同流量單閉環(huán)相似，在此將不再贅述。

2.2.3 計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)?zāi)K

計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)界面如圖8所示。

實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以依托該實(shí)驗(yàn)?zāi)K了解并掌握標(biāo)準(zhǔn)表法計(jì)量檢定的流程及量值傳遞與溯源的相關(guān)理論知識(shí)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作靈活多樣，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以自主選擇檢定方案，可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表進(jìn)行不同組合的選擇，同時(shí)對(duì)流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行選擇，不僅如此，該實(shí)驗(yàn)既可以依據(jù)檢定規(guī)程進(jìn)行檢定點(diǎn)的手動(dòng)設(shè)置，也可以自主設(shè)計(jì)先進(jìn)的自動(dòng)檢定方案。對(duì)計(jì)量檢定相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生有著良好的教學(xué)效果。

圖8 計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)界面

3 IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

NCS4000支持IEC61131-3提供的5種PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，該系統(tǒng)在NCS4000編程環(huán)境中使用梯形圖(LD)進(jìn)行下位機(jī)程序編寫(xiě)，在上位機(jī)使用LabVIEW編程環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用OPC技術(shù)及Datasocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)的通訊。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K介紹

IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分為循環(huán)燈實(shí)驗(yàn)?zāi)K和電機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)模塊下又分為多個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)模塊

3.1.1 循環(huán)燈實(shí)驗(yàn)?zāi)K

循環(huán)燈實(shí)驗(yàn)中以交通燈為例，其實(shí)驗(yàn)界面如圖10所示，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以通過(guò)燈類(lèi)實(shí)驗(yàn)，了解IEC61131-3語(yǔ)言中梯形圖的編程方法，同時(shí)可以掌握控制時(shí)序、定時(shí)器等的應(yīng)用。值得一提的是，該系統(tǒng)操作臺(tái)上有8路按鈕開(kāi)關(guān)以及16路指示燈，所有的接口都是開(kāi)放的，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以自主接線(xiàn)至控制器I/O模塊，并進(jìn)行下位機(jī)及上位機(jī)程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)特定的功能，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

圖10 交通燈實(shí)驗(yàn)界面

3.1.2 電機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)

電機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)中以順序啟動(dòng)為例，其實(shí)驗(yàn)界面如圖11所示，顯示界面左側(cè)部分為電機(jī)動(dòng)畫(huà)示意，可以直觀的顯示電路連接及電機(jī)停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等狀態(tài)。顯示界面中上部分為電氣節(jié)點(diǎn)示意圖，可以直觀的顯示控制器模塊及各節(jié)點(diǎn)的通斷狀態(tài)。界面中下部分為梯形圖示意圖，該梯形圖同NCS4000編程環(huán)境下的梯形圖一致，并通過(guò)OPC技術(shù)及Datasocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)程序的同步顯示，更加有利于學(xué)生對(duì)梯形圖編程的深入理解。顯示界面右側(cè)為控制開(kāi)關(guān)機(jī)控制按鈕，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)或按鈕的操作實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，提高動(dòng)手操作能力。該系統(tǒng)無(wú)需電機(jī)實(shí)物即可實(shí)現(xiàn)功能仿真，同時(shí)，也可擴(kuò)展接入電機(jī)等被控對(duì)象進(jìn)行半實(shí)物仿真。

圖11 電機(jī)順序啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

作者設(shè)計(jì)研發(fā)的FF總線(xiàn)&IEC61131-3語(yǔ)言實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，填補(bǔ)了高校教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的一項(xiàng)空白。采用全透明框架設(shè)計(jì)，外形美觀大方，實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以自主了解所有管路結(jié)構(gòu)及儀表接線(xiàn)。系統(tǒng)可面向現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、PLC等相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，同時(shí)可以作為儀器儀表、過(guò)程控制、自控原理、計(jì)量檢定、虛擬儀器等多課程的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)訓(xùn)及教學(xué)效果良好。該系統(tǒng)更提供了一個(gè)設(shè)計(jì)、研發(fā)平臺(tái)，學(xué)生可以在該平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)可作科研項(xiàng)目平臺(tái)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

趙 鵬(1989-)，男，江蘇徐州人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理工作。

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

TP 273.5

A

1006-7167(2017)06-0235-05