湯 偉, 竇晨超, 馮曉會(huì)

(陜西科技大學(xué) 工業(yè)自動(dòng)化研究所，西安 710021)

0 引 言

過(guò)程控制是自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課，具有理論性與實(shí)踐性并重的特點(diǎn)[1-4]。切實(shí)掌握過(guò)程控制課程內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少。然而，許多高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并不完善，導(dǎo)致過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)趨于形式化，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解停留于表面。因此，設(shè)計(jì)、開發(fā)一套性能優(yōu)越、功能完善的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提高過(guò)程控制教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力具有重要意義[5-8]。

本文過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以自主研制的小型多參數(shù)三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置為被控對(duì)象，通過(guò)人機(jī)交互界面和對(duì)應(yīng)的硬件連接，向?qū)嶒?yàn)裝置上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，采集各檢測(cè)儀表發(fā)出的電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行處理，并將各類數(shù)據(jù)以曲線或者直接顯示的方式表現(xiàn)出來(lái)的一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

本過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)基于“過(guò)程控制”及相關(guān)課程教學(xué)大綱的要求，采用最典型的“上位機(jī)-PLC-被控對(duì)象”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，作為被控對(duì)象的物理實(shí)驗(yàn)裝置選用本課題組自主研制的小型多參數(shù)三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置。上位機(jī)中選取目前使用較多且功能完善的西門子工業(yè)組態(tài)軟件SIMATIC WinCC V7.0進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)[9]。下位機(jī)選取模塊式的西門子SIMATIC S7-300 PLC，負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與處理，接收來(lái)自上位機(jī)的操作信號(hào)以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)的相關(guān)邏輯控制等[10]。

上位機(jī)與下位機(jī)采用易實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)中可編寫相應(yīng)的程序，組態(tài)界面等，然后下載到PLC控制器中，通過(guò)通信通道、模擬/數(shù)字量的輸入/輸出通道實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的通信，從而完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 物理實(shí)驗(yàn)裝置搭建

該實(shí)驗(yàn)裝置的基本工作流程是水經(jīng)由水泵從蓄水箱中流入水箱01、水箱02、水箱03，再經(jīng)由相對(duì)應(yīng)的管路回到蓄水箱中，形成水的循環(huán)流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 物理實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)21個(gè)閥門的開關(guān)切換可以組成5條不同的工藝回路，從蓄水箱連接至泵02，經(jīng)過(guò)水箱03到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環(huán)水路L1；從蓄水箱連接至泵02，經(jīng)過(guò)電磁閥02到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環(huán)水路L2；從蓄水箱連接至泵01，經(jīng)過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥01到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環(huán)水路L3；從蓄水箱連接至泵01，經(jīng)過(guò)動(dòng)調(diào)節(jié)閥01到水箱01，再到水箱02，最終回到蓄水箱，形成循環(huán)水路L4；從蓄水箱連接至泵01，經(jīng)過(guò)動(dòng)調(diào)節(jié)閥01到盤管，再到水箱02，最終回到蓄水箱，形成循環(huán)水路L5。各循環(huán)水路可以單獨(dú)使用，也可以左右循環(huán)水路結(jié)合起來(lái)完成更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)選取西門子模塊式的SIMATIC S7-300 PLC[11]，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)液位、壓力、溫度、流量等過(guò)程參數(shù)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換以及控制運(yùn)算與輸出，同時(shí)也負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要由PLC控制柜和MCC柜組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

在本系統(tǒng)中，S7-300 PLC由處理數(shù)據(jù)和與上位機(jī)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的CPU315-2PN/DP模塊、用于采集模擬量數(shù)據(jù)的SM331模塊、用于輸出模擬量數(shù)據(jù)的SM332模塊、用于采集數(shù)字量信號(hào)的SM321模塊、用于輸出數(shù)字量信號(hào)的SM322模塊以及電源模塊組成，配以給PLC控制系統(tǒng)供電的24 V穩(wěn)壓電源，均放置在定制的控制柜內(nèi)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)的I/O測(cè)控點(diǎn)為：模擬量輸入信號(hào)(AI)16個(gè)，模擬量輸出信號(hào)(AO)4個(gè)，數(shù)字量輸入信號(hào)(DI)32個(gè)，數(shù)字量輸出信號(hào)(DO)32個(gè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的編程軟件與組態(tài)軟件分別是STEP7 V5.5與WinCC V7.0。首先使用STEP7編程，將實(shí)際的硬件配置準(zhǔn)確無(wú)誤的下載到CPU中,然后在WinCC V7.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)。

3.1 上位機(jī)與下位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)

結(jié)合實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)PLC與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信[12-13]，CPU315-2PN/DP集成有PROFINET功能，無(wú)需額外添加通信模塊和專門的編程電纜，利用上位機(jī)電腦自帶的網(wǎng)卡，只需一根普通網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信，簡(jiǎn)單方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

SIMATIC S7-300 PLC是結(jié)構(gòu)化編程的積極倡導(dǎo)者，在STEP7中，結(jié)構(gòu)化的用戶程序是以“塊”的形式實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主程序設(shè)計(jì)，即確定OB1中的各子程序嵌套或調(diào)用的結(jié)構(gòu)[14]。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，將設(shè)計(jì)任務(wù)分為模擬量采樣、各設(shè)備的啟停以及各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)等任務(wù)，其中各設(shè)備的啟停分為變頻器的啟停和其他設(shè)備的啟停，相對(duì)應(yīng)地編寫了FC105采樣子程序、FC103啟停子程序及FC1～FC12實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序。設(shè)計(jì)的主程序相對(duì)簡(jiǎn)單，具體程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 OB1程序結(jié)構(gòu)

對(duì)于各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序通過(guò)兩個(gè)常開觸點(diǎn)和一個(gè)正跳沿檢測(cè)產(chǎn)生調(diào)用信號(hào)，如圖5所示。一個(gè)常開觸點(diǎn)接收來(lái)自WinCC監(jiān)控界面的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇；另一個(gè)常開觸點(diǎn)接收來(lái)自CPU內(nèi)部時(shí)鐘的周期脈沖信號(hào)，輔以正跳沿檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)子程序運(yùn)行結(jié)果的周期性輸出。CPU內(nèi)部時(shí)鐘的周期脈沖信號(hào)獲取如圖6所示，在CPU的Cycle/Clock Memory選項(xiàng)卡中勾選Clock Memory，Memory byte設(shè)置為10，則M10.0～M10.7會(huì)產(chǎn)生不同周期的脈沖信號(hào)，在編寫程序時(shí)可直接使用。

圖5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序調(diào)用信號(hào)

圖6 獲取周期性脈沖信號(hào)

3.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作界面是管理與實(shí)施整個(gè)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直接環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)包括登錄界面設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)。登錄界面設(shè)置了【登錄】、【進(jìn)入系統(tǒng)】、【退出系統(tǒng)】3個(gè)按鈕，考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安全性和規(guī)范性，將注意事項(xiàng)界面放在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇前。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置了不同的登錄名和登錄密碼，給“Administrator”設(shè)置全部權(quán)限，而“student”設(shè)置數(shù)值輸入、過(guò)程控制、窗口選擇等權(quán)限，如圖7所示。

圖7 用戶管理器窗口

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)界面見(jiàn)圖8，包括橫欄、縱欄、實(shí)驗(yàn)區(qū)三部分。橫欄中4個(gè)按鈕用來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別，包括基礎(chǔ)控制、復(fù)雜控制、提高性、仿真等實(shí)驗(yàn)，當(dāng)按下按鈕時(shí)按鈕背景色呈現(xiàn)深灰色；縱欄包括實(shí)驗(yàn)選擇和歷史曲線兩部分，實(shí)驗(yàn)選擇中的按鈕按下時(shí)背景色呈現(xiàn)淺藍(lán)色，表示該實(shí)驗(yàn)被選中，同時(shí)實(shí)驗(yàn)區(qū)畫面切換到該實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的畫面，當(dāng)歷史曲線中顯示畫面按下查看LT101、LT201、LT103、FT101、FT201、PT201、TT101、TT201的變化曲線；實(shí)驗(yàn)區(qū)是各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的工藝圖，該工藝圖仿實(shí)物繪制，圖中使用的循環(huán)水路以紅色標(biāo)出，控制回路以虛線標(biāo)出，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理和觀察控制效果。各實(shí)驗(yàn)畫面的切換均使用畫面窗口實(shí)現(xiàn)。

圖8 實(shí)驗(yàn)界面

圖9 歷史曲線界面

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的歷史曲線使用WinCC畫面編輯器ActiveX控件中的WinCC Online TrendControl實(shí)現(xiàn)，該控件支持趨勢(shì)、時(shí)間軸、數(shù)值軸、數(shù)據(jù)源、曲線形式等的在線調(diào)整，方便學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)效果[15]。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求在實(shí)驗(yàn)界面反復(fù)切換時(shí)歷史曲線不會(huì)被擦除，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)源選取歸檔變量，使用WinCCExplorer中的【變量記錄】建立歸檔變量。

4 可開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可開發(fā)各類過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 可開發(fā)實(shí)驗(yàn)列表

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求分析，設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7-300 PLC的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)、制作了一套小型化的多參數(shù)三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置，以該實(shí)驗(yàn)裝置為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于STEP7的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目程序、基于WinCC的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的習(xí)慣，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作等有直觀的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 鄧曉燕,高紅霞,黃道平，等. 過(guò)程控制工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(2):214-217.

[2] 趙越嶺,王俊生. “過(guò)程控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2014,16(4):54-56.

[3] 熊新民，李智強(qiáng)，孫麗君．過(guò)程控制課程綜合性實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(11)：331-333．

[4] 劉 科．過(guò)程控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]．北京：清華大學(xué)，2004．

[5] 楊光祥，梁 華，曹曉莉，等．過(guò)程控制系統(tǒng)仿真與實(shí)踐結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(1)：91-93．

[6] 李 敏，鄒 濤，楊馬英，等．過(guò)程控制系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(6)：100-104．

[7] 雷振伍,吳秀冰,孫德輝，等. 基于PCS7和Simulink的過(guò)程控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(1):135-139.

[8] 王曉芳，張繼研，金路路．基于SIMATIC系統(tǒng)的先進(jìn)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(8)：207-209．

[9] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)．深入淺出西門S7-300PLC[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：5-7．

[10] 廖常初．S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]．2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：156-178．

[11] 高彬彬,李宇華,高丙朋，等. 基于S7-300PLC和組態(tài)軟件的分布式溫度控制系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(4):96-98.

[12] 洪雪梅,項(xiàng)雷軍,李 平，等. 利用組態(tài)軟件與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(5):146-149.

[13] 邱佰平，喻壽益．基于以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(1)：43-45，49．

[14] 李志軍,賀 慶,郭富民. 多變量四容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(10):122-125.

[15] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)．深入淺出西門WinCC V6[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：225-228．