（控制理论与控制工程专业论文）工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现.pdf

南京理工大学硕士学位论文 工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 摘要 论文是依托工业控制系统综合训练平台建设而展开工作的。论文根据训练平台状 况，设计和实现了一种由。信号处理部分”和“软件仿真部分”组成的软硬件仿真被 控对象。用此方法构建的仿真被控对象可以代替实物被控对象，达到对学生进行工业 控制综合训练的目的。 论文首先对工业控制系统综合训练平台进行了总体方案的设计。接着以a r m 9 为处理器，采用“主机板+ 接口板”的形式对信号处理部分进行了详细的硬件设计。 而后详细讨论了信号处理部分的软件设计，重点对信号处理部分和p c 机上的软件仿 真部分之间的以太网通信进行了调试和实现。最后对p c 机上的软件仿真部分的几种 实现方法进行了讨论。 关键词：训练平台，信号处理，a r m 9 ，以太网，软件仿真 捷要 硕士论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yr e l i e so nc o n s t r u c t i o no ft h es y n t h e t i c a lt r a i n i n gp l a t f o r mf o r i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n gt h es t a t u so ft h es y n t h e t i c a lt r a i n i n gp l a t f o r m , t h e a u t h o rd e s i g n sa n dr e a l i z e sa ne m u l a t i o nc o n t r o l l e dp l a n tw h i c hi sm a k eu po fh a r d w a r e s i g n a lp r o c e s sp a r ta n d s o f t w a r es i m u l a t i o np a n u s i n gt h i sp l a n t ，s t u d e n t sc a ng e ta l k i n d s o fi n d u s t r yc o n t r o lt r a i n i n g 髂f ft h e yh a v et h er e a lp l a n t i nt h ef w s to ft h i st h e s i s ，t h ea u t h o r g i v e st h eg e n e r a ld e s i g no ft h es y n t h e t i c a lt r a i n i n g p l a t f o r mf o ri n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m , t h e nd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es i g n a l p r o c e s sp a r tw h i c hc o n s i s t so fa r m 9b o a r da n di n t e r f a c eb o a r d a f t e rt h a tt h e 吐l e s i s d i s c u s s e st h es o f t w a r ed e s i g na n dp l a c e se m p h a s i so nt h ed e b u g g i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es i g n a lp r o c e s sp a r ta n dp c i nt h ee n d ，t h et h e s i sd i s c u s s e s s e v e r a lm e t h o d sw h i c hc a l lr e a l i z et h es o f t w a r es i m u l a t i o np a r t k e y w o r d s tt r a i n i n gp l a t f o r m ，s i g n a lp r o c e s s ，a r m 9 ，e t h e m e t ，s o f t w a r e s i m u l a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 如帝 月p 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：矗窟卑刃刁年1 月p 日 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 1 绪论 1 1 课题的背景 工业自动化是我国工业现代化最重要的支柱之一，该领域近年来发展迅速。随着 计算机技术、自动控制技术和集成电路技术的迅速发展，工业自动化水平已提高到了 一个崭新的高度。近年来，随着中国的工业化进程，国内企业对现代工业自动化人才 的需求越来越高，因此高等院校应该将培养掌握扎实工业自动化技术的人才作为一项 重要任务。 掌握现代工业自动化技术的合格人才除了要具有扎实的专业理论基础外，还应该 具有较强的动手能力。尤其是在目前严峻的就业形式下，更多的用人单位希望毕业生 能有丰富的工程实践经历和较强的能力。但是目前的现状是，高等院校学生能参加工 程实践的机会非常少，仅有的“生产实习”环节也往往以“下厂参观”的形式来完成， 并没有实际操作设备的机会。基于以上考虑，建立一个能供学生进行系统工程训练， 体现当今工业自动化水平的工业控制系统综合训练平台显得很必要。 学校目前正在建设这样一个工业控制系统综合训练平台。 1 2 课题的提出 本工业控制系统综合训练平台的控制器部分包括：西门子公司的s 7 2 0 0p l c 、 s 7 - 3 0 0p l c 、工业控制计算机p c 2 7b o x 及其相关辅助模块等；被控对象部分包括： 德国f e s t o 公司的m p s 模块化加工系统、北京化工大学的过程与控制实验系统 m p c e 一1 0 0 0 平台等。训练平台将以“标准化、规范化、工程化”的准则来对学生进行 工业控制工程训练。 但是，众所周知，在工业控制系统中，被控对象的种类非常之多。本训练平台所 拥有的两种硬件被控对象m p s 模块化加工系统平台和过程与控制实验平台 m p c e 一1 0 0 0 ，虽然可以在很大程度上分别作为离散控制和连续控制中被控对象的两类 典型代表，但是毕竟涵盖不了其它种类繁多的被控对象的特性，且在使用的灵活性上 也受到了较大限制。一个优秀的工业控制系统综合训练平台，它的被控对象部分不应 该固定在某几种上，它最好能够根据具体应用要求提供相应的被控对象。但是在实验 室环境下，提供所有类型的实物被控对象不切实际，即使是提供几个实物被控对象的 硬件模型，投入经费也将不菲 3 1 。而且由于面向学生，训练平台提供的被控对象应该 层次各异既需要提供相对简单的被控对象供初学者训练使用，也需要提供相对复 杂的被控对象来模拟实际工程项目中的被控对象。 基于这种考虑，作者在本课题中采用了一种由“信号处理部分”和“软件仿真部 1 第1 章绪论 硕士论文 分”组成的软硬件仿真被控对象。 软硬件仿真被控对象 卜p雠分b 圉 一 p c 机 图1 2 1 信号处理部分和软件仿真部分构建的软硬件仿真被控对象 如图1 2 1 所示，在该软硬件仿真被控对象的模型中，信号处理部分主要负责： ( 1 ) 采集控制器输出端信号、发送输入端信号( 含数字量和模拟量) ( 2 ) 与p c 机软件仿 真部分进行实时通信。信号处理部分是软硬件仿真被控对象直接与控制器有物理接触 的部分，要使仿真被控对象真实体现实际被控对象特性，它必须能真实的模拟实际被 控对象中传感器与执行器的电平特性，并将控制器的控制信号信息与p c 机上的软件 仿真部分进行实时通信。p c 机上的软件仿真部分根据从信号处理部分收到的信息进 行后台处理，并进行一些被控对象视觉效果的仿真。 1 3 国内外研究现状 在工业控制系统被控对象的仿真中，目前主要有以下两种方式： ( 1 ) 实物被控对象模型，这种方式又称物理仿真，就是在实验室条件下制作被控 对象的物理模型，并配以相应的传感器、执行器等来构成一个外观和特性与真实相似 的被控对象。用这种方式构建的被控对象，直观、形象、效果好。用此方式来构建简 单的被控对象较为方便，例如一个路口的交通灯，可以简单的用几个l e d 灯来代替。 但是当用此方法来构建复杂被控对象时，设计难度、所需工作量及其资源消耗都会很 大。 ( 2 ) 完全基于计算机仿真的被控对象，简单的说就是用计算机全真模拟对象的特 性。使用这一方式的典型代表是德国西门子公司的虚拟被控对象仿真软件 s i m i t ，它是采用计算机仿真技术设计的新一代被控对象仿真软件产品。它的设计初 衷是当控制对象尚未设计完成，被控对象远离控制系统设计者，或者直接在控制对象 进行调试会发生危险等情况下，可以使用$ i m i t 软件设计符合真实被控对象特性的 软件模型，用户可以以此模型为依据建立虚拟控制系统，对控制系统的设计方案进行 仿真与验证【2 1 。目前该软件的s c e 版( 即教学版) 正在高校中推广使用，作者在硕士期 间，有幸接触了这一软件，并在本次设计中进行了应用。 另外，国内的三维力控公司开发的组态软件f o r c e c o n t r o l 也有制作此类仿真对象 2 南京理工大学硕士学位论文 工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 的功能，使用它再辅以专用的图象处理软件，也可以开发出专业的工业控制仿真被控 对象产品”。 作者在对以上两种被控对象的仿真方式进行学习的基础上，根据导师的意见，提 出了用“信号处理部分”和“软件仿真部分”来构建软硬件仿真被控对象的方法。这 种方法一方面克服了纯软件的仿真被控对象与控制器之间只有通信连接没有控制信 号连接致使仿真不到位的缺点；另一方面也克服了纯物理仿真的被控对象模型设计难 度大、经费负担重、变换灵活性差的特点。 1 , 4 作者主要完成的工作 作者参与了工业控制系统综合训练平台建设，并主要承担了软硬件仿真被控对象 平台建设，工作内容主要可归纳为： ( 1 ) 在对高校中工业控制工程训练开展情况调研的基础上，在导师指导下完成了 本工业控制系统综合训练平台的整体方案设计。 ( 2 ) 参与了训练平台中控制器与被控对象的选型，并在此基础上设计出完整的模 块排布结构图、通讯连接示意图、实验室布局示意图等文档，同时设计了在此平台下 对学生进行工程训练的四种工作方式。 ( 3 ) 针对工业控制系统综合训练平台被控对象多样性不足的状况，提出了用“信 号处理部分”和“软件仿真部分”来构建软硬件仿真被控对象的思想，并对其进行 了整体方案设计。 ( 4 ) 对于上述方案中的信号处理部分，设计了“主机板+ 接口板”的方案，其中对 主机板又划分成为“核心板+ 功能底板”，并对以上各部分进行了详细的硬件设计。 ( 5 ) 完成了信号处理部分中在a r m 9 系列处理器a 1 _ ：9 1 r m 9 2 0 0 下的软件设计 与调试工作，主要完成了：b o o t l o a d e r 的编写、嵌入式操作系统u c o s 。的移植、 嵌入式t c p i p 协议栈乃g ，p 的移植、信号处理部分和p c 机上软件仿真部分之 间的以太网通信调试和实现等工作。这一部分是作者工作的重点之一。 ( 6 ) 完成了p c 机上用于软件仿真部分与信号处理部分进行网络通信的后台通信 模块设计，并对其进行了封装。 ( 7 ) 对于p c 机上软件仿真部分的三种实现方式进行了讨论和简单的实现。 以上各部分内容，将在本文中逐一作详细阐述。 1 5 论文主要内容和结构安捧 论文各章节内容安排如下： 第一章为绪论，简单介绍了谋题背景、意义，作者所做的主要工作，以及论文的 3 第l 章绪论 硕士论文 组织安排。 第二章介绍了工业控制系统综合训练平台的总体设计。在提出设计思路的基础 上，首先对训练平台的总体构成做了描述，分别介绍了控制器和被控对象的选型依据、 训练平台的通讯网络、各子系统的构成。然后介绍了训练平台的四种工作方式，特别 是对方式二与方式四进行了重点比较，提出了用“信号处理部分”和。软件仿真部分” 来构建软硬件仿真被控对象的必要性。最后给出了这种方式的总体设计。 第三章介绍了工业控制系统综合训练平台信号处理部分的硬件设计。首先介绍了 处理器的选型与信号处理部分硬件的总体方案，随后详细介绍了核心板、功能底板、 接口板的衔接方案与各个电路模块的设计。 第四章介绍了信号处理部分的删9 处理器a t 9 l r m 9 2 0 0 上的软件设计。 在简单介绍这款a r m 的总体构架的基础上，首先介绍了a r 9 1 r m 9 2 0 0 的b o o t l o a d e r 的编写，然后介绍了u c o s 一1 1 在a 固l r m 9 2 0 0 上的移植，最后介绍了四个接口板驱 动程序的设计。 第五章是第四章的延续，首先介绍了一种嵌入式t c p i p 协议栈刁例p 在 a t 9 1 r m 9 2 0 0 上的实现，然后按照自己定义的协议格式，对信号处理部分上的网络通 信应用程序和p c 机上的后台网络通信模块分别进行了实现和调试，在本章最后对文 中所用的网络通信的调试方法进行了介绍。 第六章介绍了。信号处理部分”和“软件仿真部分”来构建软硬件仿真被控对象 的方案中p c 机上软件仿真部分实现。对三种实现软件仿真部分的方法即：d e l p l l i 、 l a b v l e w 、o p c + s m 玎进行了讨论和简单的实现。 第七章是总结展望。在对所做工作总结的基础上，目前工作的不足与今后的努力 方向。 4 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 2 工业控制系统综合训练平台的总体设计 2 1 工业控制系统综合训练平台总体设计思路 针对目前高校学生实践机会少，许多理工科毕业生所具备的技能与很多现代化工 厂、企业以及现代化建设工程相脱节的状况，为了给培养工程技术型高级人才创造良 好的实践教学环境，给学生以“标准化、规范化、工程化”的工程训练，作者所在课 题组设计了这个工业自动化系统训练平台。 整个训练平台的设备选型上体现当今工业控制领域主流应用，在实验上设计了 低、中、高不同层次的训练例子，其中综合训练例子力求贴近实际工程。 建立的综合实验训练平台能满足以下要求【8 】【9 】： ( 1 ) 建立一个与当前国际一流工业自动化技术相接轨的，具有先进的自动化站、 工程师站、操作员站及强大的符合国际网络标准的控制系统平台。 ( 2 ) 以真实的连续被控对象与离散被控对象为模型，研究并建立软件仿真库，实 现真实对象的仿真平台，并满足教学训练及科研仿真验证要求。 ( 3 ) 设计与实现控制系统与被控对象平台进行连接的信号处理传输系统，控制系 统综合设计训练库和训练评估系统。 第2 章工业控制系统综合训练平台总体设计硕士论文 2 2 工业控制系统综合 i i i 练平台总体结构 6 图2 2 1 工业控制系统总体结构与通信连接示意图 匝谣惜辎霉蓐圈埽霉嘏肇蹈姐蟋摹螺峨器靼爿h 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 2 2 1 工业控制系统综合训练平台的模块组成 工业控制系统综合训练平台的总体构成示意图如图2 2 1 所示，主要由四部分组 成。 图中部分所示为训练平台控制器部分，主要由连续被控对象控制器p c s 7 b o x 、e t 2 0 0 m 及其相关i o 模块和用于顺序逻辑等控制的控制器：s 73 0 0 、e t 2 0 0 s 及相关数字量模块。将在2 3 1 节加以介绍。 图中部分所示为训练平台的实际被控对象，主要有两部分组成：f e s t o 公司 的m p s 模块化加工系统平台，主要用于对学生顺序逻辑控制的训练。北京化工大学 的过程控制实验仿真平台m p c e 1 0 0 0 ，主要用于对学生过程控制的训练。这两个对 象将在2 3 2 节加以介绍。 图中部分所示为工业控制系统综合训练平台的计算机部分。主要由：学生p c 、 公共机、管理评分机三部分组成，学生p c 主要用于纯软件的实验；公共机直接与训 练平台控制器之间通过现场总线相连，完成p l c 控制器的编程、监控等类型的实验； 管理评分机，需对其开发相应基于网络的管理评分软件，完成对学生实验和整个训练 平台的管理任务。这些计算机具体的工作方式将在2 5 节具体介绍。 图中部分所示为本工业控制系统综合训练平台的信号处理部分。该部分与p c 上的软件仿真部分能构建一个模拟被控对象平台来作为工业控制系统综合训练平台 的被控对象的补充。此部分是工作的重点，将在2 6 节和论文的余下部分展开详细讨 论。 2 2 2 工业控制系统综合训练平台的通讯构成 首先简单介绍一下训练平台上连接设备的两种方式：现场总线p r o f i b u s 和工 业以太网。 p r o f i b u s 【1 3 】：是目前国际上通用的现场总线之一，它以其独特的技术特点、 严格的认证规范、开放的标准、众多厂商支持和不断发展的应用行规，被列入i e c 的八种现场总线标准之一。2 0 0 6 年1 1 月2 0 日p r o f i b u s 成为中国第一个工业通讯 领域现场总线技术国家标准。p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场 设备层数据通讯与控制的现场总线技术。可实现现场设各层到车间级监控的分散式数 字控制和现场通讯网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的 解决方案。它遵循i s o o s i 模型，包括p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和 p r o f m u s f m s3 部分其中d p 协议主要用于现场级的高速数据传输最高传输速率 达1 5m b p s 。p r o f i b u s 为图2 2 1 中紫线部分。 第2 章工业控制系统综合训练平台总体设计 硕士论文 工业以太两t2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现场总线技术使得工业型企业管 理控制一体化成为可能。由于以太网的广泛应用，许多工业厂商开始将传统的现场总 线构架在以太网上。基于i e e e 8 0 2 3 标准，工业以太网提供了针对制造业控制网络的 数据传输的以太网标准。将以太网高速传输技术引入到工业控制领域，使得企业内部 互联网( i n t r a n e t ) 、外部互联网( e x t r a n e t ) 和国际互联网( i m e r n e t ) 技术进入生产和 过程自动化。这种应用推动了自动化技术与互联网技术的结合，是未来制造业电子商 务网络技术雏形，也是自动化技术的发展趋势。工业以太网为图2 2 1 中绿线部分。 图2 2 1 中通信连接关分析如下： p r o f m u s 连接( 图中紫线部分) ：p c s 7b o x 、e t 2 0 0 m ( i m l 5 1 2 ) 、$ 7 3 0 0 ( s 7 3 1 5 p n m p ) 、e r 2 0 0 s ( 江1 5 1 1 ) 、蹦2 7 7 、t p l 7 0 b 、m m 4 4 0 、公用机( 通过c p 5 6 1 3 ) 。 工业以太网连接( 图中绿线部分) ：p c s 7 b o x 、麟m ( 江1 5 1 - 2 ) 、$ 7 3 0 0 ( s 7 3 1 5p n 仍p ) 、e 他0 0 s ( 蹦1 5 i - 3 ) 、c p 2 4 3 1 、工业以太网交换机、公用机( 通过 c p l 6 1 3 ) 。 普通以太网连接( 图中黄线部分) ：公用机、管理评分机、学生用p c 、嵌入式硬 件部分( 用于仿真被控对象) f e s t o 公司的m p s 模块化加工系统、北京化工大学的m p ( = e 1 0 0 0 过程控制实 验平台、嵌入式硬件部分平台，这几个被控对象与控制器的控制信号在接线排处相连， 接受控制器的控制。 图2 2 2 1 真实工厂中的网络层次结构 由前面的连接关系，可看出它与图2 2 2 1 的真实工厂中的网络层次结构基本类 似。这正说明本训练平台是一个贴近实际应用的工程训练平台。 8 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 2 3 工业控制系统综合诩练平台硬件构成 2 3 1 控制器构成 计算机技术在工业控制中的应用已逾3 0 年，并衍生出三大主流控制类产品：p l c 、 d c s 、p c 。p l c 最初是替代传统的继电接触器的，随着科技的发展，它己由单一的逻 辑控制发展成为p l c 与p l c 之问的网络控制，到现在的p c c 与计算机之间的通讯 控制，它已渗透到各个领域，应用面极广。p l c 是一门实用性很强，对学生工程能力 的培养极有意义的一门学科。 西门子是全球最大的电气和电子公司之一，其工业控制产品被广泛的应用于钢 铁、机械、冶金、电力、食品、饮料、包装、汽车、化工和能源等领域，市场占有率 一直遥遥领先。基于以上考虑，在本训练平台上，主要选用了西门子公司的极具代表 性的、目前应用非常广泛的几款控制器产品：s 7 3 0 0 、e r 2 0 0 s m 、p c s 7b o x 、s 7 2 0 0 。 工业控制训练平台的控制器的模块构成如图2 3 1 1 所示，下面将按图中所做的 标注，分块进行介绍。 图2 3 1 1 工业控制系统综合训练平台控制器及相关模块构成图 ( 1 ) 如图2 3 1 1 中部分所示的是s 73 1 5 一p n d p 以及电源和相关数字量、模拟 9 第2 章工业控制系统综合训练平台总体设计硕士论文 量模块。 。 、s 73 1 5 。p n d p m 】：西门子s 7 ，3 0 0 是模块化的中小型p l c ，适合于中等性能的控 制要求，品种繁多的c p u 模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的控制任务， 当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对p l c 进行扩展。简单的分布式结 构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活【4 】。本平台选用的s 73 1 5 p n d p 是 s 7 3 0 0 系列中较为新型的一款，集成了一个p r o f i b u sd p 接口和一个r j 4 5 的工业 以太网接口，可以进行p r o f i b u s 、p r o f i n e t 、m p i 等协议的通信。 s m 3 2 1 3 2 2 ：它们作为c p u 信号量扩展模块，其中s m3 2 1 作为输入，在本部分 中选择了3 2 路d i ；s m3 2 2 作为输出，在本部分中选择了3 2 路d o 。 p s3 0 7 ：是电源模块，将a c 2 2 0 v 转换成2 4 v d c 供本部分模块使用。 ( 2 ) 如图2 3 1 1 中部分为e t 2 0 0 s 和相关数字量、模拟量模块。 西门子的e t 2 0 0 是基于p r o f i b u s d p 现场总线和p r o f i n e t 工业以太网的分 布式i 。其中的e 他0 0 s 类似于大型s 7 控制器，可以用s 1 e p 7 对它编程，它用分 布式智能传送i o 子任务，因而减轻了中央控制器的负担，能对时间要求很高的信号 快速做出响应，简化部件管理。 i m l 5 1 3 ：e t 2 0 0 s 接口模块，挂载在p r o f i n e t 网络上。 i m l 5 1 1 ：e t 2 0 0 s 接口模块，挂载在p r o f i b u s d p 网络上。 p m - e ：e t 2 0 0 s 电源模块，具备诊断功能。 4 1 ) 1 、4 1 ) o 、2 a i 、2 a o ：是e 1 2 0 0 s 的数字量输入输出和模拟量输入输出模块。 以上的整体构成了工业自动化控制训练平台的离散部分控制器。 ( 3 ) 如图2 3 1 1 中部分所示的是西门子的过程控制领域的控制器p c s 7b o x 。 p c s 7b o x t l 2 1 ：它在一台紧凑设计的工控机中整合了一个最优秀过程控制系统 ( d c s ) 的所有组件，诸如可视化系统、工程师站、现场总线、基于s q l 的归档系统以 及集成的硬件控制器。p c s7b o x 充分利用了s i m a t i cp c s7 的所有标准组件，秉 承了全面的可伸缩性、无缝兼容的可扩展性和组网能力等优势【6 】。 ( 4 ) 如图2 3 1 1 中部分所示的是西门子e t 2 0 0 m 及其数字量模拟量扩展模块。 e t 2 0 0 m 是多通道模块化的分布式i o ，采用s 7 3 0 0 全系列模块，最多可扩展8 个模块， 可以连接2 5 6 个f o 通道，适用于大点数、高性能的应用。 i m l 5 3 2 ：e t 2 0 0 m 接口模块，挂载在p r o f m u sd p 网络上。 s m 3 2 1 、s m 3 2 2 、s m 3 3 1 、s m 3 3 2 ：是e t 2 0 0 m 的数字量、模拟量接口模块。 以上的整体构成了工业自动化控制训练平台的连续部分控制器。 ( 5 ) 如图2 3 1 1 中部分为西门子s 72 0 0 系列及其相关的电源、通信模块。西门 子s 72 0 0 系列p l c ，既可以用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动 化控制系统。 南京理工大学硕士学位论文 工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 s 72 2 4 x p ：集成1 4 输a j l 0 输出共2 4 个数字量i o 点，2 输入，1 输出共3 个 模拟量i ，o 点，可连接7 个扩展模块，最大扩展至1 6 8 路数字量i o 点或3 8 路模 拟量i o 点。2 个r s 4 8 5 通讶v 编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由方 式通讯能力。 e m2 7 7 ：p r o f m u s d p 扩展从站模块，利用它可将s 7 2 0 0 系列c p u 连接到 p r o f m u s d p 网络上。 c p 2 4 3 1 ：工业以太网扩展模块，利用它可将s 7 2 0 0 系列c p u 连接到工业以太 网上。 t p1 7 0 b ：触摸屏，作为一个p r o f i b u sd p 从站，可对相应设备进行监控。 2 3 2 被控对象构成 2 3 2 1 离散被控对象 图2 3 2 1 1 离散被控对象m p s 模块化加工系统平台 如图2 3 2 1 1 所示，m p s 系统在本训练平台中作为离散控制被控对象。它是一 套包含工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程的装置。m p s 具有综合性、模块 性及易扩充性等特点。应用m p s 充当被控对象，学生可以得到加工系统中机械设计、 组装、编程、传感器、电器控制、调试、操作、维护和纠错等一系列工程锻炼。 2 3 2 2 连续被控对象 第2 章工业控制系统综合训练平台总体设计 硕士论文 图2 3 2 2 1 连续被控对象l m p c e - 1 0 0 0 过程仿再平台 如图2 3 2 2 1 所示的m p c e 一1 0 0 0 过程控制仿真平台在本训练平台中作为连续控 制被控对象。主设备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反 应器、一台列管式热交换器、三台离心泵、十个手动，自动双效阀门和若干管路系统。 在垂直的仪表盘面上分布有压力( p ) 、流量( f ) 、温度( t ) 、物位( l ) 、功率( n ) 、 组成( a ) 和阀位( v l ) 等数字式软仪表。其它特性详见其产品手册，此处不再赘述。 2 3 2 3 信号处理音盼和。软件仿真部分构建的软硬件仿真被控艨 “信号处理部分”和“软件仿真部分”构建的软硬件仿真被控对象将为本训练平 台提供更加灵活多样的被控对象供学生进行训练，此部分将在论文后面章节中详细介 绍。 2 4 工业控制系统综合调练平台软件构成 2 4 1 编程软件s t e p 7 s t e p7 是一种用于对s i m a t i c 可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件 包。它是s i m a t i c 工业软件的一部分。它具有以下功能：硬件配置和参数设置、通、 信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在s t e p 7 中用项 目来管理一个自动化系统的硬件和软件。s t e p 7 用s i m a t i c 管理器对项目进行集中管 理，实现s t e p 7 各种功能所需的s i m a t i c 软件工具都集成在s t e p 7 中。 s t e p 7 中的编程语言有：梯形图( u 山) 、功能块图( f b d ) 、语句表( s t l ) 、 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 s 7 s c l ( 结构化控制语言) ；s t - g r a p h ( 顺序功能图语言) ；s 7 h i g r a p h 和c f c 。s t e p 7 用符号表编辑器工具管理所有的全局变量；用于定义符号名称、数据类型和全局变 量注释。使用这一工具自动识别系统参数的变化。 2 4 2p l c 仿真软件p l c s i m 设计好p l c 的用户程序后，需要对程序进行调试，一般用p l c 的硬件来调试程 序。在以下情况下需要对程序进行仿真调试： ( 1 ) 设计好程序后，p l c 的硬件尚未购回； ( 2 ) 控制设备不在本地，设计者需要对程序进行修改和调试； ( 3 ) p l c 已经在现场安装好了，但是在实际系统中进行某些调试有一定的风险。 为了解决这些问题西门子公司提供了用来代替p l c 硬件调试用户程序的仿真软件 s 7 巾l c s 江。s 7 一p l c s i m 是一个功能非常强大的仿真软件，它与s t e p7 编程软件相 集成，用于模拟$ 7 - 3 0 0 和$ 7 - 4 0 0c p u 的功能，可以在开发阶段发现和排除错误，从 而提高用户程序的质量和降低试车的费用。 在本训练平台中p l c s i m 还作为实际p l c 的代替品，在实验设备有限的情况下 达到调练学生的目的。 s 7 一p l c s i m 可以在计算机上对s 7 3 0 0 4 0 0p l c 的用户程序进行离线仿真和调 试，因为s 7 一p l c s i m 与s t e p7 是集成在一起的，所以进行仿真时计算机不需要连接 任何p l c 硬件。 2 a , 3 监控软件s i m a t i cw i n c c 西门子视窗控制中心s 订a 皿cw i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 是一个优秀的 h m i s c a d a 软件，它集成了s c a d a 、组态、脚本( s c r i p t ) 语言和0 1 7 ( 2 等先进技 术，为用户提供了w * m d o w s 操作系统( w i n d o w s2 0 0 0 或x p ) 环境下使用各种通用 软件的功能。 x i 啊n c c 6 0 运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具 有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好 的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、 报警画面、实时趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操 1 3 第2 章工业控制系统综合训练平台总体设计 硕士论文 作环境不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。w i n c c 的另一个特点在于 其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界 面，满足实际需要。 2 4 4 对象仿真软件$ i m i t s i m l t 软件是西门子公司新推出的对象仿真软件，通过该软件可以对控制对象进 行模拟和仿真。这样，工程设计人员可以在没有硬件的条件下对系统进行检测，而且 可以对系统的各个组成部分分开进行检测，避免了程序尚未完成就对控制对象进行测 试的危险，也解决了真实系统与测试者之间的距离问题。同时，用s i m l t 软件进行 对象仿真，也避免了壹接对真实系统进行测试的危险性。 s i m i t 软件内部的标准元件库( l i b r a r y ) 集成了完成各种逻辑操作的元件，利用 这些元件可以直接在s i m l t 软件中进行逻辑电路的设计，也可以与其他控制软件( 例 如，西门子p l c s i m 工控软件) 结合，在s 血订r r 软件中只需要进行接口设计即可。 为了更好的与其他软件进行通讯，s i m l t 软件提供了几种不同的网关设置，例如 p l c s 汀网关是用于与s 7 3 0 0 的输入，输出接口设计。 s i m l t 软件的窗口控件( w i d g e t s ) 包含了一些有用的操作元件，并且可以根据 设计者的意愿添加不同的元件模型，这样可以使仿真对象更加形象、易于理解。总之， s i m l t 软件可以对控制对象进行形象的模拟，并且使用方便简单，是对象仿真很好的 软件工具。 2 4 5 管理评分系统 为了有效的对综合实验训练平台进行管理，另外，为了能部分的实现学生实验结 果的自动评分，拟开发一个管理评分系统。可采用服务器和客户机( c ，s ) 的模式， 开发的管理系统包含以下内容： ( 1 ) 学生信息管理 作为管理员能增加、删除、修改学生信息，学生信息包括：班级、学号、姓名、 相应的实验成绩等信息，如有必要可附上每个学生的电子照片。 作为学生用户，能进行登录、查询成绩等操作。 实验管理 1 4 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 作为管理员能上传实验内容、实验要求等供学生查询，并能对某些实验做一些权 限设置，只有符合相应要求的学生才能选择这一部分实验。 作为学生用户在登录后能浏览相应的实验内容和要求，并能点击选择相应的实 验。 实验方式管理 本训练设计总共有四种工作方式，在第一种工作方式下，所有学生可以同时进行 实验，而在其它三种方式下，由于要共享实验设备，为了防止多人同时使用设备时产 生冲突，需要对实验方式进行管理，保证在后三种工作方式下只有一名学生使用实验 设备，并能调用相应的评分程序对实验结果进行评价。 在线电脑管理 可以统计当前在线的电脑的各种信息，例如：当前使用的学生，开始上机的时间， 结束上机的时间，选做的实验等信息，并能配合历史数据库对这些信息进行保存，方 便查询。 系统设置 进行维护管理员信息、实验题目信息等数据和备份、恢复数据库等操作。 ( 6 ) 评分部分 本部分应包括两个部分： 人工评分部分：由于实验情况的复杂，平台不可能1 0 0 的实现自动评分，所以 应该有人工评分的部分，教师查看了学生的实验情况后，在管理员账户下，输入学生 本次实验所做的每个实验的实验成绩和实验评价。 自动评分部分：由于学生数量多，实验进度不一，为了减轻教师负担，应加入自 动评分部分作为人工评分的补充。该部分的大致思路是：首先要求学生在实验编程时 对一些寄存器和变量做统一要求，即使用什么寄存器，使用什么变量名在实验要求中 都有统一规定，评分系统通过o p c 接口采集p l c 内部的寄存器和变量，通过与标准 时序的比较，给出实验成绩。当然要达到评分准确、可靠，此部分的实现可能有一定 难度。 2 5 工业控制系统综合训练平台工作方式 作者针对训练平台的特点，设计了以下四种不同的工作方式，每种工作方式都有 第2 章工业控制系统综合谰练平台总体设计硕士论文 自身特点，可以达到综合训练学生的目的。 工作方式一，软p l c + 软仿真被控对象+ w i n c c 监控。该工作方式是完全在 p c 机下的全仿真工作状态。 、 控制器：选用西门子公司的编程软件s t e p 7 下的p l c s i m 作为软p l c 对被控对 象进行控制。 被控对象：选用西门予公司的对象仿真软件s i m i t 编写实际被控对象的仿真版 本，即软仿真被控对象。 监控部分：选用西门子公司的监控软件w i n c c 搭建监控界面，编写监控程序。 该方式的优点是：完全用软件代替真实的控制器和被控对象，可以不受实验设备 的限制，让多个学生在实验室同时进行实验。工作方式一与实际控制系统的对比关系 如图2 5 1 所示。 监控计算机l 三三mb 黼i * i l * m i ff l l 传三睁 ：d b 执行嚣 实际控制系统 l 整奥一j 工作方式一下的控制系统 图2 5 1 工作方式一与实际控制系统工作方式之间的对比 仍工作方式二：硬控制器+ 软仿真被控对象+ w m c c 监控。该工作方式是一种半 仿真的状态，即控制器选用真实的p l c ，而对象采用s i m i t 搭建的仿真被控对象版 本。 控制器：选用真实的s 7 2 0 0 系列p l c ，s 7 3 0 0 系列p l c 等作为控制器。 被控对象：选用西门子公司的对象仿真软件s i m i t 编写实物被控对象的仿真版 本。 1 6 南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台信号处理部分的设计与实现 监控部分：选用西门子公司的监控软件w i n c c 搭建监控界面，编写监控程序。 与工作方式一相比，工作方式二使用了真实的p l c ，可以用于验证p l c 程序的 正确性。另外方式一和方式二有一个共同优点：它们都是用s i m l t 编写的仿真的被 动对象来代替实际的被控对象，克服了在实验室条件下，被控对象短缺的问题。 ( 3 ) 工作方式三：硬控制器+ 硬被控对象+ w i n c c 监控。该工作方式是一种与实际 控制系统完全一致的真实的工作方式。 控制器：选用$ 7 - - 3 0 0 系列和相应的数字量、模拟量模块作为离散被控对象的控 制器；选用p c s 7b o x 和相应的数字量、模拟量模块作为连续对象的控制器。 被控对象：选用f e s t o 公司的m p s 模块化加工系统作为离散的被控对象：选用 北京化工大学的m p c e 1 0 0 0 多功能过程与控制实验系统作为连续的被控对象。 监控部分：选用西门子公司的监控软件w i n c c 搭建监控界面，编写监控程序。 该方式的优点是完全贴近实际，可以直观真实的看到控制效果，在编写相应控制 程序之前必须对被控对象特性有一个全面系统的认识，能系统锻炼学生，增强学生对 工业控制系统的理解。 4 工作方式四：硬控制器+ 软硬件仿真被控对象+ w i n c c 监控。 控制器：选用真实的$ 7 - - 2 0 0 系列p l c ，$ 7 - - 3 0 0 系列p l c ，p c s 7b o x 等作为 控制器。 被控对象：选用西门子公司的对象仿真软件s i m l t 编写实际被控对象的仿真版 本或用d e l p h i ，v c + + ，l a b v i e w 等来编写被控对象。 监控部分：选用西门子公司的监控软件w i n c c 搭建监控界面，编写监控程序。 此工作方式与工作方式二看似较为相近，但是两者却有很大不同。工作方式四和 工作方式二虽然都是使用了“硬控制器+ 仿真被控对象”的模式，但是在方式二中， 仿真被控对象与实际控制器之间的连接是通过而且只能通过m p i 连接，这就造成了 两点不足：( 1 ) 由于西门子公司不公开其m p i 协议，这就使使用者在编写仿真被控对 象时只能使用西门子公司的被控对象仿真软件s i m i t 。( 2 ) 由于实际控制器与仿真被 动对象之间是通过m p i 相连的，在仿真时被控对象读取的实际上是p l c 映象寄存器 的值，在理论上来说虽然映象寄存器完全能代替p l c 输入输出端口的电平，但是在 这种方式下被控对象的硬件衔接部分就没有被仿真。而且m p i 通信本身需占用p l c 一定的c p u 时间，不能体现真实系统中控制器的状态。 1 7 第2 章工业控锏系统综合训练平台总体设计 硕士论文 而在工作方式四中采用的方法是设计一个信号处理部分直接采集和控制p l c 的 o 口信号，让此信号处理部分与p c 机上的软件仿真部分一起构成一个软硬件仿真 被控对象。这样便可以完全解决方式- - 中的两个不足：首先由于信号处理部分与p c 机上的软件仿真部分的通讯方式和通讯协议可以自由选择和自由定义，所以不仅仍可 以采用s i m i t 来仿真被控对象( 通过o p c ，第六章中将进行介绍) ，而且还可以采用 其它图形化的编程语言例如：d e l p h i ，l a b v i e w 等来编写软件仿真部分，具有很大 的灵活性，更加方便。其次通过方式四可以完全真实的对被控对象进行仿真，因为 p l c 控制此软硬件仿真被控对象与控制硬件被控对象没有任何区别，可以把信号处理 部分和p c 机上运行的软件仿真部分合在一起看作一个真实的被控对象。为了更加直 观，示意图如图2 5 2 所示： 圈2 5 2 工作方式二与工作方式四之间的对比 2 6 工业控铜系统调练信号处理部分总体设计 为了给工业控制系统提供更