设计了一套PROFIBUS - DP 工业现场总线控制系统论文

TEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONPROFIBUSDP摘要设计了一套PROFIBUSDP工业现场总线控制系统,DP主站、DP从站、触摸屏、变频器和智能仪表之间可通过总线直接进行通信，从而使控制系统便于集中监控、分散处理。针对铝箔退火过程中炉温滞后大和惯性大等特点，提出了一种基于S7300PLC的模糊PID参数自整定控制算法。利用STEP7中的指针寻址查表方法实现在线查询功能,使控制算法简明。结果表明该系统具有较高的稳定性、控制精度和品质关键词PROFIBUSDPPLCWINCC监控ABSTRACTAFIELDBUSCONTROLSYSTEMBASEDONPROFIBUSDPWASDESIGNEDVIAFIELDBUS,DPMASTER,DPSLAVE,TP,TRANSDUCERANDTHEINTELLIGENTDEVICESCANCOMMUNICATEWITHEACHOTHERDIRECTLYTOMAKECONTROLSYSTEMEASYTOSUPERVISECONCENTRATIVELYANDHANDLEDISTRIBUTEDTHEFURNACETEMPERATUREHASTHECHARACTEROFLARGETIMEDELAYANDINERTIAINTHEPROCESSOFALUMINUMFOILANNEALINGAPIDPARAMETERADAPTIVEFUZZYCONTROLARITHMETICISPUTFORWARDBASEDONS7300PLCREALIZETHEFUNCTIONOFINQUIREONLINEBYTHEMETHODOFUSINGTHECURSORTOADDRESSTHEFORMINSTEP7THATMAKESCONTROLARITHMETICBRIEFTHEPRACTICALRESULTSSHOWTHATTHISSYSTEMHASBETTERSTABILITY,ACCURACYANDQUALITYOFCONTROLKEYWORDSPROFIBUSDPPLCWINCCSUPERVISIONANDCONTROL目录前言1第1章绪论211课题背景212本课题研究现状及意义213本论文研究的内容3第二章PROFIBUS现场总线技术421现场总线概述422现场总线的特点423现场总线的通讯524现场总线系统拓扑结构及配置6第3章可编程控制器PLC的应用831PLC选型832编程语言833控制程序设计方法934基于现场总线的PLC控制系统的构成9第4章PROFIBUS现场总线的PLC通信1141串行通信与并行通信1142简单协议与复杂协议1143专用协议与开放协议1244PLC通信的实现1245基于PROFIBUS的PLC控制系统中的网络组态15第五章基于PROFIBUSDP总线的温度控制系统1851温度控制系统总体结构1852控制系统原理和设计思想1953模糊控制器的程序设计2154实际应用23第六章WINCCFLEXIBLE组态软件2561组态软件介绍2562OPC通讯2563S7200PLC与PCACCESS的通讯设置2664PCACCESS与WINCC的通讯设置2865用户界面开发29结束语31谢辞32参考文献331前言世纪是信息经济的时代。随着计算机技术、信息技术的飞速发展，全球市场进一步形成，竞争也空前加剧，产品技术含量更高、换代时间更短。处于全球市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。为了实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的信息汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。为此，企业首先必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力；其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链，提高市场反应的敏捷性和产品转型的灵活性，时刻保持产品高质量、多样化和领先性；再次，必须实现企业生产制造资源与其它资源管理的一体化集成，实现生产现场在线设备动态管理，降低成本。所谓现场总线，按照国际电工委员会IECSC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统FCS。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程，可编程控制器具备高可靠性、编程方便、易于使用、环境要求低、与其他装置配置连接方便的特点。随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、PC化、开放式和低成本的发展趋势，作为一个控制系统，如何对其进行有效的管理和应用，而又不必有过多的投入，充分利用现代计算机技术的应用和发展，减小一些硬件的投入，通过软件实现硬件的功能，这就产生了“组态”这种技术，它充分的利用了计算机技术，又对硬件进行了有效的管理。同时也减小了一些硬件的投入。以这种“组态”技术为依托，人们发明了“组态”软件。组态软件构成的网络可以联网，它的兼容性比较强，不像专业PLC构成的网络，组态软件可以充分利用电脑的资源。在立体仓库的设计中，为了实现较好的监控功能，建立完善的人机交互界面，组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。2第1章绪论11课题背景现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过VI电路转换，输出420MA或05V的模拟信号，其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、AD采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过DA、VI等电路，仍然以420MA或05V的模拟信号输出，这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口如RS232485等，以数字通信的方式代替模拟信号传输。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。因此，从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有基金会现场总线FFFOUNDA，TIONFIELDBUS、控制局域网络CANCONTROLLERAREANETWORK、局部操作网络LONWORKSLOCALOPERATINGNETWORK、过程现场总线PROFIBUSPROCESSFIELDBUS和HART协议HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER以及DEVICENET、CONTROLNET、PNET等。面对如此之多的现场总线，用户如何选择为解决这个问题，国际电工委员会IEC在1984年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。然而，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于1999年年底通过了包含FF、PROFIBUS等八种总线在内的IEC61158，没有实现制定单一标准的目标。这个结局表明，在今后相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临困难的复杂局面。无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案。12本课题研究现状及意义现场总线控制系统FCS能够把原先集散控制系统DCS中处于控制室的控制模块、输入输出模块置入现场总线设备,因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机,直接在3现场完成,实现了彻底的分散控制。该研究将现场总线技术应用于温度控制系统设计中,采用基于PROFIBUSDP总线的S7系列PLC控制系统,运用PROFIBUSDP总线将CPU及I/O从站组成相对独立系统。在现场设置I/O从站用于采集热电偶温度,读取炉体上个传感器的参数,对炉门电机和气缸等进行操作,避免了温度模拟量信号长距离传输中的干扰问题,减少了控制线和信号线的使用量,降低了成本并增强了系统的可靠性。作为DP主站的PLC,能与DP从站、触摸屏、变频器和智能仪表之间通过总线直接进行通信,从而使控制系统便于集中监控、分散处理目前,温度的控制大多采用PID控制。这种方法简单,易于实现,但是参数整定比较困难,在实际中往往是根据经验来手动设定PID参数,且一组整定的参数不能完全适应不同退火工艺要求,还易产生较大的超调。该研究针对退火过程中出现的升温速度慢、超调量大、控制精度不高等现象,利用PLC编程软件SIEMATICSTEP754,采用模块化编程方法,使用梯形图及语句表编制程序实现模糊控制算法,对标准的PID控制模块FB41中的KP、TI和TD进行模糊参数自整定,以达到良好的控制效果和良好的稳定性。13本论文研究的内容本论文主要介绍以可编程控制器PLC和组态软件为核心，采用上、下位机方式设计温度控制计算机实时监控系统的基本思路和方法。本文研究的主要内容包括基于PROFIBUSDP总线的温度实时监控系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、监控系统下位机各PLC子站软、硬件的设计，监控系统PLC工业网络的设计，网络通信功能的实现，上位机监控系统组态软件的设计和应用。4第2章PROFIBUS现场总线技术21现场总线概述现场总线是将现场仪表与控制室内仪表连接起来的全数字化、双向、多站的通信网络，用数字信号取代模拟信号，提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，延长信息传输距离。现场总线网络的每一个节点都装有一台智能化仪表，包括变送器、检测仪表、执行器等现场仪表和控制室内仪表装置。这些仪表和装置都遵循统一的标准和规范，按照系统化和开放化的要求，实现数字化、智能化和标准化，并且增加远距离操作、故障自诊断和就地控制能力，构成新一代的自动化仪表与控制系统先进体系。这种新体系一方面继续沿用分布式的系统结构和分散控制的原理，另一方面又有新的特点和优势，是分散型控制系统的继承和发展，更适合工厂自动化的要求。1现场总线控制系统传输的是数字信号，这样一来就大大减少了现场与控制室之间的一对一的导线连接，节约初投资，提高了可靠性和抗干扰能力。2现场总线控制系统采用统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容，可以互换和联用，因而使系统具有开放性。3现场总线控制系统中许多控制功能从控制室转移到现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新技术基础上实施就地控制，使过程控制基本分散到现场，而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和自动化管理功能。4现场总线控制系统的应用带动产品的更新换代和产业的技术进步，一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，非线性补偿和故障诊断应用于现场仪表中。22现场总线的特点现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是自动化技术发展的热点之一。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了非常广泛的应用。目前，已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS总线是最为流行的现场总线技术之一，其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，是一种国际化、开发式、不依赖于生产商的现场总线。根据应用特点可分为三个兼容版本（1）PROFIBUSDP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯；（2）PROFIBUSFMS主要解决车间级的通用型通信任务，可以提供灵活而大量的通信服务；（3）PROFIBUSPA则专为过程自动化设计，它直接和现场的传感器或执行器连接，并5可通过DP/PA接口与DP总线连接，使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合。根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用以下三种方式线形、树形和环形。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式通信。图1多级现场总线体系结构框图23现场总线的通讯PROFIBUSDP网络使用了物理层、数据链路层以及自己的用户层，其中物理层采用ETARS485传输技术，采用屏蔽双绞铜线或光纤两种传输电缆。在总线的两端为了防止浪涌，接有终端电阻，实际使用时，应注意将位于中间节点的接头终端电阻置于OFF位置。数据链路层又称现场总线数据链路层（FIELDBUSDATALINKFDL）一般有两种介质存取方式令牌总线（TOKENBUS，令牌总线协议符合IEEE8024）和主从方式。令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权，令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站执行主站的工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有主站或所有从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者该主站的控制时间终了时它就将主站令牌传递给下一个主站，这样就保证了即使在重载下，每个主站都可以在确定的时间内得到总线使用权，避免了在以太网中重载下容易阻塞的缺点，保留了总线型网络结构简单、自由增减站点的优点。主从方式的数据链协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM），该模式的工作特点是总线上一个主站可以控制多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路，主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段数据链路建立、帧传输和链路释放。6图2PROFIBUSDP数据链路层的工作过程图2为本系统主站和从站A在半双工方式下非平衡正常响应模式的通信过程。图中U表示HDLC的无编号帧，UA，SNRM，P表示在SNRM模式上选择从站A，P为探询位；UA，UA，F表示用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链，F为终止位。I表示HDLC的信息帧，N（S）0表示编号，N（R）0表示未接收到A的从站帧，N（S）1，N（R）0和N（S）2，N（R）0表示第2，3个从主站连续发送的信息帧，第3帧中使用了探询位P表示从站也有信息帧要发送。N（R）3表示从站A已正确接收序号为2及以前的I帧，终止符F表示从站只有一帧发送。最后当主、从站都没有信息帧要发送、或主站将与其他从站建立数据链时，主站使用U释放连接命令DISC，从站A从U帧的UA予以确认，链路传输过程结束24现场总线系统拓扑结构及配置根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用以下三种方式线形、树形和环形。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I0站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式通信，PROFIBUSDP现场总线控制系统的设计，其拓扑结构如图3所示7图3PROFIBUSD现场总线拓扑结构本系统采用研华工控机作上位机，通过CP5611接口卡使工控机与PROFIBUSDP相连，这样IPC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。上位机监控软件可采用美国INTELLUTION公司开发的基于WINDOW9XPROFIBUSDP以其较快的传输速度和较强的抗干扰能力,广泛应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通信PROFIBUSPA专为过程自动化设计,它可实现总线供电并且符合本征安全规范。PROFIBUS通信协议根据ISO7498国际标准以开放式系统互联网络OSI作为参考模型。在总线访问协议上PROFIBUS在数据链路层采用了混合介质存取方式,即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作。得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作。这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点收发数据,并且任一主站在一个特定的时间片内都可以得到总线控制权,这就完全避免了冲突。利用这种方式可以实现纯主从一主多从、纯主站多主和混合方式多主多从。PROFIBUS现场总线功能十分强大,一旦图5所示的系统构成后,仅就PLC之间的通信而言就有四种方式可以实现,即S7通信功能、FDL连接、DP方式、FMS方式等。综合系统开发成本和功能适用性等多方面指标和要求,选用FDL连接方式进行PLC之间的通信。FDLFIELDBUSDATALINK现场数据链接由PROFIBUS的第二层协议实现。适合于工业中等容量的通信任务240字节。实际应用FDL方式时主要进行组态和编程二个步骤。FDL编程比较简单,因为PLC通信的功能已经在软件程序上集成为二个功能模块FC5和FC6,即AGSENDFC5和AGRECVFC6。AGSEND功能是发送数据,即将数据从PLC指定的发送缓冲区传送至通信方。发送缓冲区的指针可以指向一个过程映像区、一个位存储器区或一个数据块。要发送的数据长度不能超过240字节ASRECV功能为接收数据,即从通信方接收的数据传送到PLC指定的接收缓冲区。接收缓冲区可以是一个过程映像区、一个位存储器区或一个数据块。接收缓冲区应有足够的长度。实际应用时可根据控制任务采取各种方法调用FC5和FC6。图6为PLC1和PLC3通信调用的示意图。14图6PLC1和PLC3的通信示意图应用FDL方式的关键是通信的组态。运行PROFIBUSNCMS7组态软件后,在STEP7PLC的标准工具软件中进行硬件组态CP3435和通信组态FDL连接。PLC1的组态参数与PLC3通信如下LOCALIDHEX0002A000PARTNERIDHEX0001A000LOCALMODULESIMATIC3001/CPU3152DPPARTNERMODULESIMATIC3003/CPU3152DPCONNECTIONTYPEFDLCONNECTIONCONNECTIONNAMEFDLCONNECTION3PARTNERL2ADDRESS8LOCALLSAP8REMOTELSAP4STATUSOKVIACPCP3435R0/S4IDDEC2LADDRW160100S7300PLC的程序采用结构化编程将所有的用户编写的程序和程序所需的数据放置在各种类型的程序块中,在一个块或块之间能类似子程序那样进行调用,使用户程序结构化成为可能。这些程序块有用于控制程序运行的组织块OB用户常用的功能程序功能FC存储用户数据的数据区数据块DB实际的用户功能程序功能块FB以及集成到CPU的操作系统中的系统功能SFC、系统功能块SFB和系统数据块SDB等等。如图4,为了向PLC3定时地发送数据,在PLC1的程序中编写了OB35组织块循环中断,循环周期设为100MS,调用FC5AGSEND,即PLC1每100MS向PLC3发送一次数据。同理,在OB35组织块中调用FC6AGRECV,PLC每100MS接收一次PLC3的数据。PLC1与其他PLC以及其他PLC与PLC的数据通信和上述情形完全类似。1545基于PROFIBUS的PLC控制系统中的网络组态上位机通过内插式CP5412A2通信卡与PROFIBUSS7网络建立联接。在安装CP5412之前，首先应将它的DIL开关缺省为OOOO设定成与网络组态中的“IO范围”一致。IJ2电缆通过PROFIBUS总线连接器将CP3425DP的PROFIBUS口与CP5412上的9针D型口相连，从而将上位机与PLC连接在一起，组成PROFIBUS网络。当然，如果想构建MPI网络的话，可以将CPU314的MPI口与CP5412相连。最后，将网络始末节点的总线连接器上的DIP开关拨至ON，其余节点的DIP开关拨至OFF，以保证只有终端节点接通终端电阻。在安装通信卡驱动程序后，首先进行网络部件安装及参数设定。启动“设置PGPC接口”程序，点击“安装”，选择“CP5412A2通信处理器”进行安装。通信卡参数，如“内存”、“IO范围”及“中断地址”等列在“资源”对话框中一般情况下无需重新设定。在硬件参数设定完成后，对CP5412进行网络组态，主要是进行“应用程序访问点”和“模板参数集”的设定。本系统使用STEP7编程软件进行PIE控制程序设计，因此“应用程序访问点”选项选择“S7ONLINESTEP7”，使上位机与PIE进行通信。在使用WINCC监控软件进行人机接口画面调试时，“应用程序访问点”选为“CPIJ2一”，其中为系统中安装CP5412的数目。运行WINCC的上位机的缺省设备名CPI，因此WINCC软件“系统设定”中的逻辑设备名也应为“CP一12一X”。控制系统采用的是PROFIBUS网络结构，故“模板参数集”选择“CP5412A2PROFIBUS”。如果是MPI网络的话，则应选择“CP5412A2MPI”。进入“属性”窗口，可以修改PROFIBUS的相关参数，如本站地址、单主站或多主站系统选择以及波特率、最大站地址、网络协议等网络参数。其中，网络参数适用于整个PRO6BUS，所以应与PR06BUS上所有节点的网络参数相匹配，这一点在进行硬件组态时应予以注意。网络协议有DP，STANDARD，UNIVERSAL及USERDEFINED四种选择。STANDARD协议用于多主站模式；UNIVERSAL协议为缺省设定，用于不能运行DP或STANDARD协议的情况，如果网络上除了西门子的S，设备外，还有S系列设备或第三方设备。则可选择UNIVERSAL；如果是PROFIBUSDP网络，则选择DP；如果用户希望自己定义总线参数，则选择USERDEFINED。各个站点的网络地址应在STEP软件中，通过硬件组态予以分配。现场总线数据链接FIELDBUSDATALINK，FDL位于IS0参考模型的第2层，可提供PROFIBUS上较大量的数据传送服务，并可完成与任何通信伙伴如西门子S5设备或PC的通信任务。安装NCMS7FORPROFIBUS软件包，然后进行FDL链接组态。连铸控制系统只需在公用PIJC和流用PIJC之间进行数据传送工作，而流用PLC之间操作彼此独立，无交换数据的要求，所以仅建立公用PIE和8台流用PLC之间的RL链接。应当注意的是，由于使用RL链接，在硬件组态中进行PROFIBUSCP属性设定时，CP模式只能选择NODP，DPMASTER或DPSLAVEACTIVE，而不能选择DPSLAVEPASSIVE模式，否则将导致该站点在PROFIBUS上失效。保存组态，将PIE切至STOP状态，下载链接数据至CPU中。如果CP3425的位置在下载之后发生变化，则链接组态数据自动更新，此时需要重新下载。在FDL链接建立完毕后，设计FDL接口软件。图7和图8所示为FDL接口程序框图。16图7数据发送站点FDL接口程序图8数据接收站点FDL接口程序在FDL链接中，为完成数据传送任务，需要编制F5AGSEND和FC6AGRECV功能块。在数据发送站点中，F5功能块将CPU用户数据区中的用户数据传送到通信处理器中，然后发送到PROFIBUS上。而数据接收点的通信处理器接收来自于PROFIBUS的数据，并通过F6传送至CPU的用户数据区中。2个功能块都有只读参数II和LADDR，它们代表的是与本站进行链接的站点地址以及本地通信17处理器的16进制地址。此外，两个功能块均需要定义发送或接收数据包的地址及长度，这些对于数据的顺利通信都是非常关键。18第五章基于PROFIBUSDP总线的温度控制系统51温度控制系统总体结构该温度控制系统主要由S7300PLC和人机界面TP27010构成。人机界面完成智能化的后台管理、各种退火参数的设定及退火状况的监视和报警。由CPU315、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332组成的PLC主要完成系统中各种信号的采集、设定参数的处理、各个电机的控制和温度的控制。由于在退火炉与控制室之间大约有50M的距离,因此选用了带从站功能的CPU3152DP,其具有大中规模的程序容量,对二进制和浮点数有较高的处理性能,有2个PROFIBUSDP主站/从站接口,可用于建立分布式I/O结构和大规模的I/O配置。根据系统要求,主站扩展了2个数字量输入模块、2个数字量输出模块和2模拟量输出模块,用来控制风机的转速和温度。从站采用通用性较好的ET200M分布式I/O,配置了开关量输入模块和输出模块和模拟量输入模块,用来控制炉门的升降、炉门气缸的动作,炉门安全的动作,炉体上各种仪表或传感器的检测以及采集炉气温度和料温。从站的使用一方面减少了炉体和控制柜间电缆的使用另一方面避免了温度模拟量信号在长距离传输过程中的干扰。另外,由于系统要求实现PLC与ACS510系列变频器和智能电度表PD194E的通信。变频器和智能电度表都采用MODBUS通讯协议,不能直接连入组建的PROFIBUSDP网。选用了PBBMODBUS协议总线桥,它可以将具有MODBUS专用通信协议的接口设备连接到PROFIBUS总线上,使设备成为PROFIBUS总线上的一个从站。接口在PROFIBUS一侧是DP从站,在MODBUS一侧是主站,并通过RS485连接到MODBUS从站设备。基于PROFIBUSDP总线的退火温度控制系统的总体结构如图9所示图9系统总体结构图1952控制系统原理和设计思想对于像退火炉这样的滞后大、惯性大和时变性的温度控制系统,采用传统的PID控制,同一组控制参数很难兼顾不同退火工艺的控制要求,控制的超调大,调节时间长,控制效果较差。为了降低超调量,提高控制精度,采用模糊推理,实现对PID参数KP、TI和TD的在线自整定,使其具有鲁棒性强、适应性强、控制精度高等特点。该控制系统主要由参数可调整PID和模糊调节器组成,如图10所示图10控制系统原理由参数可调节PID来完成对温度系统的控制,模糊调节器实现对PID的3个参数的自动校正。数字PID控制的位置式算法为UNKPENTS/TITD/TSENEN11NJE0式中KP为比例系数UN为控制器的输出EN为偏差值TS为采样周期TI为积分时间TD为微分时间。PID控制模块FB41中,KP、TI、TD分别对应于输入参数GAIN、TI、TDKP的影响比例控制能迅速产生与误差成正比的调节作用,从而减少稳态误差。但是,比例控制不能消除稳态误差。KP的加大会引起系统的不稳定,容易产生振荡,使调节时间延长。相反,若KP太小会使系统动作缓慢,灵敏度降低。在系统稳定的情况下,如果加大KP,可提高控制精度,减小误差。TI的影响积分控制主要用于消除静差。若TI太小,积分作用强,系统将不稳定若TI偏小,振荡次数较多,超调量较大若TI太大,积分作用弱,对系统性能的影响减小当TI合适时,过渡过程特性比较理想。在系统稳定的情况下,当TI太大时,消除静差太慢当TI太小时,系统不稳定。20TD的影响微分控制可以根据误差变化的速度提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势,它较比例调节更及时,所以微分部分具有超前和预测的特点。TD增大时,超调量减少,动态性能得到改善。但是TD太大时,会引起过大的超调,系统不稳定TD太小,调节质量改善不大。TS的影响在选取采样周期TS时,应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间和上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化,TS越小越好。但是,TS太小会增加CPU的运算工作量,相邻两次采样的差值几乎没变化,所以也不宜将TS取得过小。根据系统的要求,用于PID参数自整定的模糊控制器采用二输入三输出的形式,以系统误差E和误差变化E为输入语言变量,以KP、TI和TD为输出语言变量。输入E和E的模糊集均取为NBNMNSNZPZPSPMPB输出KP、TI和TD的模糊集均取为ZESMBVBE和E的论域取为6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6KP、TI和TD的论域取为0,1,2,3,4,5,6,7,8考虑到PLC的性能,E、E、KP、T1和TD的隶属函数均取三角函数形式。根据上述PID参数的整定原则以及对退火炉控制过程中现场参数调节的经验可得模糊调节规则如表1所示。表1中各单元依次为输出语言变量KP、T1和TD的语言变量值。表1中的模糊控制器可以写成下列条件语句形式,即IFEAIANDEBITHENKP、TI和TDCII1,2,3,64式中AI、BI和CI分别为语言变量X,Y,Z在其论域X、Y、Z上的语言变量值。所有规则组合在一起构成了规则库。设已知模糊控制器的输入模糊量X是A且Y是B,则根据模糊控制规则进行近似推理,可得出模糊量Z用模糊量C表示为CAANDBR其中“”是合成运算符号R641IRRIAIANDBICI运算“AND”采用求交取小方法合成运算采用最大最小方法,蕴含运算采用MAMDANI方法。根据输入量E和E模糊量化后得到的XI,YJ可算出KP相应得ZL1,对X,Y中元素所有组合全部计算出相应的KP的输出值,可以方便地得到模糊输出KP的模糊控制查询表。21表1模糊控制规则53模糊控制器的程序设计模糊控制策略程序设计流程如图11所示22图11模糊控制流程图S7300PLC的编程系统STEP7提供了丰富的功能模块,为模糊控制算法的实现提供了方便。主循环程序模块OB1实现对功能和功能块的调用以及信号和数据的传递。考虑到退火炉炉内空间大,温度在较短的时间内基本上无显著变化,循环中断组织块选择时间间隔为2S的OB31。功能块FB10为模糊控制器,完成整个模糊控制功能。与之相对应的背景数据块为DB10,主要存储量化因子及目标温度、测量温度等其他的参数。FB10由功能FC1FC44个子程序组成。其中FC1完成E和E的计算FC2进行模糊化处理FC3实现模糊控制表的查询功能FC4完成KP、TI和TD的清晰化处理。在图11中,核心即为模糊控制查询表的查询程序。模糊控制表中的模糊控制量KP按照先行后列,由左向右的访问方式顺序存储到数据DB1中。数据类型为整型INT。首地23址为DB0,依次为DB2、DB4、DB336KP的规则数是169。如采用常规的判断语句的查表方法,将会使程序语句多而繁琐,因此采用STEP7中的指针寻址查表方法。为了简化设计,将输入模糊论域的元素均增加6,即转化为0,12。控制量的基址为0,偏移地址为213XIYJ,由XI,YJ可以确定控制量的绝对地址为213XIYJ,通过指针变量获得地址中存储的KP的模糊值。以下给出主要程序的部分示例循环中断组织块OB31/每隔2S调用FB10实现模糊参数自整定CALLFB10,DB10PVMD0SPMD4EMD8ECMD12KPDB20DBD20/FB41所对应共享数据块的比例增益输入TIDB20DBD24/FB41所对应共享数据块的积分时间输入TDDB20DBD28/FB41所对应共享数据块的微分时间输入功能FC3/实现模糊控制量的查询功能LPDB21DBW0LADDRESS1/输入变量ADDRESS1中存放KP的绝对地址SLD3DTP1/临时变量P1LDBWP1TMW100/将KP的值存入MW100最后由FC4实现控制量KP、TI和TD的清晰化转换,将最终计算结果送到FB41中对应的参数中。通过FB41输出控制量到模拟量输出模块,实现控制作用。54实际应用将控制系统应用于某铝业公司的20T铝箔退火炉的温度控制系统中，实测数据表明模糊PID参数自整定控制较常规的PID控制有更好的控制效果。图12为退火过程中温度的变化曲线。设定保温温度为170,分别采用2种不同的控制方式。从图12可以看出,模糊参数自整定控制的超调量比常规PID控制降低70,上升时间缩短10。模糊PID参数自整定控制的动态和静态特性全面改善,表现出良好的鲁棒性。24图12常规PID和模糊参数自整定控制运行结果比较25第六章WINCCFLEXIBLE组态软件61组态软件介绍在众多的组态软件产品如INTOUCH、组态王、IFIX中，西门子公司的WINCC成为首选，主要在于该组态软件操作简单，易于学习，不需编写任何脚本就能实现基本的监控功能，可以使用户在短时间内掌握，另外，由于下位机采用西门子公司的S7200作为主控模块，WINCC与之兼容性最好。WINCC是WINDOWSCONTROLCENTER视窗控制中心的简称。它集成了SCADA、组态、脚本SCRIPT语言和OPC等先进技术，为用户提供了WINDOWS操作系统W1NDOWS2000或XP环境下使用各种通用软件的功能,在用于操作和监视的SIMATICHMI产品范围内，WINCC是一种按照价格和性能分级、能高效控制自动化过程的过程可视化系统（SCADA）,它继承了西门子公司的全集成自动化TIA产品的技术先进和无缝集成的特点。WINCC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、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WINCC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。用户也可将WINCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。WINCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景，它集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展，它不但能用于机械工程中简单的单用户系统，而且也能用于复杂的多用户解决方案，甚至工业和楼宇技术中包括几个服务器和客户机在内的分布式系统。62OPC通讯OPC是基于微软公司WINDOWS操作系统的OLE技术，用于连接不同厂家的PLC硬件和HMI软件产品。西门子公司专为S7200开发了OPCSERVER软件，即PCACCESS。OPCOLEFORPROCESSCONTROL是嵌入式过程控制标准。不同的供应商的硬件存在不同的协议标准，OPC作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口，该接口位于应用程序的下方。因为OPC的统一性和开放性，使得用户程序可以访问不同供应商的硬件。26OPC通讯接口的应用是基于客户端服务器的应用模式。各厂家只要为他们的产品提供一个标准的OPCSERVER，便解决了通讯连接问题，其他厂家可以使用不同的OPC客户端来访问标准的OPCSERVER，从而可以轻松地实现对远程数据的监控。运行在计算机上的PCACCESS软件与S7200通讯，作为服务器；支持OPC标准的HMI软件，作为OPCCLIENT与PCACCESS通讯，从而可以访问S7200的数据。WINCC与S7200系列PLC是通过PPI协议进行通信的，PPI协议是西门子S7200系列PLC常用通信协议，但WINCC中并没有集成该协议，没有PPI驱动，即WINCC不能直接监控S7200系列PLC组成的控制系统，然而WINCC带有OPC服务器或客户端的驱动或者软件，通过OPC可以实现其之间的数据交换。因此，WINCC可以通过PCACCESS与S7200系列PLC很方便的建立通信。PCACCESS软件是专用于S7200PLC的OPCSERVER软件，它向OPC客户端提供数据信息，可以与任何标准的OPCCLIENT通讯，支持OPCDATAACCESS30版，PCACCESS支持所有的S7200协议，内置的客户机测试允许编程者迅速进行变量的在线测试。将一个变量项目从组态文件夹中拖到客户机测试窗口，通过在线状态就能够立刻确项目的当前在线值和状态。通过S7200PCACCESS服务器可同时连接和监控多达8个PLC，且支持S7200所有的内存数据类型。一个PLC通讯口允许有4个PC机的连接，其中一个连接预留给MICRO/WIN，并且MICRO/WIN和PCACCESS可以在同一个PC机上共用通讯路径，同时访问S7200PLC。PCACCESS只支持PG/PCINTERFACE中所设置的单一通讯方式，同一个PC机上不能同时使用两种以上的通讯连接如PC/PPI电缆、MODEM、访问同一个或不同的PLC。63S7200PLC与PCACCESS的通讯设置安装PCACCESS后，运行之，在联接上设置PC通讯口（下拉菜单的PG/PC接口），主界面如图13所示图13SETPG/PCINTERFACEA显示当前的编程软件使用的编程访问路径及应用的协议，图中设置为MICRO/WIN27通过PC/PPI电缆用PPI协议与S7200通信；B显示当前的通信设备及使用的协议，这里使用PC/PPI电缆并使用PPI协议；C按此按钮设置当前使用的设备的属性；D在此区域内选择要用的设备，如CP5611（PPI）；E如果在D区中找不到设备，可以按“SELECT”按钮进入添加/删除通信硬件的界面。启动PCACCESS，新建一个工程（TIAN），增加新PLC（NEWPLC）、变量（ITEM1），如图14，图15所示图14新建一个工程图15新建变量建好的数据可以作客户端测试；连接PLC，PPI电缆并通电；鼠标将建立的数据拖拽到测试客户机栏中；下拉菜单状态启动测试客户机，测试所建项目，如果质量显示“好”，表示通讯数据正确；文件保存之。否则要检查接口或者重新设置，注意一定要保存，否则在WINCC与PCACCESS建立变量链接时，将找不到相应的ITEM见图16，28图16启动测试64PCACCESS与WINCC的通讯设置安装WINCC60，会自动装载OPC客户端，运行WINCC，在变量管理中的添加新的驱动程序，在WINCC安装目录下的BIN中选择OPC的WINCC通讯驱动程序CHN；则在变量管理中会出现该驱动程序的变量组链；OPCGROUPS（OPCCHNUNIT1），见图17，图17添加OPC驱动在OPCGROUPS点击新的程序连接，建立一个新的驱动程序连接，见图18。29图18新建驱动程序连接选择系统参数，打开OPC条目管理器；选择LOCAL中的S7200OPCSERVER,并点击过滤服务器,在弹出过滤标准的对话框中,接着点击下一步，出现已经建立的S7200OPCSERVER对话框；选择已建的ITEMS，