基于PROFIBUS總線的溫度控制系統(tǒng)

許連閣　于曉云

遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（丹東　118009）

基于PROFIBUS總線的溫度控制系統(tǒng)

許連閣于曉云

遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（丹東118009）

提出了基于PROFIBUS總線的溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，給出了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、功能及軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊、分散控制及數(shù)據(jù)管理功能。

PROFIBUS；PLC；溫度控制；分散控制系統(tǒng)

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，液位、溫度、流量、壓力、速度等許多模擬量是常用的主要被控參數(shù)。其中溫度的控制尤為普遍，在諸如化工、電力、冶金、食品、造紙、微波應(yīng)用、機(jī)械制造行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中，都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。比如微波場溫度控制，陶瓷窯溫度控制，回轉(zhuǎn)窯分解爐溫度控制，火電廠蒸汽溫度的控制，智能大廈、蔬菜大棚、恒溫廠房、大中型糧倉、庫房等多點(diǎn)溫度控制。

1　溫度監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的問題

在過去的控制系統(tǒng)中，一般采用組合儀表分散控制方式，其特點(diǎn)是每一個(gè)溫度控制點(diǎn)自己都獨(dú)占一套控制回路，通過操作臺(tái)或控制盤上的開關(guān)或按鈕來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場進(jìn)行操作，各個(gè)控制回路之間在控制上無任何聯(lián)系。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是：相對比較安全，當(dāng)一路控制回路出現(xiàn)故障后，并不影響其他回路正常工作。但是，隨著現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)日趨大型化，復(fù)雜化，仍采用常規(guī)儀表面對大量信息量和指令量，獨(dú)立工作的控制裝置和控制開關(guān)是很難勝任的，將需用很多很長的監(jiān)控儀表盤、臺(tái)。重要的是，在信息化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化的今天，仍然面向儀表的管理方式己不符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。隨后有的企業(yè)采用計(jì)算機(jī)集中控制，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度測量、顯示以及控制算法，反饋控制信號的輸出都是由該計(jì)算機(jī)完成，而且還要在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一些簡單的管理功能，如圖表的顯示，報(bào)表的打印等，但是，由于所有的控制及管理功能都要由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成，可靠性便成為非常突出的問題。而且這種控制方法，一般都沒有冗余設(shè)計(jì)，一旦計(jì)算機(jī)死機(jī)或出現(xiàn)其它問題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被迫停止運(yùn)行。為了將計(jì)算機(jī)的故障減小，使危險(xiǎn)分散，現(xiàn)在的企業(yè)多數(shù)采用DCS控制系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)集散控制。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)分布式控制，各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞，使系統(tǒng)的可靠性有了極大的提高。由于不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。在各種通信方式中，面向工業(yè)控制的現(xiàn)場總線技術(shù)從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬或數(shù)字-模擬信號控制的局限性，為真正的“分散式”控制，“集中式”管理提供了技術(shù)保證?；诂F(xiàn)場總線的計(jì)算機(jī)控制采用現(xiàn)場總線的通訊方式，使通信的線路減少，成本更低，可靠性更高。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用西門子全集成自動(dòng)化產(chǎn)品，由SIEMENS的S7-300系列的CPU314作為主站，利用CP342-5通訊模塊，通過profibus總線與三臺(tái)遠(yuǎn)程分布式I/O相連，其中S7-314通過MPI編程口用profibus電纜（屏蔽雙絞線）與一臺(tái)IPC上位機(jī)連接，組成典型的單主站分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)以上位機(jī)IPC作為監(jiān)控中心，利用組態(tài)王工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)界面系統(tǒng)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大完善的監(jiān)控功能。其中三個(gè)遠(yuǎn)程I/O站ET200M分別設(shè)在不同的車間，完成各自不同的功能。第一個(gè)站選用的是SM331兩路12位輸入模擬量模塊和SM332兩路12位輸出模擬量模塊，其中SM331兩路12位輸入模擬量模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測來自一號車間的溫度和液位值，SM332兩路12位輸出模擬量模塊用于控制一號車間的加熱棒的可控硅調(diào)壓器，通過PID運(yùn)算構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成一號車間的恒溫控制功能。第二個(gè)站選用的是SM331兩路12位輸入模擬量模塊和SM332兩路12位輸出模擬量模塊，其中SM331兩路12位輸入模擬量模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測來自二號車間的溫度和液位值，SM332兩路12位輸出模擬量模塊用于控制二號車間加熱棒的可控硅調(diào)壓器及連續(xù)調(diào)節(jié)閥，并通過PID運(yùn)算構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成二號車間的恒溫度、恒液位控制功能。第三個(gè)站選用的是SM331兩路12位輸入模擬量模塊，SM332兩路12位輸出模擬量模塊和SM323八入八出數(shù)字量模塊，其中SM331兩路12位輸入模擬量模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測來自三號車間的壓力和液位值，SM332兩路12位輸出模擬量模塊用于控制三號車間的連續(xù)調(diào)節(jié)閥，完成三號車間的恒液位控制功能，并通過PID運(yùn)算構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)自三號車間的壓力值，通過變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成三號車間恒壓供水的功能。SM323的八個(gè)輸入點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場手動(dòng)控制功能，在對系統(tǒng)進(jìn)行維修和一旦發(fā)生緊急狀況時(shí)，可以手動(dòng)控制三個(gè)車間的電機(jī)起停及加熱棒的開關(guān)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的通訊，三個(gè)車間系統(tǒng)功能的完成，現(xiàn)場手動(dòng)部分控制功能的實(shí)現(xiàn)以及報(bào)警功能的完成。

（1）主站與從站之間的通訊功能是依靠兩個(gè)通訊用的數(shù)據(jù)塊和STEP7提供的FC1和FC2來實(shí)現(xiàn)。程序如下：

（2）三個(gè)車間系統(tǒng)功能的完成主要在三個(gè)子程序FB1，F(xiàn)B2，F(xiàn)B3中完成，其中每個(gè)車間都要通過PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能，利用四個(gè)背景數(shù)據(jù)塊和STEP7提供的SFC41完成相應(yīng)的功能。

（3）現(xiàn)場手動(dòng)部分控制功能的實(shí)現(xiàn)以及報(bào)警功能的完成分別在FB4和FB5中完成，其中報(bào)警主要包括壓力超限報(bào)警、溫度超限報(bào)警、液位超限報(bào)警、無水時(shí)加熱報(bào)警等。

3.2監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控部分是在上位機(jī)上通過組態(tài)王工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)主要任務(wù)是界面部分、控制部分和與PLC通訊部分。通過組態(tài)王提供的工具，對現(xiàn)場的情況用形象的圖形描繪出來，并用相應(yīng)的命令語言實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫及控制功能，把現(xiàn)場所有的可控部分全部用逼真的圖形及動(dòng)畫顯示出來，并可以方便的實(shí)現(xiàn)三個(gè)車間的切換及控制，曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)報(bào)表的查詢和打印。其中一個(gè)車間的設(shè)計(jì)界面如圖2所示：

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)界面

4　結(jié)語

本系統(tǒng)投入運(yùn)行使用，系統(tǒng)性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)簡單方便、抗干擾能力強(qiáng)，用戶非常滿意，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王立琦，張禮勇.基于CAN總線的通用多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)［［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（1）.

［2］薛菲.基于PROFIBUS-DP總線技術(shù)的PLC與主從站間的通信［［J］.PLC&FA，2004，（3）：54.

（責(zé)任編輯：文婷）

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10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0003