刘翠玲 秦彬彬 窦森磊 王志凯

北京工商大学 北京 100048

过程控制系统是自动化类专业的主要专业课程之一，过程控制技术在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中应用广泛，尤其对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。也正因此，这门课的实验过程以及课程设计变得比较重要。通过实验室或者模拟实习工厂的练习可使学生对过程控制这门课有较深层次的理解，能较好地掌握过程控制系统的设计过程、实施步骤、投运和参数整定方法，培养学生的实践能力，为以后工作打下坚实基础。鉴于此，我们在过程控制系统课程设计的教学环节，基于A3000过程控制实验系统平台，为学生设计了一套基于DP总线的S7-300控制系统，使学生能学习掌握整套系统的搭建及控制过程。

现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线系统(FCS)是开放系统，开放是指通信协议开放，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。实验中DP总线允许学生按自己的需要把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，使得现场总线可构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

1 控制系统的总体架构

以液位和进口流量串级控制为例，流程图如图1所示。

水介质二路(II路)由泵P102(工频)从水箱V104中加压获得压头，经流量计FT-102，电动阀FV-101，水箱V-103，手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-102测得。本例为串级调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，以FT-102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路—以LT-103为被控变量的液位控制系统。

以FT-102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路—流量变动的时间常数小，时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前、快速、反应灵敏等要求。

下水箱V103为主对象，流量FT-102的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位，时间常数比较大、时延大。

由上分析知：副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。

串级控制系统方框图如图2所示

以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小，时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。

下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用(要加大流量，须加大调节阀开度)，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用(要提高液位，须加大调节阀开度)，自动。

2 硬件配置

本控制系统选用的下位机组态软件为西门子的Step7软件，西门子公司S7系列PLC产品在自动化系统中应用广泛，市场占有率高，在实验中学习该控制器的使用，对于学生的后续学习和工作大有裨益。部分S7系列PLC集成有PROFIBUS-DP接口，也可以通过通信处理器连接到总线。Step7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。

为了在个人计算机上使用Step7完成此控制系统，应配置PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络下载和上载PLC的用户程序和组态数据，DP数据总线连接CPU与变频器。

新建工程，增加S7-300站点。打开硬件组态界面，插入机架，插入CPU，需要支持DP通讯。此处选择CPU313C-2DP，并设置通讯参数，插入电源PS 307 2A。将MICROMASTER 4拖放到DP主站系统上，设置地址为12(与变频器地址对应)。在MICROMASTER 4下，选择CATALOG窗口中的4 PKW，2PZD(PPO1)，双击会自动添加。配置工程时与实际物理订货号一致，必要时更新GSD文件。

最终配置结果如图3所示。

图3 硬件配置最终结果图

打开S7目录的树形结构Blocks，在OB1中编写系统循环调用的主程序，一般用梯形图语言，根据系统要求调用标准功能块，完成软件编程设计。程序中接收和发送数据使用DB块。编译无误后，即可与系统的网络组态分别下载到PLC控制器中正常工作。

范例程序如图4所示。

图4 串级控制程序编程示例

3 人机界面设计

上位机监控组态软件采用亚控科技的组态王软件设计。

组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，能很好地和大多数工控装置兼容，不需要像VC那样编写对外接口以及驱动程序。组态王控件库中有很多工业应用器件，能满足很多现场设备的使用。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为实验者提供了可视化监控画面，有利于实验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利地生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

示例串级控制系统最终设计界面如图5所示：

图5 串级实验最终界面

实验调试曲线如图6所示。

图6 液位流量串级控制曲线

主回路PI参数P=2，I=20 000。副回路P=20。

4 结束语

基于DP的S7-300实验设计，可使学生完成整个系统的设计、组态、投运全过程，并且我们配置了视频指导书，便于学生自助实验。

实践证明，学生在完成过程控制系统课程设计实验的过程中，能深入了解过程控制系统的分析和设计，学习PLC应用技术及组态软件的使用，了解和掌握目前典型的先进工业控制技术，掌握DP现场总线技术的相关知识，提高工程实践能力和动手能力。

[1]深入浅出西门子S7-300PLC[M]北京:北京航空航天大学出版,2004.

[2]李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[3]李志刚,阳春华.现场总线网络控制实验室的设计及应用[J].自动化与仪表,2006(3):30-33.

[4]中国电机工程学会.中国电机工程学会年会论文集[C].2009.