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1、过程控制与现场总线技术课程设计基于PROFIBUS现场总线技术的PLC控制系统研究学 院：机械与电气工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 电气2008级 姓 名： 学 号： 指导教师： 20 11年 12 月27 日目 录1.课程设计目的 3 1.1当今现状分析 3 1.2未来的发展趋势 3 1.3现场总线系统在企业网络中的作用与地位 4 1.4本课题研究对象的意义 52.课程设计任务和要求 6 2.1设计任务 6 2.2设计要求 73.设计内容 8 3.1课程设计各版块的选取 10 3.11总线标准的选取 11 3.12 PLC型号的选取 12 3.2控制系统组网 134、设计总结
2、145、参考书目 14一设计目的1、当今现状分析当今社会，工厂及各种生产控制现场对控制系统的精度、复杂度、适时性的进一步提高，无疑就对控制系统的要求更加苛刻；随着控制、计算机、网络等技术及发展，控制系统在历经了组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统，发展到当前的现场总线控制系统。控制系统正由封闭的集中体系向分散化、网络化、智能化方向发展。基于以上背景，在工业控制领域中，现场总线技术将成为主流。然而在控制领域PLC的普及已经是上个世纪的事情，然而随着组网PLC的出现，又加快了控制系统的发展。在控制系统分散化、网络化、智能化高度发展的今天，由于PLC具有实时性、高可靠性、系统配置简单
3、灵活、丰富的I/O卡件、安装维修方便等诸多优点，所以PLC仍然是将来控制系统中的主体。现场总线原本是指现场设备间公用的信号传输线，早期又被叫做工业电话线。现被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。可见现场总线已经是一类技术的总称了。而如今，各种现场总线技术出现了百花齐放、兴盛发展的态势。2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。 Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 7CC-Link T
4、ype 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线2、未来的发展趋势 随着计算机、信息技术的飞速发展，20世纪末世界最重大的变化是全球市场经济的逐渐形成，从而导致了竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快处于全球市场中的工业生产必须加快产品的开发。随着计算机与计算机网络技术的迅速发展，使计算机集成制造系统具备了良好的实施基础。处于企业生产过程底层的测控自动化系统，如果继续采用模拟仪表
5、，采用DCS模拟数字混合系统，就难以与外界交换信息，难以支持计算机集成制造的系统的实施。现场总线系统是实现整个生产过程信息集成，实施综合自动化的重要基础，它适应了信息时代自动化系统智能化、网络化、综合自动化的发展需要。所以任然是未来自动化领域的主流。 3、现场总线系统在企业网络中的作用与地位现场总线系统在企业网络中的作用主要是为自动化系统传递数字信息，借助现场总线的控制设备连接成控制网络。它所传递的数字信息主要包括生产运行参数的测量值、控制值、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数改、零点量程调校信息等。它们是企业信息的重要组成部分。企业的管理控制一体化系统需
6、要控制信息的参与，生产的优化调度需要实现装置间上网数据交换，需要集成不同生产装置的数据。这些都要求在现场控制层内部，在FCS与MES、ERP各层之间，能实现数据传输与信息共享。现场总线系统在设施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。所以现场总线技术是实现企业网络化、智能化必需的技术。4、本课题研究对象的意义 本课题的研究对象为：基于PROFIBUS现场总线技术的PLC控制系统研究。契合了未来发展的主流，很有研究意义。二、课程设计的任务和要求 1、设计任务设计一个基于PROFIBUS现场总线的PLC控制系统指出其中的主站（一类主站、二类主站），从站系统中各元件的介
7、绍 2、设计要求在本设计中要求有PROFIBUS总线的体现在本设计中要求有一类主站、二类主站在本设计中要求有多个从站 三、设计内容1、课程设计各版块的选取 （1）、总线标准的选取现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立，出现了百花齐放、兴盛发展的态势。各种总线在其特定的领域显示出了各自的特点及优势，这也是标准尚未形成的原因。其中较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场
8、总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、ASINTERFACE总线等。基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）：是由现场总线基金会组织开发的，已被列入IEC 61158标准。这是为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上得需要而专门设计的。FF适合在流程工业的生产现场工作，能适应本质安全防爆的要求，还可以通过通信总线为现场设备提供工作电源。在1996年正式颁布了通信速率为31.2kb/s的低速总线H1标准。1988年又组织开发了通信速率为10/100Mb/s的高速网段HSE。CAN总线：是控制器局域网的简称，是德国Bosch公司在1986
9、年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信线。已成为ISO国际标准ISO11898。虽然在航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸等领域有所应用，但还是主要用在现代化汽车系统中。LONWORKS现场总线：是一个开放的控制网络平台技术，是国际上普遍用来连接日常设备的标准之一。采用了分布式的智能设备组建网络，同时也支持主从式网络结构。它支持各种通信介质，包括双绞线、电力线、光缆等，该控制网络的核心部分LonTalk通信协议固化在神经元芯片（neuron chip）中。主要用于各种家用电器上。PROFIBUS现场总线：是Process Fieldbus的缩写，是面向工厂自动化
10、和流程自动化的一种国际性的现场总线标准。它已被广泛应用于制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓库系统）、过程自动化（石油化工、造纸和纺织品工业企业）、楼宇自动化（供热空调系统）、交通管理自动化、电子工业和电力输送等行业。在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间传输数据信息，承担控制网络的各项任务。到2005年12月，在全世界安装的PROFIBUS节点已达1540万个。仅仅2005年一年中，PROFIBUS的节点数就增加了280万个之多。PROFIBUS中包含有PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUS-PA三个子集，以满足工厂网络中的多种应用需要。这三个子集在企
11、业网络中的应用层次如下图： PROFIBUSDP主要是面向工厂现场层应用的。DP主要用于完成包括驻如可编程控制器、自动控制设备、传感器、执行器间的快速可靠的通信任务。其网络的传输速度可达12Mb/s。可建成单主站或多主站系统。截止到目前，DP的应用占整个PROFIBUS的80%，代表了PROFIBUS的技术精华和特点，因而有时也会把PROFIBUSDP泛指为PROFIBUS。 由于本课程设计主要是针对的是工厂现场层应用，可编程控制器、自动控制设备、传感器、执行器间的通信与数据交换任务，所以在本课程设计中选用PROFIBUSDP现场总线技术。（2）、PLC型号的选取 PLC（Programmab
12、le Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 德国西门子公司：它有SS系列的产品。有SS95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。性能比S5大有提高。 日本OMRON公司：它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型
13、、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。 美国GE公司、日本FANAC合资的GEFANAC的9070机也是很吸引人的。据介绍。它具有25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781782、771772、731732等多种型号。另外，还有中型机9030系列，其型号有344、331、323、321多种；还有9020系列小型机，型号为211。 美国莫迪康公司(施奈德)的984机也是很有名的。其中E984785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256
14、点，在最大与最小之间，共20多个型号。 美国AB（AlienBradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC5系列是很有名的，其下有PLC5/10，PLC5/11，PLC5/250多种型号。另外，它也有微型PLC，SLC500即为其中一种。有三种配置，20、30及40I/O配置选择，I/O点数分别为12/8、18/12及24/16三种。 日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为A系列。AIS、AZC、A3A等。 日本日立公司也生产PL
15、C，其E系列为箱体式的。基本箱体有E-20、E-28、E40、E64。其I/O点数分别为12/8、16/12、24/16及40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16160之间组合。 日本东芝公司也生产PLC，其EX小型机及EXPLUS小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。 日本松下公司也生产PLC。FPI系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0l微秒。ABGEABB松下以上是几个知名
16、厂商的PLC产品外观图西门子三菱欧姆龙东芝以上是几个知名厂商的PLC产品外观图德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1、SIMATIC S7
17、-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 2、SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件
18、工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大
19、的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。上图为西门子系列PLC的标志及一个PLC实物图以下是西门子PLC S7300的一些常见系列CPU 312 IFM 集成功能模块, 6KB RAM, 24V负载电源及MPI接口,本机10I/6最大扩展144DI/
20、DO, 32AI/AOCPU313, 12KB RAM, 最大扩展128DI/DO, 32AI/AO,带扩展内存卡槽,24V负电源及MPI 接CPU 314, 24KB RAM, 最大扩展 512DI/DO, 64AI/AO,带扩展内存卡槽, 24V负电源及MPI 接口, 可扩展4排CPU 314IFM, 32KB RAM, 最大扩展512DI/DO, 64AI/AO,24V负载电源及MPI 接口,可扩展4排, 本机带 16DI/16DO, 4AI/1AOCPU 314IFM, 32KB RAM, 最大扩展512DI/DO, 64AI/AO,带扩展内存卡槽,24V负载电源及MPI 接口,可扩展
21、4排, 本机带 16DI/16DO, 4AI/1AOCPU 315, 48KB RAM,最大扩展 1024DI/DO, 128 AI/AO,带扩展内存卡槽,24V负载电源及MPI接口CPU 315-2DP, 64KB RAM,最大扩展 1024DI/DO, 128AI/AO,带扩展内存卡槽, 24V负载电源 及MPI接口和Profibus-DP主/从接口CPU 316-2DP, 128KB RAM,最大扩展 1024DI/DO, 128AI/AO,带扩展内存卡槽, 24V负载电源 及MPI接口和Profibus-DP主/从接口CPU 318-2DP, 512KB RAM,最大扩展 16384D
22、I/DO, 2048AI/AO,带扩展内存卡槽, 24V负载电源 及MPI接口和Profibus-DP接口根据以上分析在本课程设计中选取西门子公司的CPU 315-2DP作为主站以下是西门子PLC S7200的一些常见系列6ES7211-0AA23-0XB0 CPU 221 DC/DC/DC 6 输入/4 输出 6ES7212-1AB23-0XB0 CPU 222 DC/DC/DC 8 输入/6 输出 6ES7214-1AD23-0XB0 CPU 224 DC/DC/DC 14 输入/10 输出 6ES7216-2BD23-0XB0 CPU 226 AC/DC/ 继电器24 输入/16 输出
23、6ES7221-1BF22-0XA0 EM 221 数字量输入模块，8 输入24V DC 6ES7222-1BF22-0XA0 EM 222 数字量输出模块，8 输出24 VDC 6ES7223-1BF22-0XA0 EM 223 数字量输入/ 输出模块，4 输入/4 输出24V DC 6ES7231-7PB22-0XA0 EM 231 2 路输入热电阻 6GK7243-1EX00-0XE0 CP 243-1 以太网模块 2、控制系统组网利用西门子的CPU 315-2DP PLC与PROFIBUS现场总线结合组成一个具有主从站多节点的自动控制系统。系统的总体框图如下：系统的总体框图图中的CPU
24、 315、CPU 3421、CPU3435作为该控制系统的主站，CPU 200作为该系统的从站。PROFIBUS中包含了三个子集；即PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA三个子集。PROFIBUS的DP与FMS均采用RS-485作为物理层的连接接口，各自用到得网络层如下所示：上图为PROFIBUS的DP、PA、FMS三类子集所用到的网络层次由上图可知，PROFIBUSDP，与PROFIBUSPA间不能直接连接，中间需要加耦合器，如下图所示：上图为PROFIBUSDP与PROFIBUSPA之间的连接示意图由以上知识可知，PROFIBUS构成的FCS中可以有一类主站，也
25、可以有二类主站，那么它们是怎样连接的，所遵循的规则是什么，哪些能成为1类主站、哪些能成为2类主站、哪些既可以作为1类主站又可以作为2类主站呢？连接方式又是怎样的？PROFIBUS中1类主站与2类主站的连接示意图如下图所示：上图为一类主站与二类主站间的连接图那么究竟哪些可以充当一类主站，哪些有只能做二类主张呢？1类主站：1类主站指有能力控制若干从站、完成总线通信控制与管理的设备。如PLC、PC等均可作为一类主站。2类主站：2类主站指有能力管理1类主站的组态数据和诊断数据的设备，还可以具有1类主站所具有的全部通信能力，用于完成各站点的数据读写、系统组态、监视、故障诊断等。如编程器、操作员工作站、操
26、作员接口等都是2类主站。从站：提供I/O数据并可以分配给1类主站的现场设备，也可以提供报警等非周期性数据。从站在主站的控制下完成组态、参数修改、数据交换等。从站由主站统一编制，接收主站指令，按主站的指令驱动I/O，并将I/O的输入及故障诊断等信息返回给主站。驱动器、传感器、执行机构等带有PROFIBU接口的I/O现场设备均可以作为从站。PROFIBU的DP、PA、FMS均采用单一的总线访问方式。那么究竟谁拥有总线的控制权，当发生冲突时又是怎样解决的呢？如下图所示：PROFIBUS总线访问方式PROFIBUS的总线访问控制包括如图所示的主站之间的令牌传送方方式、主站与从站之间的主从方式。其中令牌
27、传送方式如下图所示：四、设计总结在PLC控制系统中应用现场总线技术实现PLC与现场设备、客户端、服务器间实时通信，达到分散优化综合控制是工业控制领域的热门问题。综合控制系统设计的优良直接影响着工业生产的经济性。深入研究应用PLC及现场总线控制技术会为我国在工业自动化领域的进一步发展做出有益贡献。 工控行业领军企业的西门子的PROFIBUS与SIMATIC系列PLC控制系统提供了完善的软硬件支持和系统的解决方案。这样缩短了工控系统的开发周期，扩展了设备间的通信能力，优化了软件设计，增强了系统兼容性。因此从理论上研究PROFIBUS现场总线以及深入探讨西门子SIMATIC系列PLC能够拉近我国工业
28、自动化与外国的差距，提升我国自动化产业的竞争力。 本文从分析PROFIBUS现场总线技术入手，研究PROFIBUS-DP协议及其报文结构，阐述SIMATIC S7-300系列PLC中PROFIBUS总线的应用。在原有电线生产线电气原理图基础上，用PLC取代原有继电控制系统，完成了硬件选型，程序块定义及梯形图程序编辑及仿真调试、下载，实现了电线生产线的PLC控制；同时利用西门子公司WinCC软件实现了上位机与PLC的通讯，完成了电线生产线监控系统的设计。 这一研究的目的在于实现基于PROFIBUS现场总线的Siemens PLC S7-300控制系统设计及组态，包括PLC控制系统设计、上位机管理
29、和监控系统设计。对于总线协议的研究可以更深入的掌握PROFIBUS的通信机制。结合电线生产线应用S7-300 PLC及WinCC更具实用价值。PLC控制系统与现场总线技术的结合，实现了系统高速实时通信的目的，增强了系统的稳定性，安全性和实时性。五、参考文献1、阳宪惠主编的现场总线技术及其应用，清华大学出版社2008年10月第二版。2、廖常初主编的S7-300/400 PLC 应用技术，机械工业出版社2011年1月第二版。3、吴志敏 阳胜峰 编著西门子PLC与变频器、触摸，中国电力出版社2009年7月出版。4、王耀荣主编工业控制标准总线 微型计算机原理及应用，电子工业出版社1995年09月出版。
