【文章內(nèi)容簡介】 流程 10 在本系統(tǒng)采用的是 Profibus DP 協(xié)議，模塊型 DP 從 站， 電氣網(wǎng)絡(luò)使用帶屏蔽層的雙絞線電纜。 RS 485 接口使用電壓差分信號，所以它比電壓或電流接口更抗干擾。在PROFIBUS 中，節(jié)點通過總線端子或總線連接器連接到總線 (每個網(wǎng)段至多 32個節(jié)點 )，一個網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的最大數(shù)目限制在 127個（其中 0 號站用于編程設(shè)備， 1號站用于 HMI）。單獨的網(wǎng)通過 RS485 中繼器連接到一起。傳輸速率可以逐級從 kbit/s 調(diào)整到 Mbit/s。對于實時性要求極高的 PROFIBUS DP應(yīng)用，也可以采用符合 IEC 61158/ EN 50170的傳輸速率： 6和 12 Mbit/s。最大網(wǎng)段長度取決于傳輸速率。電氣網(wǎng)絡(luò)組態(tài)為樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖 26 系統(tǒng)框圖 為了保證 PROFIBUS 的正?？煽康墓ぷ?，在總線的兩端應(yīng)安裝終端電阻（阻值為220Ω ），終端電阻分為有源終端電阻和無源終端電阻，對于無源終端電阻所連接的站必須始終通電，這樣才能保證 PROFIBUS工作正常。如果需要擴展總線的長度或者 PROFIBUS從站數(shù)大于 32個時，就要加入 RS485 中繼器， RS485 中繼器具有信號放大和再生功能，在一條 PROFIBUS 總線上最多可安裝 9個西門子 RS485 中繼器。中繼器是一個有源的 網(wǎng)絡(luò)元件，本身在網(wǎng)絡(luò)中也算做一個站點。 RS485 中繼器還可使網(wǎng)段之間相互實現(xiàn)電氣隔離。 超純水系統(tǒng) 下位控制中心為西門子 S7400 PLC，在 PROFIBUS現(xiàn)場總線上 S7400 PLC是主站，選用 CPU4174H，有強大的通訊功能，自身帶有一個 PROFIBUSDP 接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場觸摸屏采用 PROFIBUSDP總線實現(xiàn)高速通訊，完成整個 系統(tǒng) 的 壓力 、頻率 、 流量、導(dǎo)電度 控制等功能。 PLC 接受上位機優(yōu)化控制指令，可以根據(jù) 水池水位和設(shè)備出口壓力要求 自動調(diào)節(jié) 相關(guān)泵運轉(zhuǎn)頻率 以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時 PLC 將 各分部運行參數(shù)送往上位機，以便及時了解生產(chǎn)狀況。 整個系統(tǒng)采用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實現(xiàn)都由現(xiàn)場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統(tǒng)中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬個四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 線路接點 ， 大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時實現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化 ， 徹底杜絕了現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)運行的影響。 PLC 基本概念 簡介 英文稱 Programmable Logic Controller，簡稱 PLC。 它 是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計 [6]。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 PLC 它又可分為一體式 PLC 和模塊式 PLC。一體式 PLC系統(tǒng)框圖如圖 27[7]；模塊式PLC 組要由機架、 CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信模塊、電源模塊和 編程設(shè)備組成。 如圖 28；圖 29為邏輯結(jié)構(gòu)圖。 圖 27 一體式 PLC框圖 個模塊安裝在機架上。通過 CPU 模塊或通信模塊上的通信接口， PLC 被 連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計算機、其他 PLC 或者其他設(shè)備通信。其中， CPU 是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入 /輸出設(shè)備與 CPU 之間的接口電路，通信接口用于與第 2章 超純水及處理系統(tǒng)流程 12 編程器、上位計算機等外設(shè)連接。 PLC 分為整體式和模塊式兩種。下面就模塊式 PLC 各個部分介紹。 圖 28模塊式 PLC框圖 圖 29 PLC邏輯結(jié)構(gòu)圖 ? .CPU 模塊 CPU 模塊主要由微處理芯片和存儲器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 ? .信號模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O模塊，開關(guān)量輸入 /輸出模塊簡稱為 DI 模 塊和 DO模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡稱為 AI/AO 模塊，它們統(tǒng)稱為信號四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 模塊。它聯(lián)系著外部現(xiàn)場設(shè)備和 CPU。 輸入模塊用來接受和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接受從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)壓力繼電器等的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬電流電壓信號。 開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。 CPU 模塊內(nèi)部工 作電壓一般事 5V。而 PLC 的輸入 /輸出信號電壓一般較高，因此從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能毀壞 CPU 模塊，或使 PLC 不能正常工作 。在信號模塊中，用光電耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離 PLC 的內(nèi)部電路和外部的輸入 /輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 ? .功能模塊 為了增強 PLC 的功能，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)， PLC 還有各種功能模塊，它們主要用于完成某些對時實性和存儲容量要求很高的控制任務(wù)。 ? .接口 模塊 CPU 所在機架稱為中心機架，如果一個機架不能容納所有模塊，可以增設(shè)一個或多個機架。接口模塊就是用來實現(xiàn)中央機架和擴展機架之間的通信和提供電力。 ? .通信模塊 通信模塊用于 PLC 之間， PLC與遠(yuǎn)程 I/O 之間， PLC 與計算機之間和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將 PLC 接入 MPI、 Prefibus、 ASi和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于實現(xiàn)點對點通信等。 ? .電源模塊 PLC 一般使用 AC220V 或者 DC24V 電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為 DC24V 電壓和 背板總線上的 DC5V電壓，供其他模塊使用。 S7400 式具有中高檔性能的 PLC，采用模塊化五風(fēng)扇設(shè)計，適用于可靠性極高的大型復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 S7400 采用大模塊結(jié)構(gòu)，大多數(shù)模塊的尺寸為 25mmx290mmx210mm。 S7400 由機架、電源模塊、中央處理單元、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、通信處理器、功能模塊和接口模塊組成。 機架用于固定模塊、提供模塊工作電壓和實現(xiàn)局部接地，并通過信號總線將不同模塊連接。 S7400 的模塊插在焊接在機架中的總線連接板上，模塊插在模塊插座 上，有第 2章 超純水及處理系統(tǒng)流程 14 不同插槽數(shù)的機架供選擇，如果一個機架不能容納所有模塊，可 以增設(shè)數(shù)個擴展機架，個機架之間用接口模塊和通信電纜交換信息。 S7400 為西門子的中高端性能的 CPU，采用模塊化設(shè)計，適用于對可靠性要求極高的大型復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其主要特點為： ① 運行速度高， 416 執(zhí)行一條二進制指令只要 。 ② 存儲容量大， 4174的 RAM 可以擴展到 16M，裝載存儲器 (FEPROM/RAM)可以擴展到 64M； ③ I/O 擴展功能強，可以擴展 21 個機架， S74174最多可以擴展 262144 個數(shù)字量I/O 點和 16384 個模擬點； ④ 有極強的通信能力，容易實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)和冗余控制系統(tǒng)，集成的 MPI（多點接口）能建立 32個站的簡單網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù) CPU 集成有 PREFIBUS 主站接口，可以用來建立高速分布系統(tǒng)，使操作大大簡化。 ⑤ 通過鑰匙開關(guān)和口令實現(xiàn)安全保護； ⑥ 診斷功能強，最新的故障和中斷時間保存在 FIFO 緩沖區(qū)。 ⑦ 集成的 HMI（人機接口）服務(wù)，用戶只需要為 HMI 服務(wù)定義源和目的的地址，系統(tǒng)會自動的傳送信息。 S7400 的模塊是通過機架上的總線連接起來的。機架上的 P 總線（ I/O 總線）用于I/O 信號的高速交換和對信號模塊的高速訪問。 UR2H 機架用于在一個機架上配置完整的 S7400 冗余系統(tǒng)，也可用于兩個具有電氣隔離的獨立運行的 S7400CPU，每個均有自己的 I/O。 UR2H 需要兩個電源模塊和兩個冗余 CPU。 S7400 有很強的通信功能 ， CPU 模塊集成有 MPI 和 DP 通信接口，有 PrefibusDP和 LAN 通信的模塊，以及點對點通信模塊。通過 PrefibusDP或 ASi現(xiàn)場總線，可以周期性的交換 I/O 模塊數(shù)據(jù)（過程映像數(shù)據(jù)交換）。在自動化系統(tǒng)之間， PLC 與計算機和 HMI（人機接口）站之間，均可以交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信可以周期性地進行或者基于事件驅(qū)動，由用戶程序塊調(diào)用。 S7/C7 通信對象的通信服務(wù)通過集成在系統(tǒng)中的功能塊來進行?？商峁┑耐ㄐ欧?wù)有：使用 MPI 的標(biāo)準(zhǔn) S7通信；使用 MPI、 C總線、 PrefibusDP 和 LAN的 S7 通信， S7300四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 只能作為服務(wù)器 。 S7417H是 S7400H容錯式自動控制系統(tǒng)和 S7400F/FH安全型自動控制系統(tǒng) CPU，可以編譯和運行 F用戶程序。它們帶有兩個用于安裝同步模塊的插槽。 S74174H 用于程序和用戶數(shù)據(jù)的可擴充 RAM 容量為 10MB；它有兩個 PrefibusDP主站總線接口，不能用于接口子模塊和 IM467，通過 CP 可以擴展 10 個 DP 主站。第一個通信接口的 MPI 連接數(shù)為 44 個，沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)通信和 S7 全局通信功能。第二個通信接口不支持內(nèi)部節(jié)點通信、等時線、 SYNC/FREEZE 功能。 集成的 MPI 的最大通信速率為 ,最多 32 個站，可以建立 64 個連接。診斷緩沖區(qū)可以保存 120 個故障和中斷時間 [7]。 現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (Fieldbus Control System, FCS)[7]用數(shù)字信號取代模擬信號，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)， 又是 一種全分布的控制系統(tǒng) 。它 是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)，以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本 控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。 FCS 用 “ 工作站－現(xiàn)場總線智能儀表 ” 的二層機構(gòu)完成了集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System, DCS)“ 操作站－控制站－現(xiàn)場儀表 ” 的三層結(jié)構(gòu)模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的 行列，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域 ； 一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費用；節(jié)省維護開銷；提高了系統(tǒng)的可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán) 等優(yōu)點。 我們采用的為以西門子 PLC 為主的控制系統(tǒng)，其 CPU、變頻器等都帶有 Prefibus接口，所以為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)計維護方便，采用了 Prefibus 為現(xiàn)場控制總線。 1 .Prefibus 總線 PROFIBUS 是 Process Fieldbus 的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) , 即 EN50170 歐洲標(biāo)準(zhǔn) ，它具有 先進的技術(shù)和非凡的可靠性 ， 應(yīng)用范圍非常廣泛。 Profibus 遵循 ISO/OSI 模型，其通信模型由三層構(gòu)成 :物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。 PROFIBUS 由三部分組成， PROFIBUSFMS (Fieldbus Message Specification，現(xiàn)第 2章 超純水及處理系統(tǒng)流程 16 場總線報文規(guī)范 )、 PROFIBUSDP (Decentralized Periphery，分散型外圍設(shè)備 )、PROFIBUSPA(Process Automation，過程自動化 )。 PROFIBUS 是一種現(xiàn)場總線，因此可以將數(shù)字自動化設(shè)備從底級 (傳感器／執(zhí)行器 )到中間執(zhí)行級 (單元級 )分散開來。通信協(xié)議按照應(yīng)用領(lǐng)域進行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實現(xiàn)。參照 ISO／ OSI 參考模型， PROFIBUS 只包含第 l， 2,和 7 層。 PROFIBUS協(xié)議層或子層說明如下： （ 1)PROFIBUS 第 1層。第 1層 — PHY：第 1層規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。 PROFIBUS 通 過采用差分電壓輸出的 RS485 實現(xiàn)電流連接。在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹型結(jié)構(gòu)還可能用到中繼器。 （ 2)PROFIBUS 第 2層。第 2層 — MAC：第 2層的介質(zhì)存取控制 (MAC)子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取