【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(hào)，所以它比電壓或電流接口更抗干擾。在PROFIBUS 中，節(jié)點(diǎn)通過總線端子或總線連接器連接到總線 (每個(gè)網(wǎng)段至多 32個(gè)節(jié)點(diǎn) )，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目限制在 127個(gè)（其中 0 號(hào)站用于編程設(shè)備， 1號(hào)站用于 HMI）。單獨(dú)的網(wǎng)通過 RS485 中繼器連接到一起。傳輸速率可以逐級(jí)從 kbit/s 調(diào)整到 Mbit/s。對(duì)于實(shí)時(shí)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(zhǎng)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?？煽康墓ぷ鳎诳偩€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(wú)源終端電阻，對(duì)于無(wú)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(kuò)展總線的長(zhǎng)度或者 PROFIBUS從站數(shù)大于 32個(gè)時(shí)，就要加入 RS485 中繼器， RS485 中繼器具有信號(hào)放大和再生功能，在一條 PROFIBUS 總線上最多可安裝 9個(gè)西門子 RS485 中繼器。中繼器是一個(gè)有源的 網(wǎng)絡(luò)元件，本身在網(wǎng)絡(luò)中也算做一個(gè)站點(diǎn)。 RS485 中繼器還可使網(wǎng)段之間相互實(shí)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(chǎng)總線上 S7400 PLC是主站，選用 CPU4174H，有強(qiáng)大的通訊功能，自身帶有一個(gè) PROFIBUSDP 接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用 PROFIBUSDP總線實(shí)現(xiàn)高速通訊，完成整個(gè) 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(jī)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(dòng)調(diào)節(jié) 相關(guān)泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率 以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時(shí) PLC 將 各分部運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。 整個(gè)系統(tǒng)采用 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實(shí)現(xiàn)都由現(xiàn)場(chǎng)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(wàn)個(gè)四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 線路接點(diǎn) ， 大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化 ， 徹底杜絕了現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。 PLC 基本概念 簡(jiǎn)介 英文稱 Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱 PLC。 它 是一種數(shù)字運(yùn)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(jì) [6]。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(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(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 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(jī)架、 CPU 模塊、信號(hào)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(gè)模塊安裝在機(jī)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(jì)算機(jī)、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(chǎng)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(jì)算機(jī)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(gè)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(chǔ)器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊不斷的采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 ? .信號(hào)模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡(jiǎn)稱為 I/O模塊，開關(guān)量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱為 DI 模 塊和 DO模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱為 AI/AO 模塊，它們統(tǒng)稱為信號(hào)四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 模塊。它聯(lián)系著外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 CPU。 輸入模塊用來接受和采集輸入信號(hào)，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(hào)；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬電流電壓信號(hào)。 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(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動(dòng)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(hào)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(hào)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(hào)模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 ? .功能模塊 為了增強(qiáng) PLC 的功能，擴(kuò)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(duì)時(shí)實(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)。 ? .接口 模塊 CPU 所在機(jī)架稱為中心機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納所有模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)機(jī)架。接口模塊就是用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)，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(jī)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(jī)架用于固定模塊、提供模塊工作電壓和實(shí)現(xiàn)局部接地，并通過信號(hào)總線將不同模塊連接。 S7400 的模塊插在焊接在機(jī)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(jī)架供選擇，如果一個(gè)機(jī)架不能容納所有模塊，可 以增設(shè)數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，個(gè)機(jī)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(jì)，適用于對(duì)可靠性要求極高的大型復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為： ① 運(yùn)行速度高， 416 執(zhí)行一條二進(jìn)制指令只要 。 ② 存儲(chǔ)容量大， 4174的 RAM 可以擴(kuò)展到 16M，裝載存儲(chǔ)器 (FEPROM/RAM)可以擴(kuò)展到 64M； ③ I/O 擴(kuò)展功能強(qiáng)，可以擴(kuò)展 21 個(gè)機(jī)架， S74174最多可以擴(kuò)展 262144 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)和 16384 個(gè)模擬點(diǎn)； ④ 有極強(qiáng)的通信能力，容易實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)和冗余控制系統(tǒng)，集成的 MPI（多點(diǎn)接口）能建立 32個(gè)站的簡(jiǎn)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(jiǎn)化。 ⑤ 通過鑰匙開關(guān)和口令實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)； ⑥ 診斷功能強(qiáng)，最新的故障和中斷時(shí)間保存在 FIFO 緩沖區(qū)。 ⑦ 集成的 HMI（人機(jī)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(huì)自動(dòng)的傳送信息。 S7400 的模塊是通過機(jī)架上的總線連接起來的。機(jī)架上的 P 總線（ I/O 總線）用于I/O 信號(hào)的高速交換和對(duì)信號(hào)模塊的高速訪問。 UR2H 機(jī)架用于在一個(gè)機(jī)架上配置完整的 S7400 冗余系統(tǒng)，也可用于兩個(gè)具有電氣隔離的獨(dú)立運(yùn)行的 S7400CPU，每個(gè)均有自己的 I/O。 UR2H 需要兩個(gè)電源模塊和兩個(gè)冗余 CPU。 S7400 有很強(qiáng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模塊。通過 PrefibusDP或 ASi現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)之間， PLC 與計(jì)算機(jī)和 HMI（人機(jī)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(jìn)行或者基于事件驅(qū)動(dòng)，由用戶程序塊調(diào)用。 S7/C7 通信對(duì)象的通信服務(wù)通過集成在系統(tǒng)中的功能塊來進(jìn)行。可提供的通信服務(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(jì)（論文） 15 只能作為服務(wù)器 。 S7417H是 S7400H容錯(cuò)式自動(dòng)控制系統(tǒng)和 S7400F/FH安全型自動(dòng)控制系統(tǒng) CPU，可以編譯和運(yùn)行 F用戶程序。它們帶有兩個(gè)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(kuò)充 RAM 容量為 10MB；它有兩個(gè) PrefibusDP主站總線接口，不能用于接口子模塊和 IM467，通過 CP 可以擴(kuò)展 10 個(gè) DP 主站。第一個(gè)通信接口的 MPI 連接數(shù)為 44 個(gè)，沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)通信和 S7 全局通信功能。第二個(gè)通信接口不支持內(nèi)部節(jié)點(diǎn)通信、等時(shí)線、 SYNC/FREEZE 功能。 集成的 MPI 的最大通信速率為 ,最多 32 個(gè)站，可以建立 64 個(gè)連接。診斷緩沖區(qū)可以保存 120 個(gè)故障和中斷時(shí)間 [7]。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (Fieldbus Control System, FCS)[7]用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長(zhǎng)信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把掛接在總線上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本 控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、綜合自動(dòng)化等多項(xiàng)功能。 FCS 用 “ 工作站－現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表 ” 的二層機(jī)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(chǎng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)雙絞線上可掛接多個(gè)控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費(fèi)用；節(jié)省維護(hù)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(dòng)權(quán) 等優(yōu)點(diǎn)。 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(jì)維護(hù)方便，采用了 Prefibus 為現(xiàn)場(chǎng)控制總線。 1 .Prefibus 總線 PROFIBUS 是 Process Fieldbus 的縮寫，是由德國(guó)西門子公司提出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國(guó)際性的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) , 即 EN50170 歐洲標(biāo)準(zhǔn) ，它具有 先進(jìn)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(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范 )、 PROFIBUSDP (Decentralized Periphery，分散型外圍設(shè)備 )、PROFIBUSPA(Process Automation，過程自動(dòng)化 )。 PROFIBUS 是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，因此可以將數(shù)字自動(dòng)化設(shè)備從底級(jí) (傳感器／執(zhí)行器 )到中間執(zhí)行級(jí) (單元級(jí) )分散開來。通信協(xié)議按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實(shí)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(shí)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