【正文】 BB 公司的 MASTER。在這一時期中集散系統(tǒng)的技術(shù)特點是：采用開放式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)組織 ISO 開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型，開發(fā)了中、小規(guī)模的集散系統(tǒng)；采用 32 位微處理器和捉摸式屏幕等便于操作和指導(dǎo)，完全實現(xiàn) CRT 化操作，采用實時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。DCS 是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。過程級主要由過程控制站、I/O 單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS 系統(tǒng)） ，作為 DCS 更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。 工 業(yè) 以 太 網(wǎng)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展越來越分散化，同時系統(tǒng)越來越復(fù)雜，內(nèi)部的連接越來越高速化緊密化。對驅(qū)動器和用戶接日的要求越來越多。分布式實時控制的前提及其確定性的概念是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其性能至少要高于現(xiàn)行的現(xiàn)場總線。工業(yè)以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。雖然以太網(wǎng)采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD)，一般認(rèn)為這種協(xié)議不能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。而且以太網(wǎng)交換技術(shù)的出現(xiàn)，通過全雙工交換技術(shù)，可以完全避免 CSMA/CD 中的碰撞，并且可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級機制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實時性能。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使其在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用成為可能。 MPI 網(wǎng) MPI 用于連接多個不同的 CPU 或設(shè)備，MPI 符合 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，具有多點通信的性質(zhì)，MPI 的波特率常設(shè)定為 kbps，接入到 MPI 網(wǎng)的設(shè)備稱為一個節(jié)點，不分段的 MPI 網(wǎng)(無 RS485 中繼器的 MPI 網(wǎng)) 可以最多有 32 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，僅用 MPI 接口構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，稱為 MPI 分支網(wǎng) (簡稱 MPI 網(wǎng))，兩個或多個 MPI 分支網(wǎng)，用網(wǎng)間連接器或路由器連接起來，就能構(gòu)成較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更大范圍的設(shè)備互連，MPI 分支網(wǎng)能夠連接不同區(qū)段的中繼器。用 PG 可以分配需要的 MPI 地址，修改最高 MPI 地址，分配 MPI 地址要遵守這樣的規(guī)定: 一個分支網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點要設(shè)置相同的分支網(wǎng)絡(luò)號；在一個分支網(wǎng)絡(luò)中 MPI地址不能重復(fù)，并且不超過設(shè)定的最大 MPI 地址；同一分支網(wǎng)中，所有的節(jié)點都應(yīng)設(shè)置相同最高 MPI 地址；為提高 MPI 網(wǎng)節(jié)點通信速度，最高 MPI 地址應(yīng)該當(dāng)較小，如果機架上安裝有功能模塊和通信模塊，它們的地址由 CPU 的 MPI 地址順序加 1 構(gòu)成。在這一級，中央處理器(PLC) 通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備 I/O 單元、驅(qū)動器等)進行通訊?？偩€循環(huán)時間必須比主站(PLC)循環(huán)時間短。目前，PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)通過多年的實際應(yīng)用，實現(xiàn)了不同設(shè)備的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得設(shè)計、制造、應(yīng)用等方面都獲得方便和好處，因而成為更大范圍上的協(xié)議歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170。5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 測 控 系 統(tǒng) 的 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計該測控系統(tǒng)主要通過上位機（PC機）和下位機(SIEMENS 控制站)實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控與控制。最上層的工業(yè)以太網(wǎng)(ET HERNET) 、中間的MPI(MultP oint Interface)網(wǎng)絡(luò)和下層的PROFIBUSDP (Process FieldbusD)網(wǎng)絡(luò)。其DCS結(jié)構(gòu)示意圖如圖51 所示。1976 年美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經(jīng)過 4 年的調(diào)查工作，與 1980 年正式命名可編程控制器為 PC（Programmable Controller ） ，并給了如下定義 [13]：PC 是一個數(shù)字的電子裝置，他使用了可編程程序的記憶體來儲存指令，用以執(zhí)行諸如邏輯、順序、定時、記數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模件，來控制各種機械或工作程序。該草案對 PLC的定義為：可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器?？删幊炭刂破骷捌渫鈬O(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體。PLC 之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還有許多獨特的優(yōu)點，它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。目前，PLC 在國內(nèi)外己廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保以及文化娛樂等各行各業(yè)。 PLC 的 基 本 結(jié) 構(gòu)PLC 是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用作控制的特殊計算機，因此它的組成部分與一般的微機裝置類似。其中 CPU是 PLC 的核心。通信接口用于與編程器和上位機連接。模塊式 PLC 具有功能強、擴展靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、無槽位限制等優(yōu)點。中央處理單元 （ C P U ）編程器輸入電路 輸出電路系統(tǒng)程序存儲器 系統(tǒng)程序存儲器電源圖 52 PLC 的邏輯圖 PLC 的 工 作 原 理最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的:1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(包括其常開或常閉觸點)在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作；2）PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。這樣在對于 I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了 [16]。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。圖 53 PLC 掃描過程簡圖1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。一般來說，PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖 54 所示 [17]，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。 PLC 配備了梯形圖語言進行程序設(shè)計，梯形圖語言的表達方式與繼電器電路原理圖中電路符號的表示法極為相似，且某些僅有開關(guān)量邏輯控制功能的 PLC 只有十幾條指令 [8]。b）PLC 的硬件配套齊全，接線端子一目了然，便于用戶使用。c）PLC 可靠性高，抗干擾能力強。d）PLC 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小。而 PLC 梯形圖程序一般采用的是順序控制設(shè)計法。對于復(fù)雜的控制方案，PLC 的梯形圖程序較之傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)電路圖在設(shè)計上簡便的多。 PLC 的 發(fā) 展 [18]1）發(fā)展概況PLC 自問世以來，經(jīng)過 20 年的發(fā)展，在許多發(fā)達國家己成為一種重要產(chǎn)業(yè)，世界的 PLC 年平均銷售額己達 55 億美元以上，我國約占 1%，為 5500 萬美元。歐洲著名的公司有德國的西門子公司、BBC 公司等。2）現(xiàn)代 PLC 的發(fā)展趨勢隨著技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，PLC 的結(jié)構(gòu)和功能也不斷改進，生產(chǎn)廠家不斷的推出功能更強的 PLC 新產(chǎn)品，平均 3～5 年就更新一次，如西門子公司在 S5 系列PLC 的基礎(chǔ)上又推出了 S7 系列的 PLC，性價比越來越高。 PLC 硬 件 設(shè) 計在這里主要介紹要用到的 S7300 的主要模塊。 PLC 模 塊 的 安 裝CPU 總是安裝在 0 號機架的 2 號槽位上，1 號槽安裝電源模塊，3 號槽總是安裝接口模塊，這里 PS307 置 1 號槽位，CPU3152DP 置 2 號槽位，SM361 模塊置 3 號槽位。模塊與 CPU、模塊與模塊之間用背部總線來連起來，組成一個完整的 PLC。每臺 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。CPU 的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。CPU 模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的顯示、接口及設(shè)定或控制開關(guān)。箱體式PLC 的主箱體也有這些顯示。CPU 模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用以對 PLC 作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。根據(jù)經(jīng)驗公式可以計算出 PLC 需要的存儲器的大小。DO 為數(shù)子量輸出的總點數(shù)。具統(tǒng)計該設(shè)計中 DI 個數(shù)為 2 個，DO 也為 2 個，AI 為 9 個，AO 為 7 個。在該設(shè)計中選擇 CPU 為 CPU3152DP。點數(shù)字量和 128 個模擬量通道。CPU 執(zhí)行一條二進制指令僅需要 ，CPU 4142 的 RAM 容量為 256KB（程序和數(shù)據(jù)各 128KB） 。存入的信息數(shù)目可以通過參數(shù)化確定。CPU 掃描用戶程序，即可以用編程裝置從 CPU 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU 中。在此位置鑰匙不能拔出。CPU 掃描用戶程序，可以用編程裝置讀出并監(jiān)控 PLC CPU中的程序，但不能改變裝載存儲器中的程序。c）STOP：停機方式。d）MRES：該位置瞬時接通，用于清出 CPU 的存儲器。 表 51 CPU 上的發(fā)光二極管發(fā)光的含義發(fā)光二極管 LED 含義 說明SF（紅色） 系統(tǒng)錯誤/故障 硬件故障固件出錯編程出錯參數(shù)設(shè)置錯誤算術(shù)運算出錯定時器出錯存儲器卡故障（只在CPU313 和 314）輸入/輸出的故障或錯誤用編程裝置讀出診斷緩沖器的內(nèi)容，確定錯誤/故障的原因。數(shù)字量輸入模塊的輸入方式有直流輸入和交流輸入方式兩種。采樣時，信號經(jīng)過背部總線進入到輸入映像區(qū)。一般 124V 屬低壓，其傳輸距離不易太遠(yuǎn)。b) 根據(jù)分散各處信號的多少和信號動作的時間選擇模板的密度。對于高密度模板，如 32 點或 64 點，一般來講，同時接通點數(shù)最好不超過模板總點數(shù)的 70%。d) 根據(jù)系統(tǒng)抗干擾性能的要求，選擇光電隔離或不帶光電隔離的輸入模板。f) 備用輸入點的設(shè)計。例如，以具有 32 點輸入的模板。SM321 數(shù)字量輸入模塊是用來將現(xiàn)場送過來的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)化成 S7400 內(nèi)部信號電平。其中 SM321 DI 3224VDC 它具有 32 個輸入點，帶隔離、16 點為一組。SM321 DI 1624VDC 它是 16 點輸入，帶隔離，16 點為一組，額定輸入電壓為24VDC,適用于開關(guān)和 2/3/4 線 BERO(接近開關(guān)),通道與背板總線之間有光隔。這是幾種常用的模塊。在這里我們考慮到模塊的性價比和控制系統(tǒng)的具體要求，故使用 16 點輸入 24VDC 的 SM321。其電氣原理圖如圖 55 所示：背板總線MintMS 7 3 0 0?L2 4 V+圖 55 數(shù)字量輸入模塊 SM321 的電氣原理圖 SM322 數(shù) 字 量 輸 出 模 塊SM332 數(shù)字量輸出模塊將 S7300 內(nèi)部的信號電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號電平，可直接用于驅(qū)動電磁閥\接觸器\小型電動機\燈和電動機的啟動等。對于電壓范圍變化較大，且各種電壓等級集中在一塊模板上，則使用繼電器輸出模板更加方便。如果負(fù)荷要求的功率很大，開關(guān)量輸出模板已不能滿足需要，此時采用中間繼電器，開關(guān)量輸出驅(qū)動中間繼電器的線圈，中間繼電器驅(qū)動負(fù)荷這種方法也可用于多個負(fù)荷的并聯(lián)驅(qū)動。有時會使輸出模板的輸出三極管擊穿，此時要在負(fù)荷兩端并接電容和電阻抑制反向電壓。S7 系列的 PLC 所具有的數(shù)字量輸出模塊中 SM322 DO3224VDC/ 此模塊為32 點輸出帶隔離，8 點為一組輸出 電流，24V 額定負(fù)載電壓，適用于電磁閥，直流接觸器和指示燈。所以本設(shè)計采用晶體管型輸出模塊 SM322。其電氣原理圖如入 56 所示：背板總線M+?LintMS 7 3 0 0圖 56 數(shù)字量輸出模塊的電氣原理圖 SM331 模 擬 量 輸 入 模 塊AI 是用來將模擬量信號轉(zhuǎn)換成 PLC 所能接收的數(shù)字信號，即進行 A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬量輸入的采樣值轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，然后再把輸入通道號及其它信息一起送到系統(tǒng)的內(nèi)部總線上。A/D 轉(zhuǎn)換一般采用積分法，積分時間直接影響 A/D 轉(zhuǎn)換精度一般有如下對應(yīng)關(guān)系：積分時間：、20ms、100ms ；對應(yīng)精度：9 位、12 位；最佳噪聲抑制：400Hz 、60Hz、50Hz、10Hz；基本轉(zhuǎn)換時間：3ms、17ms、22ms、102ms 。AI 模塊循環(huán)時間：某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時間，它是模塊中所有的活動的模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間的總和，是對外部模擬量信號的采樣間隔。SM331 每兩個輸入通道構(gòu)成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量方法和測量范圍。其電氣原理圖如圖 57 所示