现场总线技术课程设计实验平台应用探究.docVIP

现场总线技术课程设计实验平台应用探究 　　摘 要：介绍了PROFIBUS现场总线控制系统构成，阐述了基于PROFIBUS现场总线的水箱液位串级控制系统设计与实现、单闭环流量比值控制实现，描述了基于iCAN教学实验开发平台的课程设计。并对现场总线课程设计选题进行了分析。 关键词：现场总线 课程设计 CAN总线 我校自动化专业是北京市和国家级特色专业建设项目，学校在2008级～2012级自动化专业教学计划中安排了32学时的现场总线技术课程教学和2周的现场总线课程设计。课程设计环节不仅可以模拟和验证工业现场中实际的自动化控制方案，还可以在研究中进行理论验证、实验研究和在线仿真，能够培养学生独立工作能力和创造力以及综合运用专业及基础知识解决实际工程技术问题的能力。现场总线控制系统提供了一个涵盖当今先进技术的实验平台，能够满足学生课程设计和开放实验的需求。 1 PROFIBUS现场总线控制系统构成 现场总线控制系统以西门子公司的S7-300 PLC为控制器，运用STEP7 V5.4和WinCC V6.0等软件平台采集、记录数据，监视通信和数据状态，实现PID控制，利用下位机软件STEP7和上位机软件WinCC编程组成控制系统。流量检测装置电磁流量计和执行机构阀门定位器均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，可以完成现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线控制执行机构的阀门定位器动作，输出控制作用达到闭环控制的目的。 2 基于PROFIBUS现场总线的课程设计 基于现场总线控制系统的课程设计体现了知识上的有机联系和学生实践动手能力的连贯性。在教学实践中安排了基于PROFIBUS现场总线过程控制实验装置和周立功公司iCAN教学实验开发平台的课程设计。基于PROFIBUS现场总线过程控制实验装置，设计了以下课程设计选题，较好地应用现场总线仪表实现了液位和流量控制。 2.1 基于PROFIBUS现场总线的液位控制系统 课程设计选题包括基于PROFIBUS现场总线的液位控制系统设计与实现，西门子PLC系统组态与控制方案设计，水箱液位串级控制系统，水箱液位与流量串级控制系统等。基于PROFIBUS现场总线的液位控制系统设计与实现可以选用上水箱或下水箱液位作为被控参数，通过STEP7实现对S7-300 PLC的组态，通过WinCC实现对系统的监控界面组态，采用Matlab编写控制算法实现对液位的实时控制。西门子PLC系统组态与控制方案设计运用STEP7组态软件对系统进行硬件组态，设计单回路和串级控制系统或其他复杂控制系统，编写程序安装到PLC中实现控制功能，运用WinCC组态软件对系统进行监控界面设计。进行控制方案调试，实现水箱液位控制，以响应快速性和超小调量为控制目标。水箱液位串级控制系统可以选择上小水箱和下水箱串联作为被测对象，也可以选择上大水箱和下水箱或者上小水箱和上大水箱，构成串级控制系统，要求主控回路中的水箱液位稳定在给定值。上小水箱和上大水箱构成的串级控制系统如图1所示。 图1 水箱液位串级控制系统设计 2.2 单闭环流量比值控制实现 单闭环流量比值控制系统中有两条支路，一路是来自变频器―磁力泵支路的流量Q1，它是一个主流量，另一路是来自气动调节阀支路的流量Q2，它是系统的副流量。要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。可以看出副流量是一个闭环控制回路，当主流量Q1不变，副流量Q2受到扰动时，可通过副流量的闭合回路进行定值控制。当主流量Q1受到扰动时，副流量则按一定比例跟随主流量Q1变化，显然单闭环流量控制系统的总流量是不固定的。单闭环流量比值控制实现如图2所示。 图2 单闭环流量比值控制 3 基于iCAN 教学实验开发平台的课程设计 iCAN系统是基于CAN-bus总线的分布式控制系统。iCAN教学实验开发平台涉及CAN-bus网络通信、iCAN协议、基本输入/输出功能控制、MCGS软件编程等内容。根据模块输入信号种类的不同，iCAN功能模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、计数器以及PWM输出等模块。 iCAN教学实验开发平台的运动机构组成包括电机、控制装置、驱动器以及用于检测位置的传感器。可以通