现场总线技术实验指导书.docx

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现场总线技术实验指导书

《现场总线技术》

实验指导书

自动化学院控制工程系

编写：

李娟王巧玲

北京信息科技大学

2009年12月

绪论

现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一。

《现场总线技术》课程是一门实践性强的课程，实验组成了课程的一个重要部分。

实验的任务是使学生从应用角度出发，在理论和实践上掌握现场总线系统的基本组成，建立现场总线控制系统的整体概念，使学生具有现场总线技术应用系统软、硬件开发的初步能力。

在搞好理论教学的同时，应通过本课程实验，使学生进一步理解、掌握和运用所学内容，更深刻理解基于现场总线技术的检测或控制系统。

不但能组建硬件系统，还要能够编写应用软件，实现报文交换。

要求进一步掌握下列内容：

1、工业组态软件的应用；

2、了解PROFIBUS控制器的基本工作原理；

3、PROFIBUS过程控制系统的调试方法。

实践平台选用THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置，它在原有传统过程控制实验装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换，用现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，可采用工业以太网与上位机进行通信和远程控制，整个控制系统实现网络化和数字化。

实验指导书以THPCAT-2型实验装置中的水箱和彩灯为控制对象，设计了验证性和设计性实验题目共9个，课程课内实验学时共8学时，可从下述实验中选做：

第一章是THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置的组成及原理介绍。

第二章包括三个验证性实验项目，每个实验为2学时，通过实验应基本掌握PROFIBUS系统组成、程序下装与调试方法。

第三章包括三个设计性实验项目，每个实验为2学时，通过实验应基本掌握PROFIBUS控制器的基本工作原理和应用。

软件采用SIEMENS公司的PLC编程软件STEP7。

第四章包括三个设计性实验项目，每个实验为4学时，通过实验应基本掌握HMI界面组态、I/O驱动方法。

软件采用SIEMENS公司的监控组态软件SIMATICWINCC。

第一章现场总线控制系统的组成与认识

一、系统简介

THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。

整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：

图1-1控制系统结构图

控制对象总貌图如图1-2所示。

二、系统组成

实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、纯滞后盘管等组成。

在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。

两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。

主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。

管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。

在调节阀的旁路设计有旁路阀。

图1-2控制对象总貌图

1.被控对象

（1）水箱

包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。

有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。

（2）加温锅炉及盘管

不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。

2.检测装置

压力传感器、变送器：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

温度传感器：

本装置采用五个Pt100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。

五个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。

流量传感器、转换器：

流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

涡轮流量计型号：

LWGY-10，流量范围：

0～1.2m3/h，精度：

1.0%。

输出：

4～20mA标准信号。

本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3.执行机构

调节阀：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。

变频器：

本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通信接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

可移相SCR调压装置：

采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：

在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：

2W-160-25；工作压力：

最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：

－5～80℃。

4.控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通信功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通信功能的DP通信接口。

5.空气压缩机

用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。

空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。

三、总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

1．控制系统供电板：

该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

2．控制站：

控制站主要包含CPU、以太网通信模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。

3．温度变送器：

PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

四、系统特点

●被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

●本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。

●真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

●执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

●一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

●系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。

●能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。

●各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

五、系统软件

系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件应用介绍分别见附录一、二。

第二章PROFIBUS过程控制系统实验

第一节一阶单容水箱液位定值控制系统实验

一、实验目的

1、掌握PROFIBUS单容液位定值控制系统的结构与组成。

2、掌握在FCS控制系统中现场检测信号的传送和控制信号的网络传输路径。

3、掌握PROFIBUS单容液位定值控制系统的调试方法。

4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。

二、实验设备

1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。

2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。

3.万用电表一只。

三、实验原理

图2-1上水箱单容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

本实验系统结构图和方框图如图2-1所示。

被控量为左上水箱（也可采用右上水箱或者下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的左上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统的流程图如图2-2所示。

图2-2实验控制系统的流程图

左上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通信接口的阀门定位器，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CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

五、实验内容与步骤

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4、F2-6全开，将上小水箱出水阀门F2-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。

管路连接：

将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

1、接通控制柜电源，并启动磁力驱动泵和空压机。

2、打开作上位控制的PC机，双击桌面上SIMATICManager（SIMATIC管理器）的图标，启动STEP7软件，下装指定目录下的实验工程。

3、点击PC机的“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER6.2”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如图2-3所示。

图2-3实验主界面

4、鼠标左键点击实验项目“左上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-4所示。

在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：

“实验流程”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。

“参数整定”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面。

当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。

图2-4实验界面

“实时曲线”键：

系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。

“历史曲线”键：

系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。

“数据报表”键：

系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。

“返回主菜单”键：

实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。

5、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。

6、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使左上水箱的液位平衡于设定值。

7、按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

8、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）

（2）将气动调节阀的旁路阀F2-5开至适当开度，突然打开电磁阀；

（3）将上水箱出水阀F2-10开至适当开度；（改变负载）

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图2-5所示。

图2-5液位的响应过程曲线

9、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

10、分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

六、实验报告要求

1、画出PROFIBUS单容水箱液位定值控制实验的结构框图。

2、说明控制系统中各仪表的功能和通信接口信号。

3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

4、实验步骤及问题分析。

七、思考题

1、系统中具有PROFIBUS总线接口的仪表有哪些？

2、改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

第二节二阶双容水箱液位定值控制系统实验

一、实验目的

1、掌握PROFIBUS双容液位定值控制系统的结构与组成。

2、理解双容液位定值控制系统采用FCS控制方案的实现过程。

3、掌握PROFIBUS双容液位定值控制系统的调试方法。

4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。

二、实验设备

1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。

2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。

3.万用电表一只。

三、实验原理

本实验以左上水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。

要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

本实验系统结构图和方框图如图2-6所示。

图2-6双容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

四、实验控制系统流程图

同本章第一节。

五、实验内容与步骤

本实验选择左上水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择左上水箱和右上水箱）。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4、F2-6全开，将上小水箱出水阀门F2-10、下水箱出水阀门F2-12开至适当开度（要求F2-10开度稍大于F2-12的开度），其余阀门均关闭。

管路连接：

将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，下装实验工程，进入实验界面的操作和所打开的实验主界面与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。

在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-7所示。

图2-7实验界面

具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理并参照实验指导书本章第一节“一阶单容水箱液位定值控制实验”中的相应步骤进行。

六、实验报告要求

1、画出PROFIBUS双容水箱液位定值控制实验的结构框图。

2、描述检测和控制信号在FCS控制网络中的传输路径。

3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

4、比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。

5、实验步骤及问题分析。

七、思考题

1、系统调试时应注意哪些问题？

2、双容水箱液位控制系统与单容水箱液位控制系统的控制方案有什么不同？

第三节水箱液位与进水流量串级控制系统实验

一、实验目的

1、掌握PROFIBUS液位-流量串级控制系统的结构组成与原理。

2、掌握PROFIBUS控制系统中的仪表基本功能及通信接口。

3、了解液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。

4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。

二、实验设备

1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。

2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。

。

3.万用电表一只。

三、实验原理

本实验系统的主控量为左上水箱的液位高度H，副控量为气动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。

但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。

引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。

显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统流程图如图2-8所示。

本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。

本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2DP的传送。

本实验中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUS-PA通信接口的部件，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CPU315-2DP。

由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以控制执行机构阀门定位器。

图2-8实验控制系统流程图

五、实验内容与步骤

本实验选择左上水箱液位LT1作为主回路被控量，选择支路2管道流量FT1作为副回路被控量。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4全开，将下水箱出水阀F2-12开至一定开度，其余阀门均关闭。

管路连接：

将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和左上水箱进水口连接起来；将左上水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中所述。

2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-9所示。

3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。

4、启动变频器，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。

5、按本章第一节中任一种整定方法整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。

6、待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；

（2）将气动调节阀的旁路阀F2-5（同电磁阀）开至适当开度；

（3）将阀F2-6、F2-10开至适当开度；

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定于新的设定值（后

图2-9实验界面

面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。

通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图2-10所示。

图2-10上水箱液位阶跃响应曲线

7、适量改变调节器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

六、实验报告要求

1、画出PROFIBUS液位-流量串级控制系统的结构框图。

2、说明系统各组成部件的功能和连接关系。

3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出其整定过程。

4、分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能有什么样的影响。

5、实验步骤及问题分析。

七、思考题

1、系统中变频器的作用与工作原理是什么？

2、什么是串级控制系统？

第三章PROFIBUS控制器实验

第一节DP总线开关量I/O实验

一、实验目的

1、掌握通过PROFIBUS-DP总线读取/控制开关量的原理与方法。

2、掌握PROFUBUS开关量I/O系统的硬件配置方案。

3、掌握STEP7软件的编程应用流程。

3、熟悉基本的PLC梯形图编程语言。

二、实验设备

1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置（控制柜内部分）。

2.计算机及编程软件STEP7。

3.万用电表一只。

三、实验原理与要求