论文部分内容阅读
【摘要】随着信息处理设备速度的已经接近于瓶颈，提高现代工业自动化控制的快速响应和实时性要求，各种各样的总线技术成为现在研究的重点，其中过程现场总线技术PROFIBUS在现在工业应用中被越来越重视，本文结合A3000，就开发一套基于PROFIBUS的过程控制实验系统提出一套设计方案。
【关键词】过程控制；PROFIBUS；现场总线
一、实验系统的意义及国内外现状分析
现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。相对于传统的自动化控制系统，现场总线控制系统（Fieldbus Control System）有以下几个优点：开放式、互操作性、互换性、可集成性；数字化的信号传输；可靠性高、可维护性好；降低系统成本另外，还可以减少厂房面积、节省投资等等。现场总线的出现使传统的自动化系统产生了革命性变革。它改变了传统的信息交换方式、信号调制和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也改变了系统的设计和调试方式。
据不完全统计，目前世界上出现过的现场总线约有40多种。经过多年的竞争和完善，现在较有生命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争中。目前主要得到应用的一些现场总线包括：FF现场总线、PROFIBUS现场总线、CAN、WorldFIP、Interbus、ControlNet、DeviceNet、CC-Link等。到目前为止，还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面，因此，多种总线并存的局面还可能存在相当长的时间。
其中，PROFIBUS是过程现场总线（Process-Field Bus）的缩写。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN 19245，1996年6月成为欧洲标准EN 10170，1999年加入IEC 61158协议。PROFIBUS协议根据ISO 74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。OPC是OLE for Process Control的缩写（OLE对象链接和嵌入式）。它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，是把OLE用于工业控制领域。OPC规范提供了两套标准接口：Custom标准接口，OLE自动化标准接口。通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。
本课题是结合A3000实验装置并基于现场总线中PROFIBUS-DP协议的控制系统。通过该设计，加深对PROFIBUS-DP协议的理解并掌握其应用以及组态控制的实现。
二、实验系统的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
（一）研究目标
利用现场总线技术和OPC技术，实现对过程实验装置的控制，开发出基于PROFIBUS-DP变频器网络控制系统。利用SIMATIC S7系统中PROFIBUS-DP实现对实验室的A3000实验装置，实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（二）研究内容
①在掌握PROFIBUS-DP协议的原理、结构和总线存取控制技术的基础上，利用西门子Simatic PCS7和STEP7软件对变频器、ET200S输入输出模块进行设备硬件组态，实现对A3000过程控制实验装置的数据采集与基本控制。
②结合OPC技术，利用STEP7软件实现了OPC Server。
③采用组态王工控软件，组态开发基于PROFIBUS现场总线的A3000过程控制系统，实现对A3000装置液位、流量、温度各参数的单回路、串级和前馈控制方案。
④基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（三）拟解决的关键问题
1.利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，以便确定实验装置的信号采集。
2.利用组态王的OPC功能，组态王作为OPC Client访问STEP7软件提供的OPC Server进行数据交换，实现对A3000装置的控制，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
3.利用MATLAB的OPC功能函数，编写M文件，建立与STEP7 OPC Server的连接，进行数据通信，实现A3000装置的简单PID控制。
三、课题的研究方法、设计及试验方案，可行性分析
（一）研究方法、设计及试验方案
调研国内外相关资料，研制一套综合A3000过程控制实验装置并基于PROFIBUS-DP的变频器网络控制系统；
利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，将实验装置的信号采集上来，实现对液位、流量、温度、压力等参数的控制，提供OPC SERVER；
利用组态王软件组态出实验装置的流程图，研究组态出液位、流量、温度、压力控制方案，实现对A3000过程控制实验装置的常规控制组态，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
（二）课题可行性分析
目前，在自动控制系统研究和开发中，很多采用Simatic STEP7软件对PROFIBUS-DP现场总线设备进行组态，并提供出OPC数据服务器，具有OPC功能的组态王和MATLAB软件都可以对其进行数据访问，本次设计也采用此设计理念，设计中，运用组态王的OPC功能，以A3000装置为对象，完成单回路的简单PID控制和串级、前馈-反馈等复杂控制，还在MATLAB环境下编写的PID算法控制对象，如果被控对象比较简单，控制效果会良好，如果对象比较复杂效果将会变差，这主要是控制算法的优化和检测值中干扰成分的处理。在此设计中将实时数据采集到MATLAB中进行处理，就可以实现预测控制和系统辨识等分析研究。
四、总结与展望
形成一整套以PROFIBUS-DP为基础的实验室A3000实验装置，以实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。
参考文献
[1]齐宏，冼建生.计算机仿真、仿真实验和网络实验室[J].技术应用，2004（12上）.
[2]张祖鹰.浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践[J].商场现代化，2007，7（下旬刊）.
[3]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学，2000（2）：331.
[4]黄慕雄.高校教学型仿真实验室建设的现状与建议[J].电化教育研究，2005（9）.
[5]郑力新，周凯汀，吴清江，王晓东.计算机控制系统仿真实验室的研究与开发[J].电气电子教学学报，2004（4）.
作者简介：郭婵（1979—），女，东营职业学院讲师，主要从事自动控制方面的教学研究。
【关键词】过程控制；PROFIBUS；现场总线
一、实验系统的意义及国内外现状分析
现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。相对于传统的自动化控制系统，现场总线控制系统（Fieldbus Control System）有以下几个优点：开放式、互操作性、互换性、可集成性；数字化的信号传输；可靠性高、可维护性好；降低系统成本另外，还可以减少厂房面积、节省投资等等。现场总线的出现使传统的自动化系统产生了革命性变革。它改变了传统的信息交换方式、信号调制和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也改变了系统的设计和调试方式。
据不完全统计，目前世界上出现过的现场总线约有40多种。经过多年的竞争和完善，现在较有生命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争中。目前主要得到应用的一些现场总线包括：FF现场总线、PROFIBUS现场总线、CAN、WorldFIP、Interbus、ControlNet、DeviceNet、CC-Link等。到目前为止，还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面，因此，多种总线并存的局面还可能存在相当长的时间。
其中，PROFIBUS是过程现场总线（Process-Field Bus）的缩写。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN 19245，1996年6月成为欧洲标准EN 10170，1999年加入IEC 61158协议。PROFIBUS协议根据ISO 74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。OPC是OLE for Process Control的缩写（OLE对象链接和嵌入式）。它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，是把OLE用于工业控制领域。OPC规范提供了两套标准接口：Custom标准接口，OLE自动化标准接口。通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。
本课题是结合A3000实验装置并基于现场总线中PROFIBUS-DP协议的控制系统。通过该设计，加深对PROFIBUS-DP协议的理解并掌握其应用以及组态控制的实现。
二、实验系统的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
（一）研究目标
利用现场总线技术和OPC技术，实现对过程实验装置的控制，开发出基于PROFIBUS-DP变频器网络控制系统。利用SIMATIC S7系统中PROFIBUS-DP实现对实验室的A3000实验装置，实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（二）研究内容
①在掌握PROFIBUS-DP协议的原理、结构和总线存取控制技术的基础上，利用西门子Simatic PCS7和STEP7软件对变频器、ET200S输入输出模块进行设备硬件组态，实现对A3000过程控制实验装置的数据采集与基本控制。
②结合OPC技术，利用STEP7软件实现了OPC Server。
③采用组态王工控软件，组态开发基于PROFIBUS现场总线的A3000过程控制系统，实现对A3000装置液位、流量、温度各参数的单回路、串级和前馈控制方案。
④基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（三）拟解决的关键问题
1.利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，以便确定实验装置的信号采集。
2.利用组态王的OPC功能，组态王作为OPC Client访问STEP7软件提供的OPC Server进行数据交换，实现对A3000装置的控制，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
3.利用MATLAB的OPC功能函数，编写M文件，建立与STEP7 OPC Server的连接，进行数据通信，实现A3000装置的简单PID控制。
三、课题的研究方法、设计及试验方案，可行性分析
（一）研究方法、设计及试验方案
调研国内外相关资料，研制一套综合A3000过程控制实验装置并基于PROFIBUS-DP的变频器网络控制系统；
利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，将实验装置的信号采集上来，实现对液位、流量、温度、压力等参数的控制，提供OPC SERVER；
利用组态王软件组态出实验装置的流程图，研究组态出液位、流量、温度、压力控制方案，实现对A3000过程控制实验装置的常规控制组态，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
（二）课题可行性分析
目前，在自动控制系统研究和开发中，很多采用Simatic STEP7软件对PROFIBUS-DP现场总线设备进行组态，并提供出OPC数据服务器，具有OPC功能的组态王和MATLAB软件都可以对其进行数据访问，本次设计也采用此设计理念，设计中，运用组态王的OPC功能，以A3000装置为对象，完成单回路的简单PID控制和串级、前馈-反馈等复杂控制，还在MATLAB环境下编写的PID算法控制对象，如果被控对象比较简单，控制效果会良好，如果对象比较复杂效果将会变差，这主要是控制算法的优化和检测值中干扰成分的处理。在此设计中将实时数据采集到MATLAB中进行处理，就可以实现预测控制和系统辨识等分析研究。
四、总结与展望
形成一整套以PROFIBUS-DP为基础的实验室A3000实验装置，以实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。
参考文献
[1]齐宏，冼建生.计算机仿真、仿真实验和网络实验室[J].技术应用，2004（12上）.
[2]张祖鹰.浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践[J].商场现代化，2007，7（下旬刊）.
[3]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学，2000（2）：331.
[4]黄慕雄.高校教学型仿真实验室建设的现状与建议[J].电化教育研究，2005（9）.
[5]郑力新，周凯汀，吴清江，王晓东.计算机控制系统仿真实验室的研究与开发[J].电气电子教学学报，2004（4）.
作者简介：郭婵（1979—），女，东营职业学院讲师，主要从事自动控制方面的教学研究。