现场总线技术课程设计.docx
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现场总线技术课程设计
现场总线技术课程设计
课程设计要求及安全操作规程
一、设计前的准备
1.请查阅或借阅相关书籍，比如：
西门子S7-300PLC、STEP7组态编程及WINCC组态方面的书籍或资料。
2.认真研读课程设计指导书，了解设计要求，明确设计过程中应注意的问题，并按照各项目要求准备记录等。
3.本次课设使用THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置，该实验装置的总线控制柜由西门子S7-300PLC组成。
实验前应了解实验装置中的对象、水泵和所用控制组件的名称、作用及其所在位置,以便于在实验中对它们进行操作和观察。
熟悉实验装置面板图，要求做到由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置；熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
二、设计过程的基本要求
1．明确设计任务；
2．提出设计方案；
3．运用STEP7组态软件对系统进行硬件组态设计；
4．编写LAD（梯形图）程序；
5.运用WINCC组态软件对系统进行界面设计；
5．进行实验操作，做好观测和记录；
6．整理数据，得出结论，撰写课程设计报告。
三、课程设计报告要求
1.要求有封皮、目录；
2.课设内容分章节书写，每个项目包括设计要求、设计过程、结果或效果图及总结分析；
3.报告要求附页码。
四、安全操作规程
1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置，储水箱中是否有充足的水；
2．打开电源开关顺序：
依次打开PLC控制柜中总电源开关、变频器开关（停大约10S后）、控制站开关、24VDC开关等。
3．关闭电源开关顺序：
首先关闭控制站开关，再依次关闭其他电源开关，最后关闭总电源开关。
4.STEP7硬件组态下载程序时，请将PLC控制柜中CPU模块开关置于STOP状态，下载完毕时切换至RUN状态。
5．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表及模块。
6．严格遵守实验室有关规定。
1．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。
2.PROFIBUSDP总线开关量控制
2.1LED灯的PLC控制及其实现
一、设计目的
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、WINCC。
3.万用电表一只。
三、设计题目及要求
如右图所示,选取现场总线控制柜中的32个绿色按钮和32个橙色指示灯为实验对象。
灯和按钮信号连接到2个数字I/O模块SM323中，每个SM323模块包含16路DI和16路DO。
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），从而实现现场离散I/O信号与CPU之间的信号传输。
32个按钮按从上到下，从左到右的顺序，地址依次为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7、I3.0～I3.7；32个指示灯按从上到下，从左到右的地址依次为Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7、Q2.0～Q2.7、Q3.0～Q3.7。
设计的基本目标是通过PROFIBUS-DP总线实现用按钮对灯的亮、灭的控制，比如几盏灯的逐一点亮或者以其它规律点亮或熄灭。
在这个实验中，我设计的基本目标是让六个灯依次点亮然后再依次熄灭。
本设计要求应用STEP7软件，采用梯形图语言编程。
（STEP7软件的使用说明参见附录一）
通过STEP7软件实现控制后，运用WINCC组态软件编写界面（界面中组态出所需要的按钮和灯），进而实现通过界面中的按钮来控制控制柜中的灯的亮灭。
四、设计内容与步骤
1、分析PROFIBUS离散I/O控制系统的工作原理和组成，确定硬件配置。
2、确定软件控制策略，分配变量。
3、依次接通控制系统各电源。
3、启动STEP7软件，新建项目。
4、在STEP7中完成硬件组态。
一、打开STEP7组态软件
选择Cancel
二、新建工程
在File中点击New
在弹出的对话框中输入新的工程名和路径，路径可以自由指定，最好不要出现中文路径名。
三、插入站SIMATIC300Station
右键点击工程名，InsertNewObject插入SIMATIC300Station或者菜单选择插入
四、硬件组态
双击Hardware
添加轨道Rail
右侧SIMERTIC300中找到RACK-300，双击Rail
插槽1中加入电源PS3075A
点击左上0（UR）的插槽1，在右侧找到SIMERTIC300中PS-300，双击PS3075A
3、插槽2中加入CPU315-2DP
（1）点击左上0（UR）的插槽2，在右侧找到SIMERTIC300中CPU315-2DP型号6ES7315-2AG10-0AB0双击V2.6
（2）加入PROFIBUS-DP线
在弹出的对话框中选择New
在弹出的对话框中选择OK
Subnet中出现PROFIBUS
（1）1.5Mbps选择并点击OK
4、插槽4中加入CP343-1
（1）添加CP343-1
（2）在弹出的对话框中修改IPaddress
IPaddress:
140.80.0.2点击OK
（3）建立以太网通信
双击CP343-1可查看属性，此时Networked：
No（表示没有以太网通信），点击Properties可修改
点击New，新建一个以太网连接
点击OK
此时Subnet中出现Ethernet
（1），点击OK
此时Networked：
Yes表示已建立了以太通信点击Ok即可
5、在PROFIBUS-DP上加入设备
（1）加入IM153-2OD
点击选中PROFIBUS-DP线，在右侧PROFIBUS-DP选项DP/PALink中找到IM153-2OD型号6ES7153-2BA82-0XB0，选中双击即可加到PROFIBUS-DP线上。
在Address选择3
弹出的DefineMasterSystem中选择InterfacemoduleforPROFIBUS-PA点击OK
（2）加入IM153-1
点击选中PROFIBUS-DP线，在右侧PROFIBUS-DP选项ET200M中找到IM153-1型号6ES7153-1AA03-0XB0，选中双击即可加到PROFIBUS-DP线上。
在弹出的对话框点击OK。
在右侧IM153-1选项中加入
两个DI16/DO16x24V/0.5A型号6ES7323-1BL00-0AA0
两个AI8x12Bit型号6ES7331-7KF02-0AB0
一个AO4x12Bit型号6ES7332-5HD01-0AB0
5、在STEP7中编写“按钮-灯控制系统”的梯形图程序。
程序图如上
这个程序实现的功能是六个灯依次点亮10秒，然后在依次熄灭。
主要用到了延时器和定时器，对六个等一次延时0s（即不用延时），1s,2s,3s,4s,5s，然后在后面加上10秒的定时器就可以实现了
6、下装硬件组态和程序到PLC控制器中。
7、进行按钮操作，功能测试及修改。
8、启动WINCC软件，新建项目。
在WINCC中完成按钮和灯的组态设置及变量设计。
10、修改STEP7软件中OB1模块中的程序，实现通过WINCC界面按钮来控制灯的亮灭。
打开WinCC界面，新建一工程，在弹出的对话框WinCC项目管理器中选择单用户项目，点击确定
创建新项目对话框中填入项目名称并选择路径。
单击创建
右击变量管理，选择添加新的驱动程序，在弹出的对话框选择SIMATICS7ProtocolSuite.chn,单击打开。
如图6.3所示。
图6.3添加新的驱动程序
在SIMATICS7ProtocolSuite的下拉选项中找到PROFIBUS。
我们选择PROFIBUS-DP连接方式。
也可选择TCP/IP以太网连接方式。
如图6.4所示。
图6.4PROFIBUS-DP连接方式
右击PROFIBUS选择新驱动程序的连接，在弹出的连接属性对话框中可自拟名称，如图6.5所示。
单击右侧属性，在弹出的连接参数—PROFIBUS对话框中插槽号填2。
单击确定。
如图6.6所示。
图6.5连接属性
图6.6连接参数
右击PROFIBUS选择系统参数。
在单元选项中，逻辑设备名称选择CP5611（PROFIBUS），去掉自动设置对勾。
如图6.7所示。
图6.7系统参数
右击NewConnection选择新建变量。
如图6.8所示。
图6.8选择新建变量
在弹出的变量属性对话框中填写变量属性，如图6.9所示。
图6.9变量属性
单击地址右侧的选择，在地址属性对话框可填写变量地址。
如图6.10所示。
图6.10地址属性
建立好的变量如下图6.11所示
图6.11建立好的变量
新建六个灯变量一个开关变量。
6.3.1组态按钮
右击图形编辑器，选择新建画面，打开图形编辑器。
可自定义名称。
如图6.13所示。
图6.13图形编辑器
右侧选择窗口对象中的圆形按钮，如图6.14所示，并拖放至图中合适位置。
图6.14对象对话框
双击或右键选择属性，在弹出的对象属性对话框中，单击事件在左侧选择鼠标
，右侧选择按左键，右键点击动作下方的箭头，选择直接连接。
如图6.15所示。
图6.15组态按钮
在弹出的之直接连接对话框，在左侧来源下选常数填1（说明当鼠标左键动作时变量置1），右侧目标下选择变量，点击黄色方框选择变量开关1。
配置完成如图6.16所示。
。
点击完成，可看到动作下箭头变蓝。
重复上步骤双击或右键选择属性，在弹出的对象属性对话框中，单击事件在左侧选择鼠标，右侧选择按右键，右键点击动作下方的箭头，选择直接连接在弹出的之直接连接对话框，在左侧来源下选常数填0（说明当鼠标左键动作时变量置0），右侧目标下选择变量，点击黄色方框选择变量开关0。
组态一个灯，在对象下标准对象选择圆，拖放选择合适位置和大小。
双击弹出对象属性，在属性下选择颜色，背景颜色，右击动作下的箭头选择动态变量。
如图6.21所示。
图6.21灯的动态链接
在动态值范围对话框填写如下属性。
单击应用。
如图6.22所示。
图6.22动态值范围
重复组态6个灯
6.3.3组态退出按钮
添加退出WinCC运行按钮。
在对象下选择按钮，如图6.23所示。
在弹出的按钮组态对话框文本填写名称为退出，选择字体颜色为宋体红色。
图6.23对象对话框
图6.24按钮组态
双击动态向导下的退出WinCC运行系统。
在弹出的欢迎来到动态向导，点击下一步；选择触发器对话框选择鼠标左键，点击下一步；点击完成。
点击激活按钮，运行画面如图6.28所示。
1.在这个过程中，指导书上是用了两个按钮，而实际中我只用了一个按钮，但是在运行过程中发现按钮并不能控制灯亮，后来经过改进，加入了右键动作，使其常数为0，即右键点击一次，置零。
每运行一次结束后，点击右键，然后再点击左键，又可以重新运行，这样就达到了效果。
2.2走廊灯的PLC控制及其实现
一、设计目的
1、掌握STEP7软件的编程应用流程
2、掌握STEP7软件的程序基本调试方法。
3、掌握WINCC软件的使用方法。
二、实验设备
1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。
2.计算机及编程软件STEP7、WINCC。
3.万用电表一只。
三、设计题目及要求
如右图所示,选取现场总线控制柜中的32个绿色按钮和32个橙色指示
灯为实验对象。
灯和按钮信号连接到2个数字I/O模块SM323中，每个SM323模块包含16路DI和16路DO。
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），从而实现现场离散I/O信号与CPU之间的信号传输。
32个按钮按从上到下，从左到右的顺序，地址依次为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7、I3.0～I3.7；32个指示灯按从上到下，从左到右的地址依次为Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7、Q2.0～Q2.7、Q3.0～Q3.7。
设计的基本目标是通过PROFIBUS-DP总线实现走廊灯的控制，即两个开关可以对一盏灯的亮灭进行控制。
具体要求为应用STEP7软件进行系统硬件组态，并采用梯形图语言编程；应用WINCC组态软件对系统进行界面组态设计。
（WINCC软件的使用说明参见附录二）
四、设计内容与步骤
1、分析PROFIBUS离散I/O控制系统的工作原理和组成，确定硬件配置。
2、确定软件控制策略，分配变量。
3、依次接通控制系统各电源。
3、启动STEP7软件，新建项目。
4、在STEP7中完成硬件组态。
过程和实验一相同
5、在STEP7中编写“走廊灯控制系统”的梯形图程序。
6、下装硬件组态和程序到PLC控制器中。
6、启动WINCC软件，新建项目。
7、在WINCC软件中完成组态界面的设计及变量定义。
此过程参考实验一即可
8、功能测试及修改。
3.PROFIBUS液位监控界面设计
一、实验目的
1、掌握PROFIBUS液位控制系统的结构组成。
2、了解过程控制人机界面设计的主要内容和方法。
3、掌握监控组态软件WinCC的基本组态方法。
4、掌握使用WinCC的模拟器测试项目的基本方法。
二、实验设备
1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。
2.计算机及监控组态软件WinCC。
3.万用电表一只。
三、实验原理
实验要求选取液位控制工程为实验项目，通过分析实验装置组成，用WinCC软件建立监控界面，并用模拟器测试项目的运行状况。
WinCC软件的使用说明参见附录二。
实现的基本功能应包括过程画面显示、仪器仪表的名称或符号文本显示、液位测量值、设定值、以及输出参数指示。
可选功能包括实时曲线、历史曲线、数据报表、报警设置等。
四、实验内容与步骤
1、系统分析，确定界面设计内容。
2、启动WinCC软件，新建项目。
3、添加通信驱动程序。
4、建立WinCC内部变量。
6、建立过程变量（外部变量）。
7、建立并编辑过程画面。
8、编辑过程画面中对象的属性。
9、启动软件变量模拟器测试项目。
五、实验报告内容要求
1、实验的目的、内容及目标。
2、实验原理及结构框图。
3、变量定义表。
4、设计画面及参数、属性设置。
5、设计步骤。
6、测试现象及问题分析。
4.交通灯控制系统设计
一、设计目的
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。
4、熟悉基本的PLC梯形图编程语言。
5、掌握WINCC软件的使用方法。
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、WINCC。
3.万用电表一只。
三、设计题目及要求
如右图所示,选取现场总线控制柜中的32个绿色按钮和32个橙色指示灯为实验对象。
灯和按钮信号连接到2个数字I/O模块SM323中，每个SM323模块包含16路DI和16路DO。
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），从而实现现场离散I/O信号与CPU之间的信号传输。
32个按钮按从上到下，从左到右的顺序，地址依次为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7、I3.0～I3.7；32个指示灯按从上到下，从左到右的地址依次为Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7、Q2.0～Q2.7、Q3.0～Q3.7。
设计的目标是通过PROFIBUS-DP总线实现用指示灯来模拟交通灯的运行，具体功能可自定义，比如红绿灯各亮几秒等。
本设计要求应用STEP7软件，采用梯形图语言编程，WINCC软件设计交通灯界面图。
四、设计内容与步骤
1、分析PROFIBUS离散I/O控制系统的工作原理和组成，确定硬件配置。
2、确定软件控制策略，分配变量。
3、依次接通控制系统各电源。
3、启动STE
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