DOP仿真工厂控制系统线路测试与绘制.docx
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DOP仿真工厂控制系统线路测试与绘制
DOP仿真工厂控制系统线路测试与绘制
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自动化工程系
摘要
介绍了DOP仿真工厂方案以及ＰＬＣ控制系统的原理，同时阐述了DCS、西门子PLC、现场总线FCS等之间的联系与区别，以及自动控制技术、计算机技术、通讯技术、自动化设备装置及应用和对点分析等。
区别了数字信号与模拟信号的不同类型及作用和各个阶段的控制流程图。
关键词：
ＰＬＣ ＤＣＳ现场总线 通讯网络 数字信号 ＦＣＳ
目录
摘要I
第1章引言5
1.1计算机控制系统概述5
1.1.1DCS控制系统5
1.1.2PLC控制系统……………………………………………………………………..6
1.1.3现场总线控制系统8
1.1.4工业以太网8
1.2计算机控制系统的选择10
1.2.1DCS和PLC的区别11
1.2.2DCS和现场总线的区别12
1.2.3西门子S7-200、S7-300、S7-400的区别13
1.2.4西门子、三菱、松下PLC的区别16
第2章DOP仿真工厂的工艺流程17
2.1DOP仿真工厂的控制方法17
2.2DOP仿真工厂的设计方案17
2.2.1工艺控制流程图18
2.2.3自动化仪表及装置选择情况（含清单表）20
第3章控制系统安装图制作与测试对点21
3.1自动化仪表识图与安装概述21
3.1.1仪表识图21
3.1.2仪表安装图规范24
3.2DOP仿真工厂控制系统技术资料25
3.2.1技术资料目录清单26
3.2.2控制站模块布置图36
3.2.3控制站端子接线图37
3.2.4控制系统现场接线图38
3.2.5动力电源、仪表电源、照明线路、防雷接地平面示意图39
3.3测试对点的方法分析39
3.3.1模拟信号、数字信号、开关信号的分析40
3.3.2电流信号、电压信号、电阻信号、热电阻信号、热电偶信号41
3.3.3典型信号测试对点的方法与技巧42
3.3.4自动化设备及装置认识及应用的方法总结43
结束语43
参考文献44
附录45
第1章引言
1.1计算机控制系统概述
控制系统的组成等内容
计算机控制系统（ComputerControlSystem，简称CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。
辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。
与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。
与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。
它也可以是开环的，这有两种方式：
一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。
计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。
系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。
计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。
计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。
而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。
[1]
1.1.1DCS控制系统
DCS控制系统（DIstributedControlSystem，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。
它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。
系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。
系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。
硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。
底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用。
支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。
[2]
1.1.2PLC控制系统
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同． a.中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
c、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
PLC的工作原理一.扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
（二）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
（三）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。
另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。
当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
1.1.3现场总线控制系统
现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
现场总线的特点及优点
（1）全数字化通信
（2）开放型的互联网络
（3）互可操作性与互用性
（4）现场设备的智能化
（5）系统结构的高度分散性
（6）对现场环境的适应性[3]
1.1.4工业以太网
工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络。
利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。
工业以太网络的构成：
网络部件
连接部件：
FC快速连接插座
ELS（工业以太网电气交换机）
ESM（工业以太网电气交换机）
SM（工业以太网光纤交换机）
MCTP11（工业以太网光纤电气转换模块）
通信介质：
普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤
SIMATICPLC控制器上的工业以太网通讯处理器。
用于将SIMATICPLC连接到工业以太网。
PG/PC上的工业以太网通讯处理器。
用于将PG/PC连接到工业以太网。
选择正确的工业以太网要考虑：
从以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。
工业以太网重要性能：
高速冗余的安全网络，用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试。
通过带有RJ45技术、工业级的Sub-D连接技术和安装专用屏蔽电缆的FastConnect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行。
（一）应用广泛
以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
（二）通信速率高
目前，10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。
显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
（三）资源共享能力强
随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
（四）可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。
同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。
[4]
1.2计算机控制系统的选择
随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。
微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。
微机控制系统：
是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。
常用的微机控制系统：
专用微机控制系统——核心部件为单片机和单板机。
通用微机控制系统——核心部件为可编程控制器和工业计算机。
微机控制系统硬件与软件的抉择和权衡在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。
（1）专用/通用微型计算机的选择1）专用控制系统的构成与特点用于大批量生产的机电一体化产品。
具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。
2）通用控制系统的构成与特点适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。
软件采用通用平台软件系统，可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施。
（2）硬件与软件的权衡/匹配任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。
主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。
主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。
主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。
（3）应有必要的抗干扰措施由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。
为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施
1.2.1DCS和PLC的区别
DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
[5]
DCS和PLC原先的区别有以下几个方面，一是DCS擅长过程控制中的PID调节，PLC擅长连锁保护控制的逻辑判断处理，二是DCS的冗余能力强于PLC系统，三是DCS生来就具有网络功能，而PLC的网络功能是后面才加入的。
但随着技术的发展，这些方面的区别正越来越小，两个系统都在取长补短，目前有些小型控制项目中已经不区分使用的是DCS还是PLC了。
在有些技术细节上，DCS和PLC还是有不少差别的：
1.DCS为了满足过程控制的需要，通常会提供过程控制中对温度、流量、压力信号处理控制的一些特殊功能，例如流量差压换算、液位补偿等。
而在PLC中一般没有这些功能，需要用户自己设计算法实现。
2.DCS主要为处理过程信号而设计，处理速度通常在几十毫秒到几百毫秒（包括逻辑信号，至少国产DCS的逻辑处理都在这个速度等级），PLC天生为处理逻辑信号而生，处理逻辑信号的速度通常是几个毫秒或者更快。
3.DCS产品通常包括了网络、I/O模块、控制单元、监控HMI单元的整个系统，网络协议采用自己的数据协议。
很少有听说DCS的上位机采用第三方产品的。
而PLC通常仅指I/O模块和控制单元，PLC对外使用开发协议，可由用户自行选择使用的上位机软件。
1.2.2DCS和现场总线的区别
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。
这已是业内人士的基本共识。
然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。
FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。
特别是现阶段，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。
无论是FCS或者是DCS，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制（PCS）。
首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。
然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。
虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。
再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。
FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的 多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。
由于历史的原因，DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强调层与层的数据传输。
可见，两种控制在策略上各具优势。
DCS适用于较慢的数据传输速率；FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。
然而，当数据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。
要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，DCS就能轻松地胜任这一工作。
可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。
[6]
1.2.3西门子S7-200、S7-300、S7-400的区别
S7-200小型PLC模块主要性能参数
输入输出
数字输入6~24
数字输出4~16
模拟输入16~32
模拟输出8~28
输入输出映像（可扩展）
128输入
128输出
硬件扩展
最多7台扩展模块
中断输入
4
脉冲数出
2（20k~100k）
CPU特性
8个PID控制器
最多2个串行端口
实时时钟
运行中编辑
浮点运算
状态LED指示
CPU处理时间
位处理：
0.22us
程序存储器
4~25k
数据存储器
2~10k
定时器
256
温度模块
16位分辨率
网络扩展
串行通讯
AS-interface
MPI
Profibus-DP从站
Modbus主站/从站
通讯速率
PPI/MPI：
187.5kbps
自由口：
115.2kbps
编程软件
Step7-MicroWIN
安装方式
IEC导轨
工作电压
DC24V/AC220V
S7-300中型PLC模块主要性能参数
输入输出
主机不支持
输入输出映像（可扩展）
输入：
1024B
输出：
1024B
过程映像
输入：
128B
输出：
128B
数字量通道
输入：
266~7856
输出：
262~7904
集中输入：
266~1008
集中输出：
262~1008
模拟量通道
输入：
64~494
输出：
64~495
集中输入：
64~253
集中输出：
64~250
硬件扩展
最多3台扩展模块
程序存储器
32k
数据存储器
32k（可通过MMC扩展为8MB）
CPU处理速度
位：
0.01us~0.05us
定时器
256
温度模块
16位分辨率
网络扩展
串行通讯
MPI
Profibus-DP主站/从站
通讯速率
PPI/MPI：
187.5kbps
Profibus-DP：
12Mbps
自由口：
115.2kbps
编程软件
Step7-V5.2SP1
安装方式
需要专用导轨
工作电压
需要专用电源模块
S7-200与S7-300的区别：
1、硬件区别
S7-300为了适应大中型控制系统，而设计的更加模块化。
S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内，称为CPU模块；而S7-300系列的，从电源，I/O，CPU以及导轨都是单独模块。
实际上S7-200系列也是可以扩展的，一些小型系统不需要另外定制模块，S7-200系列的模块也有信号、通信、位控等模块。
S7-200系列的对机架没有什么概念，称之为导轨；为了便于分散控制，S7-300系列的模块装在一根导轨上的，称之为一个机架，与中央机架对应的是扩展机架，机架还在软件里反映出来。
S7-200系列的同一机架上的模块之间是通过模块正上方的数据接头联系的；而S7-300则是通过在底部的U型总线连接器连接的。
S7-300系列的I/O输入是接在前连接器上的，前连接器再接在信号模块上，而不是I/O信号直接接在信号模块上，这样可以更换信号模块而不用重新接线。
S7-300系列2DP的部分CPU带有profibus接口。
S7-300这样模块化的设计在大中型控制系统中极大的方便了系统的维护、设计乃至安装各个环节。
2、软件区别
S7-200系列用的STEP7-Micro/WIN40sp6软件；S7-300使用的是STEP7软件。
S7-200系列的编程语言有三种：
语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）；S7-300系列的除了这三种外，还有结构化控制语言（SCL）和图形语言（S7graph），其中SCL就是一种高级语言，高级语言可以更加方便的解决客户的专有问题，提高了程序执行效率，缩短了程序执行时间。
S7-300软件最大的特点就是提供了一些数据块来对应每一个功能块（FunctionBlock-FB），称之为Instance。
S7-300不能随意的自定义OrganizationBlock、sub-routine和Interruptroutine，系统只能调用它OB1，其它的用FB－FunctionBlock和FC－Function方式编辑，其它的也是预定义成了系统的了，System的S给它们（SFB、SFC）定义了自己的身份。
应用区别
S7-200在西门子的PLC产品类里属于：
小型PLC系统，适合的控制对象一般都在256点以下的；
S7-300在西门子的PLC产品类里属于：
大中型PLC系统，适合的控制对象一般都在256点以上，1024点以下的。
[7]
摘自：
S7-400是面向中级到高级性能范围的PLC。
模块化和无风扇的设计、高扩展性和坚固性、强大的通信能力和高性能使得它非常适合于高要求的项目。
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