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实验指导书
《网络化测控系统实验装置》
实验指导书
于洋陈亮刘晓阳
沈阳工业学院信息科学与工程分院
2003年6月
前言
《网络化测控系统试验装置》是为了满足《网络化测控系统》课程教学的需要，结合目前工业自动化控制领域主流和先进的控制网络技术，经过项目组7个月的努力工作而开发研制完成的具有较高技术水平的实验设备。
本实验装置共由三个实验系统平台构成，分别为现场总线（PROFIBUS-DP）控制网络、以太网（ETHERNET）控制网络和无线通信控制网络。
可完成15个教学实验及相关课程设计,包括：
1．无线通信网络构成及5个相关实验
2．PROFIBUS网络构成及5个相关实验
3．嵌入式系统Ethernet网络构成及5个相关实验
可支持<<网络化测控系统>>课程的课程设计如下：
1．基于无线通信网络的测控系统设计
2．基于PROFIBUS网络的测控系统设计
3．基于嵌入式系统Ethernet网络的测控系统设计
本实验装置采用模块化设计方法，通过扩展其它的控制对象实验箱，还可以进一步扩充实验内容，这为日后实验系统的升级提供了方便。
书中不当之处，请读者批评指正。
编者
2003年6月
目录
第一部分预备知识3
一、网络化测控知识3
1、现场总线控制网络3
2、无线通信控制网络4
二、实验装置介绍5
1、现场总线控制网络系统5
2、无线通信控制网络系统6
3、以太网接入控制网络系统7
三、实验装置的电路原理9
第二部分实验内容17
一、现场总线（PROFIBUS-DP）控制网络实验18
1、组网实验18
2、I/O量实验20
3、交通灯控制实验22
4、液体混合控制实验23
5、温度控制实验25
二、无线通信控制网络实验27
1、组网实验27
2、I/O量实验29
3、交通灯控制实验31
4、液体混合控制实验32
5、温度控制实验34
三、以太网接入控制网络实验37
1、组网实验37
2、I/O量实验38
3、交通灯控制实验40
4、液体混合控制实验42
5、温度控制实验44
第一部分预备知识
一、网络化测控知识
本实验装置包含三种工业测控网络系统实验平台，分别为现场总线（PROFIBUS-DP）控制网络、以太网（ETHERNET）控制网络和无线通信控制网络。
下面分别介绍三种控制网络在分布式计算机控制系统中的应用及相关技术。
1、现场总线控制网络
现场总线（FieldBus）是一种多点、多站、多变量、全分布式智能双向串行的数据通讯链路，它直接沟通生产现场的测量、控制和执行设备，从而构成一个开放式的控制系统。
现场总线技术的出现，将传统的DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型的智能全分散系统结构。
目前的现场总线包括CAN、Modibus、Longworks和Profibus等,几种不同总线各有不同特点，根据实际应用情况，我们选择了基于西门子公司PLC实现的PROFIBUS-DP现场总线作为现场总现实验平台。
PROFIBUS是符合亚洲标准EN50170的现场总线，是一种国际性的开放式的现场总线标准，由西门子、ABB等十几个国家的公司共同推出。
是目前国际上推广速度最快，用户最多，应用范围最广，最有前景的现场总线。
PROFIBUS总线包括PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本，其中DP协议是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。
使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输，主要用于分布式控制系统的高速数据传输，最高传输速度可达12Mbps，距离为1km,尤其适合自动化控制领域的应用。
典型分布式控制系统如图1-1所示.
测控对象n
图1-1.典型PLC现场总线控制网络
图1-1中,PC机通过CP5611卡同PLC主站通信，而主站与远处不同分布地点的从站PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络。
主要性能指标:
传输速度可达12Mbps;距离为1km;485物理接口。
2、无线通信控制网络
无线通信网络，由于其特有的非接线通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区、油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。
尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通信控制网络的优势更为明显。
目前，采用无线通信技术的工控产品很多，有的采用RF调频通信原理；有的采用扩频通信原理。
根据发射功率的不同，无线通信的距离也各不相同。
也有很多公司开发出了应用于不同场合的无线数传模块，大大方便了无线通信测控系统的设计。
考虑到实验系统的要求及实际应用情况，我们选用了台湾威达（ICP）的牛顿无线通信模块和工控模块开发无线通信控制网络实验平台。
台湾威达（ICP）公司是著名的工控产品研发和生产公司，其公司生产的工业控制计算机、数据采集卡和工控模块都是目前工控行业的主流产品。
尤其是工控模块产品，由于性价比高、组合使用方便，深受用户好评。
典型无线通信网络分布式控制系统见图1-2所示。
无线模块
+控制模块
图1-2.典型无线通信控制网络
图1-2中，采用台湾威达（ICP）无线通信模块SST900EXT，通信距离1km;波特率最大19200；232/485通信接口。
3．以太网（Ethernet）接入控制网络
以太网（Ethernet）是目前最流行的局域网体系结构，它具有开放性、低成本、广泛应用的软硬件支持等明显优势。
最近几年，以太网正在从不同的的途径进入到工业自动化和过程控制市场，应用范围有了很大发展，一些厂商推出了许多相关产品。
以太网最典型的应用形式是Ethernet+TCP/IP，即灵活的Ethernet底层加上几乎已成通用标准的网络传输协议TCP/IP,使得以太网能够非常容易地集成到以Internet和Web技术为代表的信息网络中。
这一突出优点，加上能够满足各种要求的足够带宽（10M到100M）、开放性的统一标准、低廉的成本，促使以太网在工业领域得到越来越多的关注。
尽管目前通过以太网实现实时工业控制还需要解决很多问题，但这是一个必然趋势，国际上已制定高速以太网现场总线（HSE）最终技术规范，技术开发工作已经开始，相信不久的将来以以太网为现场总线的控制系统将会流行。
目前，利用具有以太网接入功能的控制器，可以方便地实现基于浏览器的现场监控系统，这时一种崭新的现场监控系统方案。
我们选用美国Z-World公司的BL2000系列嵌入式控制器，通过以太网接入构成的典型监控系统框图如图1-3所示。
BL2000
控制器
图1-3典型以太网接入监控系统
图1-3中，BL2000用于实现实时现场控制；其10BASE-T以太网接口通过HUB与PC机的网卡连接，形成基于浏览器的监控系统，网络带宽10M.
二、实验装置介绍
本实验装置是基于上述三种控制网络架构开发的实验设备，结合模块化思想开发设计的多组试验箱，可以开出多个具有实际应用价值的试验和课程设计。
此外，将来根据需要还可以进一步扩展开发应用于本实验系统的试验箱。
本实验装置包含3个控制网络平台（系统）和4类实验箱，下面分别给与介绍。
1、现场总线控制网络系统
本实验系统由西门子S7-300和S7-200型号的PLC构成，实物见图1-4所示。
图1-4现场总线控制网络系统
系统原理图见图1-5所示。
235
图1-5现场总线控制网络系统原理图
系统各部件说明如下：
1）5611卡：
西门子公司生产的通信网卡，支持PPI、MPI和PROFIBUS协议。
本系统使用187.5Kbps的MPI协议，用于实现PC机与主站CPU313C的通信，MPI地址为0。
2）CPU313C-2DP：
S7-300PLC的CPU,具有一个MPI口（地址设为2）和1个PROFIBUS-DP接口（地址设为2），在系统中作为PROFIBUS现场总线网络的主站。
本机自带16DI（24VDC）/16DO（24VDC）,实验系统只引出8DI/8DO；地址为I124.0~I124.7和Q124.0~124.7。
3）CPU222:
S7-200PLC的CPU,具有一个MPI口（地址设为4）。
本机自带8DI（24VDC）/6DO（继电器），端子全部引出，地址为I0.0~I0.7和Q0.0~Q0.5。
4）EM235：
S7-200PLC的扩展模块，4路模拟量输入AI（12位），地址为AIW0~AIW3；1路模拟量输出AO（12位）,地址为AQW0。
数据格式如下：
AI:
0~10V对应0~32000数字量：
0
12位数据位
0
0
0
AO:
0~32000数字量对应0~10V：
12位数据位
0
0
0
0
5）EM277：
S7-200PLC的扩展模块，一个PROFIBUS-DP端口（地址设为6），实现S7-200从站与主站的PROFIBUS-DP通信，通信速率为12Mbps。
6）组态王：
上位机编程软件。
2、无线通信控制网络系统
本实验系统由牛顿工控模块构成，实物见图1-6所示。
图1-6无线通信控制网络系统
系统原理图见图1-7所示。
7012
图1-7无线通信控制网络系统原理图
系统各部件说明如下：
1）SST900EXT:
无线接收/发送模块，232/485接口；速率最高19.2Kbps；距离200米，加放大天线可达1km.本实验系统速率设为9.6Kbps。
2）7044：
数字量模块，4DI（开关量）/8DO（OC门）；485接口；地址设为1。
3）7012：
模拟量输入模块，16位隔离；485接口；地址设为2；电压输入0~10V对应0~32767。
4）7021：
模拟量输出模块，12位隔离；485接口；地址设为3；电压输出：
0~4095对应0~10V。
5）VB：
上位机编程软件。
3、以太网接入控制网络系统
本实验系统由Z-World公司的以太网接入控制器BL2000和网络集线器HUB构成，实物见图1-6所示。
图1-8以太网接入控制网络系统
系统原理图见图1-9所示。
实验箱
图1-9以太网接入控制网络系统原理图
系统各部件说明如下：
1）HUB:
网络集线器，用于连接PC机、BL2000和局域网，带宽10M。
2）BL2000:
嵌入式控制器。
内置Rabbit2000CPU,主频22.1MHz。
128KSRAM和256KFLASH；18DI（开关量）/10DO（OC门）；引出8DI/8DO;9路12位模拟量输入AI和2路12位模拟量输出AO；4个串行口；一个10BASE-TEthernet网络接口；一个实时时钟；一个看门狗。
本系统BL2000引出4路模拟量输入（0~10V）;引出2路模拟量输出（0~4V）。
以太网IP地址设为：
10.103.1.225；网关：
10.103.0.1;子网掩码：
255.255.254.0。
3）DC:
上位机编成软件（DynamicC）。
4．实验箱介绍
每套系统有两个实验箱，每个实验箱包含两个实验，见图1-10和1-11所示。
图1-10I/O量实验和交通灯控制实验箱
图1-10液体混合控制和温度自动控制实验箱
现将每个实验的基本内容介绍如下：
1）I/O量实验：
针对三个网络控制系统平台，可以分别进行数字量I/O和模拟量I/O实验。
2）交通灯控制实验：
针对三个网络控制系统平台，可以进行交通信号灯的模拟控制，以便掌握开关量在控制系统中的应用。
3）液体混合控制实验：
针对三个网络控制系统平台，可以进行工业过程控制中的液体混合控制模拟试验，以便了解配料控制的一般方法。
4）温度控制系统：
针对三个网络控制系统平台，可以进行工业过程控制中的电加热炉控制试验，以便掌握炉温控制的PID算法。
三、实验装置的电路原理
本实验装置包含三个网络控制系统和4个实验部分，相关的电路图共有7个，详见下页。
第二部分实验内容
整个网络测控实验系统包含3套网络系统和6个实验箱；每套网络系统可以完成5个实验，合计可以完成15个独立的实验。
三套网络系统实验结构如图2.1、2.2和2.3所示：
实验箱
1．I/O量、交通灯
2．液体混合、温度控制
CP5611卡MPI接口
图2.1现场总线控制网络实验结构
实验箱
1．I/O量、交通灯
2．液体混合、温度控制
RS232接口
图2.2无线通信控制网络实验结构
实验箱
1．I/O量、交通灯
2．液体混合、温度控制
Ethernet接口
图2.3以太网接入控制网络实验结构
一、现场总线（PROFIBUS-DP）控制网络实验
1、组网实验
实验目的
掌握通过S7-200和S7-300西门子PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络的方法。
实验内容
用西门子PLC建立PROFIBUS-DP现场总线控制网络，S7-300（CPU313C-2DP）为主站；S7-200（CPU222及扩展模块EM237、EM235）为从站。
网络的实现由CPU313C-2DP的DP口和EM237的DP口构成。
PLC各部分的性能和结构参见第一部分预备知识。
本实验组成的PROFIBUS-DP网络通信速率为12Mbps；主、从站的PROFIBUS-DP地址分别为2和6。
而组网要通过Step7编程软件完成，主、从站的MPI编程口地址分别为2和4；5611卡所在的PC机地址为0。
实验电路
实验电路的连接见下图2.4。
MPI口
图2.4PROFIBUS-DP组网实验结构图
实验步骤
S7-200PROFIBUS-DP从站的建立：
因实验时间所限，200CPU的组网事先已经做好，主要是编写程序将I/O量送到可以映射到300PLC主站的V存储区，其对应关系见下表。
313c地址
V区地址
cpu222+em235地址
数据来源
IB0
VB32
IB0
CPU222
IW2
VW34
AIW0
EM235
IW4
VW36
AIW2
EM235
IW6
VW38
AIW4
EM235
IW8
VW40
AIW6
EM235
QB0
VB0
QB0
CPU222
QW2
VW2
AQW0
EM234
I：
输入寄存器Q：
输出寄存器V：
变量存储区
AI：
模拟量输入AQ：
模拟量输出B：
字节W：
字
S7-300主站的建立：
（1）运行SIMATICMANAGER软件，进入MANAGER新工程向导界面（NEWPROJECTWIZARD）。
（2）单击NEXT进入下一步。
（3）选择CPU型号（这里没有CPU313C型号，可以任选一款300CPU，建站后，要重选）；然后将“MPIaddress”项选2。
（4）按NEXT，选择操作数据块，这里只选择OB1即可。
（5）按FINISH，完成。
这时候基本框架已经建成。
（6）单击左边框中的SIMATIC300STATION，这时右边框中出现HARDWARE和CPU的型号。
（7）双击HARDWARE，进入组态硬件界面。
左边框中为已选择的硬件，右边框中为可供选择的硬件。
（8）删去左边框中错误的硬件（在它上面单击右健，选删除即可）。
（9）双击右边框中要选的硬件，建立300PLC主站（包括313C-2DP,PS307。
注意，要先单击左边框中对应的空白框。
）,然后通过manager\\options\\setpg/pcinterface设定编程的通信波特率为187.5。
（一号槽对应电源，二号槽对应313C-2DP）。
（10）为建立300PLC主站与200PLC从站的PROFIBUS网络,双击左边框中的DP，单击PROPERTIES，再单击NEW，即可配上PROFIBUS总线，这时左框架上面的图中会出现profibus总线的示意图。
（11）单击右边的profibusdp\\additionalfielddevices\\plc\\simatic\\，将目录中的EM277模块拖到左边框中的profibus总线上，当光标变为虚点小方框，方可松开，然后将“Address”改为6（主站的PROFIBUS地址）；再进入Properties\\NetworkSetting,将“transmissionRate”设为12Mbps后，按确定。
（12）为EM277选择I/O软模块：
首先单击Profibus图中的EM277模块,令其上半部变蓝。
然后找到两窗口之间的两个箭头,单击右边的箭头,令其变白，这时方可双击边框中所选软模块的。
本系统选用软模块为16wordout/16wordin,I/Q地址由256/256改为0/0。
（13）将300CPU置为“STOP”状态后，在“MANAGER”界面下载组态参数。
（14）将200和300PLC的状态置为“RUN”后，若EM277的“DXMODE”绿灯亮，则表明PROFIBUS-DP组网成功；若“DPERROR”红灯亮，则说明组网失败，需要重新配置。
实验报告
（1）描述组网步骤。
（2）说明现场总线控制网络系统平台各部分的作用。
实验仪器
微机、5611卡和现场总线控制网络系统。
2、I/O量实验
实验目的
（1）掌握S7200及扩展模块的I/O量结构。
（2）掌握通过PROFIBUS-DP现场总线进行数据采集的原理和方法。
实验内容
利用实验箱的I/O量实验板、现场总线控制网络系统平台和上位微机的WINDOWS应用软件进行数字量和模拟量的输入/输出实验。
实验电路
实验电路的连接见下图2.5（a）、（b）。
B0B1B2B3B4B5COM
（a）数字量I/O实验连接图
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5GNDV0M0GND
（b）模拟量I/O实验连接图
图2.5I/O量实验连接图
实验步骤
（1）完成实验系统连线。
（2）接通电源。
（3）运行微机桌面“组态王（Kingview）”程序，打开现场总线实验工程，点击“VIEW”图标，按界面提示进入I/O量实验界面。
（4）调整实验箱面板上的按钮、开关和电位器进行I/O量的输入/输出操作。
实验报告
参考第一部分预备知识的相关内容，完成如下内容：
（1）写出模拟量I/O（0~10V）对应数字量的关系。
（2）结合实验箱电路图和现场总线控制网络系统电路图，画出单路数字量I/O的等效实验电路图。
（3）写出实验体会。
实验仪器
微机、5611卡、现场总线控制网络系统和I/O量实验箱。
3、交通灯控制实验
实验目的
（1）掌握交通灯逻辑控制原理及方法。
（2）掌握基于现场总线控制网络交通灯的硬件控制原理。
实验内容
利用实验箱的交通灯控制实验板、现场总线控制网络系统平台和上位微机的WINDOWS应用软件进行交通灯的控制实验。
实验电路
实验电路的连接见下图2.6。
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5GNDV0M0GND
图2.6交通灯控制实验连接图
实验步骤
（1）完成实验系统连线。
（2）接通电源。
（3）运行微机桌面“组态王（Kingview）”程序，打开现场总线实验工程，点击“VIEW”图标。
按界面提示进入交通灯控制实验界面。
（4）整实验箱面板上的按钮、开关和电位器进行I/O量的输入/输出操作。
实验报告
参考第一部分预备知识的相关内容，完成如下内容：
（1）描述交通灯的控制过程。
（2）结合实验箱电路图和现场总线控制网络系统电路图，画出交通灯的控制的等效实验电路图。
（3）写出实验体会。
实验仪器
微机、5611卡、现场总线控制网络系统和交通灯控制实验箱。
4、液体混合控制实验
实验目的
（1）掌握液体混合控制原理及方法。
（2）掌握基于现场总线控制网络液体混合控制的硬件控制原理。
实验内容
利用实验箱的液体混合控制实验板、现场总线控制网络系统平台和上位微机的WINDOWS应用软件进行液体混合控制实验。
实验电路
实验电路的连接见下图2.7。
数字量输出重量输入
图2.7液体混合控制实验连接图
实验步骤
（1）完成实验系统连线。
（2）接通电源。
（3）运行微机桌面“组态王（Kingview）”程序，打开现场总线实验工程，点击“VIEW”图标，按界面提示进入液体混合控制实验界面。
（4）设定液体混合的总重量、混合比及搅拌时间，旋动模拟混合罐重量电位器w，观察控制过程。
实验报告
参考第一部分预备知识的相关内容，完成如下内容：
（1）描述液体混合控制的过程。
（2）结合实验箱电路图和现场总线控制网络系统电路图，画出液体混合控制的等效实验电路图。
（3）写出实验体会。
实验仪器
微机、5611卡、现场总线控制网络系统和液体混合控制实验箱。
5、温度控制实验
实验目的
（1）掌握电热炉温度控制原理及方法。
（2）掌握基于现场总线控制网络的电热炉温度控制的硬件控制原理。
实验内容
利用实验箱的温度自动控制实验板、现场总线控制网络系统平台和上位微机的WINDOWS应用软件进行电热炉的温度自动控制实验。
实验电路
实验电路的连接见下图2.8。
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5GNDV0M0GND
图2.8温度自动控制实验连接图
实验步骤
（1）完成实验系统连线。
（2）接通电源。
（3）运行微机桌面“组态王（Kingview）”程序，打开现场总线实验工程，点击“VIEW”图标，按界面提示进入温度控制实验界面。
（4）设定电热炉的被控设定温度为100℃、PID控制参数为0.5,0.0014和0.002,观察实验结果。
如有时间可更改参数重新实验一次，以便对比。
实验报告
参考第一部分预备知识的相关内容，完成如下内容：
（1）描述电热炉控制的原理。
（2）结合实验箱电路图和现场总线控制网络系统电路图，画出控制系统的等效实验电路图。
（3）记录实验的温度控制曲线、PID参数、最大超调量δ、稳态误差。
实验仪器
微机、5611卡、现场总线控制网络系统和温度自动控制实验箱。
二、无线通信控制网络实验
1、组网实验
实验目的
掌握利用无线通信工控模块组成无线通信控制网络的组网方法。
实验内容
通过威达无线通信工控模块SST900EXT和I/O量工控模块（7044、7012和7021）组成无线通信工控网络系统。
实验电路
实验电路的连接见下图2.9。
7012
图2.9无线通信网络组网实验结构图
实验步骤
（1）接通电源。
（2）运行微机桌面“无线通信.EXE”程序，进入主界面后,按界面提示点击组网图标，进入“7000Utility”界面，程序自动搜索模块。
（3）点击
图标将程序暂停，单击
图标对通信网络进行com口和波特率的参数进行设置，见如下界面：
（4）“COMtosea
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