基于西門子S7-300 PLC的過程控制實驗平臺設計

湯 偉, 竇晨超, 馮曉會

(陜西科技大學 工業自動化研究所，西安 710021)

0 引 言

過程控制是自動化及其相關專業的重要專業課，具有理論性與實踐性并重的特點[1-4]。切實掌握過程控制課程內容，實驗教學環節必不可少。然而，許多高校實驗系統并不完善，導致過程控制實驗教學趨于形式化，學生對實驗的理解停留于表面。因此，設計、開發一套性能優越、功能完善的過程控制實驗平臺對提高過程控制教學質量和培養學生工程實踐能力具有重要意義[5-8]。

本文過程控制實驗平臺是以自主研制的小型多參數三容水箱實驗裝置為被控對象，通過人機交互界面和對應的硬件連接，向實驗裝置上的執行機構發出控制信號，采集各檢測儀表發出的電壓或者電流信號進行處理，并將各類數據以曲線或者直接顯示的方式表現出來的一套完整的實驗系統。

1 實驗平臺總體設計方案

本過程控制實驗平臺設計基于“過程控制”及相關課程教學大綱的要求，采用最典型的“上位機-PLC-被控對象”系統結構完成數據的采集和處理，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 實驗平臺結構示意圖

其中，作為被控對象的物理實驗裝置選用本課題組自主研制的小型多參數三容水箱實驗裝置。上位機中選取目前使用較多且功能完善的西門子工業組態軟件SIMATIC WinCC V7.0進行監控界面設計[9]。下位機選取模塊式的西門子SIMATIC S7-300 PLC，負責完成實驗平臺的數據采集與處理，接收來自上位機的操作信號以及實物實驗的相關邏輯控制等[10]。

上位機與下位機采用易實現的以太網進行實時通信，上位機中可編寫相應的程序，組態界面等，然后下載到PLC控制器中，通過通信通道、模擬/數字量的輸入/輸出通道實現與實驗設備之間的通信，從而完成整個實驗平臺的運行。

2 硬件設計

2.1 物理實驗裝置搭建

該實驗裝置的基本工作流程是水經由水泵從蓄水箱中流入水箱01、水箱02、水箱03，再經由相對應的管路回到蓄水箱中，形成水的循環流動，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 物理實驗裝置結構示意圖

通過21個閥門的開關切換可以組成5條不同的工藝回路，從蓄水箱連接至泵02，經過水箱03到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環水路L1；從蓄水箱連接至泵02，經過電磁閥02到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環水路L2；從蓄水箱連接至泵01，經過電動調節閥01到水箱02，再回到蓄水箱，形成循環水路L3；從蓄水箱連接至泵01，經過動調節閥01到水箱01，再到水箱02，最終回到蓄水箱，形成循環水路L4；從蓄水箱連接至泵01，經過動調節閥01到盤管，再到水箱02，最終回到蓄水箱，形成循環水路L5。各循環水路可以單獨使用，也可以左右循環水路結合起來完成更加復雜的實驗項目。

2.2 控制系統硬件設計

本實驗平臺下位機選取西門子模塊式的SIMATIC S7-300 PLC[11]，下位機主要負責液位、壓力、溫度、流量等過程參數信號的采集、轉換以及控制運算與輸出，同時也負責與上位機進行實時通信。實驗平臺控制系統硬件主要由PLC控制柜和MCC柜組成，系統框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統框圖

在本系統中，S7-300 PLC由處理數據和與上位機進行交換數據的CPU315-2PN/DP模塊、用于采集模擬量數據的SM331模塊、用于輸出模擬量數據的SM332模塊、用于采集數字量信號的SM321模塊、用于輸出數字量信號的SM322模塊以及電源模塊組成，配以給PLC控制系統供電的24 V穩壓電源，均放置在定制的控制柜內。通過統計，系統的I/O測控點為：模擬量輸入信號(AI)16個，模擬量輸出信號(AO)4個，數字量輸入信號(DI)32個，數字量輸出信號(DO)32個。

3 軟件設計

本過程控制實驗平臺選用的編程軟件與組態軟件分別是STEP7 V5.5與WinCC V7.0。首先使用STEP7編程，將實際的硬件配置準確無誤的下載到CPU中,然后在WinCC V7.0進行實驗界面的設計。

3.1 上位機與下位機的通信實現

結合實際情況，本實驗平臺下位機PLC與上位機之間采用以太網通信[12-13]，CPU315-2PN/DP集成有PROFINET功能，無需額外添加通信模塊和專門的編程電纜，利用上位機電腦自帶的網卡，只需一根普通網線即可實現PLC與上位機的以太網通信，簡單方便，經濟實惠。

3.2 實驗平臺程序設計

SIMATIC S7-300 PLC是結構化編程的積極倡導者，在STEP7中，結構化的用戶程序是以“塊”的形式實現的，本實驗平臺的主程序設計，即確定OB1中的各子程序嵌套或調用的結構[14]。進行程序設計時，將設計任務分為模擬量采樣、各設備的啟停以及各實驗項目實現等任務，其中各設備的啟停分為變頻器的啟停和其他設備的啟停，相對應地編寫了FC105采樣子程序、FC103啟停子程序及FC1～FC12實驗項目子程序。設計的主程序相對簡單，具體程序結構如圖4所示。

圖4 OB1程序結構

對于各實驗項目子程序通過兩個常開觸點和一個正跳沿檢測產生調用信號，如圖5所示。一個常開觸點接收來自WinCC監控界面的信號，實現實驗項目的選擇；另一個常開觸點接收來自CPU內部時鐘的周期脈沖信號，輔以正跳沿檢測，實現子程序運行結果的周期性輸出。CPU內部時鐘的周期脈沖信號獲取如圖6所示，在CPU的Cycle/Clock Memory選項卡中勾選Clock Memory，Memory byte設置為10，則M10.0～M10.7會產生不同周期的脈沖信號，在編寫程序時可直接使用。

圖5 實驗項目子程序調用信號

圖6 獲取周期性脈沖信號

3.3 實驗平臺界面設計

實驗平臺操作界面是管理與實施整個過程控制實驗平臺的直接環節，實驗平臺界面設計包括登錄界面設計和實驗界面設計。登錄界面設置了【登錄】、【進入系統】、【退出系統】3個按鈕，考慮到實驗平臺的安全性和規范性，將注意事項界面放在實驗項目選擇前。本實驗平臺設置了不同的登錄名和登錄密碼，給“Administrator”設置全部權限，而“student”設置數值輸入、過程控制、窗口選擇等權限，如圖7所示。

圖7 用戶管理器窗口

本實驗平臺的實驗界面見圖8，包括橫欄、縱欄、實驗區三部分。橫欄中4個按鈕用來選擇實驗項目類別，包括基礎控制、復雜控制、提高性、仿真等實驗，當按下按鈕時按鈕背景色呈現深灰色；縱欄包括實驗選擇和歷史曲線兩部分，實驗選擇中的按鈕按下時背景色呈現淺藍色，表示該實驗被選中，同時實驗區畫面切換到該實驗對應的畫面，當歷史曲線中顯示畫面按下查看LT101、LT201、LT103、FT101、FT201、PT201、TT101、TT201的變化曲線；實驗區是各實驗項目的工藝圖，該工藝圖仿實物繪制，圖中使用的循環水路以紅色標出，控制回路以虛線標出，便于學生理解實驗原理和觀察控制效果。各實驗畫面的切換均使用畫面窗口實現。

圖8 實驗界面

圖9 歷史曲線界面

實驗平臺的歷史曲線使用WinCC畫面編輯器ActiveX控件中的WinCC Online TrendControl實現，該控件支持趨勢、時間軸、數值軸、數據源、曲線形式等的在線調整，方便學生觀察實驗效果[15]。由于實驗平臺要求在實驗界面反復切換時歷史曲線不會被擦除，本實驗平臺的數據源選取歸檔變量，使用WinCCExplorer中的【變量記錄】建立歸檔變量。

4 可開發實驗項目列表

實驗平臺可開發各類過程控制實驗，如表1所示。

表1 可開發實驗列表

5 結 語

根據對過程控制實驗平臺的需求分析，設計了一套基于西門子S7-300 PLC的過程控制實驗平臺，設計、制作了一套小型化的多參數三容水箱實驗裝置，以該實驗裝置為被控對象，設計了基于STEP7的實驗項目程序、基于WinCC的監控界面設計等。實驗平臺設計充分考慮了工業現場的習慣，使學生對現場的實際操作等有直觀的認識。

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