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网络与现场总线课程设计报告


网络与现场总线课程设 计报告
——通过力控组态软件 实现对搅拌罐的远程控制

一. 课程设计背景与监控软件应用论述 1. 现场总线的意义:现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制 设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现 场级设备通信的数字化革命。基于现场总线的自动化监控系统采 用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂

信息网络,

构成企业信息网络底层,使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到 生产现场。现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸,是 支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 2.基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点:(1)增强 了现场级信息集成能力。现场总线可从现场设备获取大量丰富信息, 能够更好的满足工厂自动化及 CIMS 系统的信息集成要求。现场总线 是数字化通信网络可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完 成远程控制,还可完成远程参数化工作。(2)开放式、互操作性、 互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一总线标准,就具有互 操作性、互换性,因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式,允 许其它厂商将自己专长的控制技术,如控制算法、工艺流程、配方等 集成到通用系统中去,因此,市场上将有许多面向行业特点的监控系 统。(3)系统可靠性高、可维护性好。基于现场总线的自动化监控 系统采用总线连接方式替代一对一的 I/O 连线, 对于大规模 I/O 系统 来说,减少了由接线点造成的不可靠因素。同时,系统具有现场级设 备的在线故障诊断、报警、记录功能,可完成现场设备的远程参数设 定、修改等参数化工作,也增强了系统的可维护性。(4)降低了系 统及工程成本。对大范围、大规模 I/O 的分布式系统来说,省去了大 量的电缆、I/O 模块及电缆敷设工程费用,降低了系统及工程成本。 3.课程设计 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统对现代化工业控制的 作用,该课程让我们设计远程控制搅拌罐监控系统。根据过程控制实

验需要,采用组态软件与编程实现远程数据通讯,并进行下位数据采 集。 最终通过这个例子让我们了解现场总线的自动化监控及信息集成 系统的作用。 二. 上位监控软件实现的思路 (一)网络控制系统

它是管理层。 是具有以太网连接 的PC 机,在这台PC 上运行网 络服务器软件, 通过以太网与客 C/S 方式的服务器: 通过 以太网实现客户机的C/S 方式访问。进一步还可以 实现Intenet 网上的B/S 方式的网络通信 和控制。 户端进行通信。 该内置网络服务 器上装有: 1.工控软件平台(能实现对 SIEMENS 的可编程序控制器 及其通过工业现场总线连接的2 台变频器进行系统设置、 软件编 程和系统调试。) 2.三维力控的组态软件Forecontrol (V6.1sp3)。 它与2台变频器进行主从 通信, 从而实现搅拌罐的 PLC本地控制。务器 (Server) 软件, 通过以太网与客户 端进行通信。 在网络服务 器主机的PCI 总线插槽 上内置 CP5611,采用 (通过它, 管理者能根据控制系 统的工艺流程, 完成上位监控软 件的设计、编写和调试,并实现 上位机的远程控制。)

(二)通过力控组态软件实现对搅拌罐的远程控制 接口协议MPI 实现与
SIEMENS 的可编程控 制器 S7-300 连接

SIEMENS 内部的多机

根据控制工艺顺序要求,进行系统结构设计,硬件连接和上述

进行逻辑编程和调试。 通过增加系统默认值和上位机可设定值之后完 成监控画面的设计与组态。再建立上位监控系统的变量表,力控组态 软件与S7300PLC之间的通讯,并建立相应的映射关系。配置完成后,

对力控组态软件里面添加变量以及做相应的动作连接、 监控画面的相 关调试。可实现本地控制、远程控制、配料控制完成。并可以得到实 时趋势图、历史报表、登陆界面等。需实现的本地控制,网络控制功 能和总体布局如下三点: (一)本地控制搅拌过程的工艺顺序: (1)按启动后,泵A和泵B同时开,A液体和B液体同时进入罐内。 (2)按A液体和B液体进料比例供料(系统默认进料比例为2:3。设 泵流速为每秒10升/秒,混合液总体积为500升。泵A完成进料用时T1 为20秒;泵B完成进料用 时T2为30秒。) (3)供料完毕后搅拌机工作,搅拌A、B料的混合液体。搅拌时间T3设 置为20秒。到时后,搅拌机停; (4)排料阀C工作,将搅拌好的液体排除;当液位低于低液位时,延时 20秒后,阀C关闭; (5)系统进入下一个循环周期,控制流程转入到”a)泵A和泵B同时 开”?? (二)网络控制 将与控制对象直接相联的监控计算机作为服务器, 在与其相联的 以太网中的其它计算机作为客户端。 在客户端装有三维力控组态平台, 用它进行设计、制作、调试组态软件。操作客户端的组态软件,通过 与服务器上的组态软件实现对被控对象的远程网络控制。 (三)总体布局

主菜单

主 监 控

趋 势 曲 线

历 史 报 表

事 件 记 录

用 户 管 理

退 出 系 统

系统 状态 监视

系 统 启 停 控 制

液位 实时 曲线

实 时 趋 势 曲 线

历 史 数 据 曲 线

历 史 报 表 查 询

报 表 输 出 打 印

系 统 事 件 记 录

报 警 时 间 记 录

用 户 权 限 查 看

用 户 登 录 注 销

用 户 管 理 模 块

现场控制层是一个工业现场总线网,控制系统的网络结构如上图所示

三. 通过力控组态软件实现对搅拌罐的远程控制——设计内容详细 及截图 (一).用力控软件设计出搅拌罐远程控制界面
1.建立新的工程文件 打开力控软件,看到的是工程管理器。点击“新建” ,新建一个工程文件,如 图 3.1.1 所示

图 3.1.1
“确定” 后点击 “开发” 进入开发界面, 进入开发环境后选择 “文件/新建” , 并对窗口属性进行设置,创建新画面。从导航器中选择工具目录/图库/罐,从精 灵图库中选择一个罐子图形。 根据实际情况调整罐的大小和位置。 用相同的方法, 在工具目录/图库中的传感器、泵、阀门、管道、报警灯、仪表、时钟、搅拌器 等子目录中选择传感器、泵、电磁阀、管道拐弯、运行状态指示灯、远程控制和 本地控制指示灯等等,调整位置、大小和属性。根据要求设置各器件属性,文本 标注用工具箱中的文本编辑, 启停按钮用增强型按钮,选择项用复选框实现等等 各功能都可在工具目录下找到。图 3.1.2 给出一个设计搅拌罐的例子。

图3.1.2

最终设计出远程监制搅拌罐界面如下:

2.创建实时数据库 在工程项目中双击“数据库组态” ,启动组态程序 DbManager,双击单元格 出现“请指定区域、点类型”对话框根据变量的类型(模拟 I/O 点、数字 I/O 点、累计点、控制点、运算点、组合点)建立点名、点说明、初始状态。 在“区域00”中选择“数字I/O点” ,点击“点名” 。在“基本参数”栏的“点名” 输入中输入“control” ,在“点说明”中输入“远程控制/本地控制” ,确定。在 数字I/O点中分别建立输入变量 “本地启动” 、 “本地停止” 、 “低液位” 、 “高液位” 、 “报警液位” 远程启动的 、 “启动” 远程停止的 、 “停止” 输出变量 ; “A料泵状态” 、 “B料泵状态”“排料阀状态”“搅拌器状态”等组态软件中的变量。与添加数 、 、 字I\O点方法类似,在DbManager的数据库中,选择“区域?00” ,点击右键。选 择“模拟I/O点”点击,分别输入“点名”“点说明” 、 ,加入“完成搅拌的罐数” 、 “配料A比例”“配料B比例。然后设置“罐中液位”“完成搅拌的罐数”、“配 、 料A 比例”、“配料B比例”的历史参数。连接完成后建立的变量数据库截图如 图3.1.3所示:

变量数据库图 3.1.3

设置完参数后就需要对各元件进行动画连接。 (因为在试验室设置好远程 server 后,所有文件图形都连接到 server,即表达式前面多了\\server\\,所 以以下我在试验室的截图表达式前都带了\\server\\。 ) 3.建立界面中图像元素的动画连接 从入口 A 泵开始定义图形对象的动画连接双击 A 泵,出现动画连接对话框, 点击 ,选择相应的变量 IN_A.PV,见图 3.1.4。

图 3.1.4 图像元素的动画连接 以同样的方法,依次将泵 B 及管线、排料阀及管线、低液位传感器状态、高液位 传感器状态、报警液位传感器状态、远程控制状态、本地控制状态、报警指示灯 和系统运行状态等各个图形与其相对应的变量进行设置连接,最后再对高度、搅 拌次数显示的内容进行设置。对于文本、增强型按钮的设置也如上,对模拟输入 设置如图 3.1.5 所示:

对模拟输入设置如图 3.1.5 4.建立主监控画面上 “远程启动” 、 “远程停止” 图像元素与系统参数的连接: (Ⅰ)对主监控画面上“远程启动”触发动作的设置: 双击“远程启动” ,在动画连接的“触发动作”栏中选择“右键动作” 。在“按下 鼠标”栏目下输入脚本程序为: ON_YUAN.PV=1;//远程控制“启动”变量为 1 OFF_YUAN.PV=0;//远程控制“停止”变量为 0 如图 3.1.6 所示:

图 3.1. 6 “远程启动”触发动作设置 接下来双击“远程启动”在动画连接的“杂项”栏目中选择“禁止”在表达式栏

中选择变量“control.PV” ,禁止条件为“表达式为真” ,如图 3.1.7。

图 3.1.7 “远程启动”的约束条件 (Ⅱ)对主监控画面上“程序停止”的设置: 双击“远程停止”在动画连接的“触发动作”栏中选择“左键动作”在“按下鼠 标”栏目下输入脚本程序为: ON_YUAN.PV=0;//远程控制“启动”变量为 0 OFF_YUAN.PV=1;//远程控制“停止”变量为 1 如图 3.1.8 所示:

图 3.1.8 “远程停止”触发动作设置 双击“远程停止” ,在动画连接的“杂项”栏目中选择“禁止” ,在表达式栏中选 择变量“control.PV” ,禁止条件为“表达式为假” ,如图 3.1.9.

图 3.1.9 “远程停止”的约束条件 (Ⅲ)以上述方法对“本地启动”和“本地停止”进行相应的触发动作设置 和约束条件设置。

5.脚本编辑 (Ⅰ)在工程项目中双击 “动作” 再双击 , “应用程序动作” 进入脚本编辑。 , (Ⅱ)单击“进入程序” 可以编辑脚本来设计监控开始时所执行的初始化程 , 序。编辑的程序如下: ON_YUAN.PV=0; OFF_YUAN.PV=0; control.PV=0; LEVEL.PV=0; RUN.PV=0; TIMES.PV=0; 脚本编辑截图如图 3.1.10:

图 3.1.10 脚本动作的初始化 (Ⅲ)接下来单击“程序运行周期执行” ,就可以编辑运行期间的主程序: IF RUN.PV==0; THEN IN_A.PV=0; IN_B.PV=0; INXER.PV=0; ENDIF IF RUN.PV==1&&LEVEL.PV<25 THEN SENSOR_L.PV=0; SENSOR_H.PV=0; SENSOR_A.PV=0; ENDIF IF RUN.PV==1&&LEVEL.PV>=25&&LEVEL.PV<80 THEN SENSOR_L.PV=1; SENSOR_H.PV=0; SENSOR_A.PV=0; ENDIF IF RUN.PV==1&&LEVEL.PV>=80&&LEVEL.PV<90 THEN SENSOR_L.PV=1; SENSOR_H.PV=1; SENSOR_A.PV=0; ENDIF IF RUN.PV==1&&LEVEL.PV>=90&&LEVEL.PV<100 THEN SENSOR_L.PV=1; SENSOR_H.PV=1; SENSOR_A.PV=1;

ENDIF IF RUN.PV==1&&LEVEL.PV==100 THEN OUT_VALEV.PV=1; TIMES.PV=TIMES.PV+1; ENDIF IF SENSOR_L.PV==0&&RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==0&&LEVEL.PV<25 THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; IN_A.PV=1; IN_B.PV=1; ENDIF IF SENSOR_L.PV==1&&RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==0&&LEVEL.PV<80 THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; IN_A.PV=1; IN_B.PV=1; INXER.PV=1; ENDIF IF SENSOR_H.PV==1&&RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==0&&LEVEL.PV<90 THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; IN_A.PV=1; IN_B.PV=1; INXER.PV=1; ENDIF IF SENSOR_A.PV==1&&RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==0&&LEVEL.PV<=100 THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV+1; IN_A.PV=1; IN_B.PV=1; INXER.PV=1; ENDIF IF OUT_VALEV.PV==1 THEN IN_A.PV=0; IN_B.PV=0; INXER.PV=0; ENDIF IF RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==1&&LEVEL.PV>=25 THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV-1; ENDIF IF SENSOR_L.PV==0&&RUN.PV==1&&OUT_VALEV.PV==1&&LEVEL.PV>=1

THEN LEVEL.PV=LEVEL.PV-1; ENDIF IF LEVEL.PV==0&&RUN.PV==1 THEN OUT_VALEV.PV=0; ENDIF 这段程序的主要作用是设置低液位传感器安装高度为 25,高液位传感器安 装高度为 80,报警液位传感器安装高度为 90。假设罐容量是 100,系统扫描周 期为 200 毫秒。脚本编辑如图 3.1.11:

图 3.1.11 周期运行动作脚本程序 (Ⅳ)最后点击“编译并保存” ,如出错,修改语法错误。 到此整个搅拌罐界面就设置完成了。接下来建立其他窗口,分别为:主菜单, 历史报表查询,历史趋势曲线,实时趋势曲线,报警事件记录,用户管理,用户 管理提示, 系统事件记录八个窗口。接下来简单展示我建立这八个窗口的过程以 及最终结果和曲线。截图如下:

(二)建立 “主菜单”窗口
(1) 在工程项目栏中新建 “主界面”窗口,并从工具/基本图元中选择“增 加型按钮”,生成“用户管理”、“主监控”、“退出系统”“报警记录” “历 史报表” “趋势曲线” 。如图 3.2.1 生成“主界面”窗口。

图 3.2.1 生成“主界面”窗口 (2)建立主菜单中“主监控”的动态链接。 先点击“主监控”增强型按钮,弹出“动画连接”窗口,在“触发动作”栏 中点击“窗口显示”, “选择窗口”里选择“搅拌罐液位控制”窗口, 点击 “确 认”。如图 3.2.3

图 3.2.3 再选择“杂项”中的“禁止”,在表达式中输入:$UserLever==-1。即可对 “主监控”进行连接。 (3)建立主菜单中退出系统的动态链接 在窗口中选择“退出系统”, 在动画连接中选择“左键动作”,在“鼠标按着

周期执行”中录入脚本: CloseAllWindow(); 如下图所示。

//关闭所有窗口

(三)建立用户管理系统
(1)建立“用户管理”窗口,用文本框标注文本“当前用户”及对应的文本显 示“######”、 “当前用户级别”和“用户登录状态” 。用增强型按键分别创 建“用户登录”、“用户注销”、“修改口令”、“添加/删除用户”、“用 户返回”;用复选框分别创建“A 区” 、“B 区”、“C 区”。其中 A 区对象 名称为 CHK1,B 区对象名称为 CHK2,C 区对象名称为 CHK3。最终用户管理系 统窗口如图 3.2.4:

图 3.2.4 用户管理窗口 (2)建立“用户管理”系统的变量 在工程项目的导航区选择变量文件夹下的中间变量双击, 弹出“变量管理” 窗口。在它的导航区中选择中间变量,点击“添加变量”,弹出“变量定义”窗 口。在变量名中输入“userlevel1”;在说明中录入“显示当前用户级别”;类 型选择“字符型”;类别为“中间变量”。同理:建立中间变量显示用户登记状 态 userlevel2,字符型。建立中间变量 manager,数据类型为实数型。建立中间 变量链接当前用户如图 3.2.5:

图 3.2.5 建立用户管理系统的变量 (3)建立“用户管理系统”的链接 A.用户登录链接:双击用户登录增强按钮,再双击左键动作,在脚本编辑器 选择“鼠标按着周期执行”,输入脚本的动态链接 Login();//登录。 截图如 3.2.6:

图 3.2.6 用户登录链接 B 用户注销链接: “用户管理窗口” 双击增强型按钮“用户注销”弹出“动 在 , 画连接”窗口。选择“左键动作”,在脚本编辑器选择“鼠标按着周期执行”, 录入 #CHK1.SetCheck(0); //取消实时数据库的区域 00 的选择 #CHK2.SetCheck(0); //取消实时数据库的区域 01 的选择 #CHK3.SetCheck(0); //取消实时数据库的区域 02 的选择 Logout(); //退出登录 截图如 3.2.7:

图 3.2.7 用户注销链接 C.修改口令链接:在“用户管理窗口”双击增强型按钮“修改口令”弹出 “动画连接”窗口。选择“左键动作”,在脚本编辑器选择“鼠标按着周期执 行”,录入 UserPass($Username); //键盘输入到用户名字符串$Username 中。 存储。

图 3.2.8 修改口令链接 D.用户退出链接:在“用户管理窗口”双击增强型按钮“用户退出”弹出 “动画连接” 窗口选择“左键动作”,在脚本编辑器选择“鼠标按着周期执行”录入 CloseWindow(); //关闭显示窗口。存储。

图 3.2.8 用户退出链接 E. 增加/删除用户的链接“在“用户管理窗口”双击增强型按钮“增加/删 除用户”弹出“动画连接”窗口选择“窗口显示”连接“用户管理提示”窗口。

图 3.2.8 增加/删除用户链接 (4)用户信息设置 在“系统配置”栏中的“用户配置”中激活“用户管理”弹出“用户管理” 窗口。在“用户信息修改”栏中,在级别中先选择“系统管理员”,用户名输入 “admin”,口令和核实口令均为“123”,安全区为 A、B、C 区(对应实时数据 库的区域 00、01、02) ,系统权限为“进入组态、进入运行、退出运行”。然后 点击“添加”。继续添加“工程师 1”、“班长 1”、“操作工 1” 。系统管理员 设置截图如图 3.2.7 所示:

图 3.2.7 用户信息设置

(四). 建立“用户管理提示”窗口
(1)建立“用户管理提示”窗口,如图 3.2.7 所示。

图 3.2.7 用户管理提示 (2)建立“用户管理提示”窗口中增强型按钮“确定”的动态连接

图 3.2.8“用户管理提示”窗口的动画连接 (五)创建“实时趋势曲线”窗口 实时趋势是动态的, 在运行期间是不断更新的,是变量的实时值随时间变化 而绘出的变量-时间关系曲线图。使用实时趋势可以查看某一个数据库点或中间 点在当前时刻的状态, 而且实时趋势也可以保存一小段时间的数据趋势,这样使 用它就可以了解当前设备的运行状况,整个车间当前的生产情况。如图 3.2.9 所示。

图 3.2.9 实时趋势曲线设置

(六)创建历史趋势曲线
历史趋势是根据保存在实时数据库中的历史数据随历史时间变化而绘出的 二维曲线图。 历史趋势引用的变量必须是数据库型变量,并且这些数据库变量必 须已经指定保存历史数据。 因此需要定义这些变量具有历史保存属性。设置相应

的参数, 在实验室做实验时,老师让我们调出来历史曲线如下:

图 3.2.10 历史趋势曲线

(七) 创建“事件记录”菜单,如图 3.2.11 所示

图 3.2.11“报警事件记录”

(八)创建“系统事件记录”菜单,如图 3.2.12 所示“:

(九)验收过程及截图
实验室验收之前,老师先教我们更改自己笔记本电脑的设置。我用的IP 地址是192.168.0.102,所以将电脑中的ip改成192.168.0.102。设置截图如下:

单击开始-运行-cmd,输入192.168.0.16与主机进行通信。打开搅拌罐界面,单 击管道, 单击变量选择, 勾选刷新变量选择, 如果出来主机中变量, 则连接成功。 调试完连接上之后要在力控软件中建立远程节点server, 在节点配置中先修改 自己的本级配置ip,再建立新的网络节点。截图如下:

然后将搅拌罐界面中所有的器件变量全部设成主机变量。即在表达式前会加 \\server\\这个符号。截图如下:

将所有变量设置成远程变量之后接下来就可以进入远程操作状态了。 以下是我远程操作界面,历史曲线截图和远程操作历史数据。

远程操作界面

远程操作历史曲线

远程操作历史数据

(十)实验中遇到的问题及解决方法: 本次试验遇到了几个问题,首先是在做界面和本地调试的时候 遇到的第一个问题: 设置不了管道和其他一些器件的颜色, 变量等等。 后来找了好久原因才发现是因为我的电脑是windows7, 所以兼容性更改。 还有就是在设计界面时候出现的原理不懂以致使搅拌罐在本地无法 正常工作之类的问题都通过与同学讨论之后一一得到解决。 第二个问题是来实验室之后, 要求设置本机与主机连接我把本机 ip与主机ip弄混了,后来请了助教帮忙看了一下,才发现问题,连接 上主机。 第三个问题是我按启动的时候电动机都不动, 后来经仔细检查才 发现原来是启动禁止项何时禁止弄错了,刚开始弄的是表达式为假, 将它改成表达式为真之后就能正常工作了,历史曲线也随之出来了。 错误处如下图所示:

(十一)总结与感想 从一无所知到对其感到极大兴趣,是我做这次课设最大的感受。 一开始我懵懵懂懂选上这课, 大概以为是与计算网络有关的一些知识 应用, 等上了课听到胡老师解说才明白它对工厂与工业现场的重要性。 做课设的时候,最终成果在实验室的演示真是让我倍感它的魅力。直 到这次课设我才了解到组态软件有如此之多的功能优势。 他能实现自 动化过程和装备的监视和控制,并从监控对象中采集各种所需信息, 将信息转换成表格或者曲线形式便于我们理解。同时以各种手段,如 报警等发出信号通知相关人员对信息进行分析处理。因此,我觉得这 在自动化智能化社会的发展前景十分广阔,我也因此对此很感兴趣。 除了对该课程理解上的收获,通过本次课设,我学会了 Forcecontrol 力控 6.1 组态软件的使用方法,并加强了关于 PLC 的一些基本概念,

在调试过程中领悟到了一些调试的技巧和应注意的现场事项。 可以说 是受益匪浅。在做课设期间,常常会有很多问题出现。上机的实验操 作也让我真正体会到了发现问题,解决问题的过程,从软件的兼容性 问题,到网络的连接问题,这些意外问题的解决大大提高了我的实际 操作能力。可是当我耐下性子,一步步查找问题所在,最终看到自己 成果的时候,心里的骄傲真是难以言喻。一直到最终的实验验收,这 种从课本的理论到实际的操作, 让我觉得这门课程是和现代工业紧密 结合很有实用性的一门课程。 我相信我会将对通信与现场控制的这种热情付诸实践,好好学习 这方面知识, 将来走出交大能让人觉得交大电气学院出来的都是人才。 最后,发自内心谢谢老师和助教的指导!


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