1 引言

　　隨著現代科學技術的飛速發展，不僅對生產過程自動化，也對生產管理提出了更高的要求。通過計算機網絡技術把自動控制與計算機管理系統結合起來，集管理和過程控制為一體是當今工業自動控制發展的趨勢。復雜的過程控制系統，常采用兩級網絡拓撲結構，底層用現場總線以便控制裝置盡可能靠近被控生產過程現場，上層采用工業以太網，監控級相對集中于主控室內，從而實現對生產過程的集中管理和分散控制。這樣構成的控制系統具有實時性好、可靠性高、抗干擾能力強等優點，比傳統dcs系統更經濟，更可靠。為了適應這一形式的發展要求，提高實驗教學質量，使工科學生在校期間就能受到良好的工程實踐鍛煉，因此開發了基于工業以太網及現場總線的過程控制系統實驗裝置。

　　2 系統配置及網絡結構

　　實驗裝置控制系統由上位機監控系統和下位機plc控制系統兩部分構成。整個網絡采用兩層網絡拓撲結構，上層為工業以太網，用于上位機pc之間以及上位機和下位機plc之間的通訊，底層為profibus-dp現場總線，用于下位機plc主站(dpm1)和四個從站(dps1-dps4)之間的通訊，其中，plc主站和從站控制液位、壓力和溫度流量等過程控制實驗裝置。系統用 simatic step 7軟件進行網絡組態、硬件組態以及plc控制程序的編寫，并用組態軟件simatic wincc實現了上位機與plc的動態連結。

　　2.1 現場部分

　　現場部分是所需控制的液位、溫度流量和壓力實驗裝置，變送器將采樣數據轉換成 4～20ma的電流信號，直接接入sm334模塊(模擬量輸入/輸出模塊)，經模/數轉換變成0～27648的數字量。開關量的輸入輸出接入sm323模塊(數字量輸入／輸出模塊)。

　　2.2 控制單元

　　控制單元采用西門子plc,s7-300系列plc功能強大，采用模塊化設計，有中央處理單元(cpu)、各種信號模塊(sm)、通信模塊(cp)、功能模塊(fm)、電源模塊(ps)、接口模塊(im)等，有多種規格的cpu可供選擇。通過cpu上集成有profibus-dp接口、 mpi接口或通信模塊可以連接 as-i接口、profibus總線和工業以太網系統。

　　本系統主站采用西門子s7-300系列plc，其cpu為315-2dp。它執行指令時間短，掃描1000條指令不需10ms，足以滿足控制的時間要求。主站還帶2個信號處理模塊(di 16/do 16、ai 4/ao 2)和一個通訊模塊cp343-1(用于上位機和plc之間通過工業以太網進行通訊)。從站選用profibus-dp分布式i/o et 200m，帶2個信號處理模塊(di 16/do 16和ai 4/ao 2)，從站沒有中央處理器單元，各從站之間經im153接口模塊通過dp總線進行連接。組態之后，添加的分布式i/o與plc站中的本地i/o具有統一的編址。

　　2.3 上位機

　　上位機為四臺工控機，主機界面設計采用西門子的wincc組態軟件，保證了與工控機的完全兼容。軟件集成了組態、腳本語言、opc等先進技術，提供了windows操作系統環境下使用各種通用軟件的功能。該軟件具有適用于工業生產過程的圖形顯示、控制和報警畫面、實時和歷史趨勢曲線、歸檔以及報表打印等功能模塊。另外wincc還有對simatic plc進行系統診斷的選項，給硬件的維護提供了方便。

　　系統應用程序的開發和運行軟件為step7 v5.2，它是適用于s7-300/400 plc系列的編程、組態標準軟件包。通過step 7 v5.2用戶可以完成以下任務:

　　(1) 網絡組態，設置連接和接口;

　　(2) 組態硬件;

　　(3) 編寫和調試用戶程序。

　　3 網絡系統原理

　　profibus-dp是一種國際性、開放式的現場總線標準，主要用在工業過程控制領域。參照iso/osi參考模型，profibus-dp中沒有第3層到第7層，直接數據鏈路映像(ddlm)提供易于進入第2層的用戶接口，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能。它是專為工業控制系統和設備級分散i/o之間的通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸,其模塊可取代價格昂貴的24v或4～20ma并行信號線。中央控制器通過高速串行線同分散的現場設備進行通訊，多數數據交換過程是周期的, 主站周期地讀取從站的輸入信息并向從站發送輸出信息。除周期性用戶數據外，profibus-dp還提供智能化設備所需的非周期性通信，以進行配置、診斷和報警處。

　　simatic工業以太網是基于國際標準的網絡，專為工業應用而優化設計，支持iso和tcp/ip協議，通過它可快速地建立plc與pc/pg之間的通訊。產品的開發遵循分布式的“開放式控制結構”，使其具有網絡組態簡便(即插即用)、通信可靠、網絡故障恢復時間短(小于0.3秒)等優點。由于采取全雙工共擔負荷方式工作，適用于對性能要求高的工業網絡，通過切換技術能夠可以實現非常龐大的網絡結構。

　　4 網絡系統組態

　　組態之前先要建立一個項目(如project1)，在項目中插入simatic 300站。

　　4.1 硬件組態

　　在hw config中為 simatic 300站組態硬件，包括機架、電源(槽1)、cpu(槽2)、通信模塊(槽4)和輸入