基于ComPactLogix和现场总线的过程控制系统

1 基于CompactLogix和现场总线的过程控制系统

FCS把系统功能彻底地下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现测量与控制功能。Rockwell的CompactLogix控制器可以很好地体现这一优越性，其附加DeviceNet工业现场总线连接现场设备和分布式I／O。借助于设备的计算和通信能力，在现场即可进行许多复杂的计算，形成真正分散在现场的完整控制系统，提高系统控制与运行的可靠性。
CompactLogix是Rockwell公司近期主推的新一代系列紧凑型多功能PLC控制器，通过提供状态控制、组态通信和各种I／O模块组件，从而在分布式控制中建立一个小型、高效的系统；无机架设计的CompactLogix可直接在面板上或者在DIN导轨上并列安装，1769 Compact I／O可用作本地I／O站或者分布式I／O站。含有内置支持EtherNet／IP实时工业控制以太网络接口的CompactLogix，可以同时进行多处理器／上位机联网以及分布式I／O控制。基于CompactLogix PLC以及现场总线的过程控制系统结构如图1所示。

图1 基于CompactLogix的过程控制系统框架
DeviceNet总线上接人一台CompactLogix控制器1769-L32E，以其作为网络的主设备，通过扫描模块1769-SDN去获取网络设备的信息，控制和监测从设备；过程控制实验平台产生的被测信号通过带有Compact I／O模块的1769-AND适配器连接到DeviceNet上；另外，1769-L32E控制器通过内置以太网接口接入EtherNet/IP网络，与装有组态软件RSLinx、RSNetworx、编程软件RSLogix500以及监控软件RSView Studio的计算机进行通信，进行整个系统的信息处理与可视化监控。
扫描模块1769-SDN作为PLC和DeviceNet设备之间的接口，它允许控制器对网络上的从设备进行数据的读入和输出，以及信息的接收与发送，并进行设备数据的采样和格式转换。1769-AND适配器模块将Compact I／O系统连接到DeviceNet网络，保证CompactLogix控制器通过1769-AND与远程I／O通讯。
过程控制试验平台采用东南大学自动控制系研发，溧阳华星教学仪器设备厂制造的教学试验平台。其包括锅炉、管道、阀门、水箱、水缸等部件，可以产生水箱液位、进水流量、管道压力和锅炉温度等4个被测物理量，不同的传感器检测后均能向外输出4～20mA标准信号。控制执行机构分别为电动阀、变频器与电加热器。
过程控制试验平台与Compact I／O模块通过I／O信号线连接，由传感器产生的4～20mA标准信号首先传人Compact I／O的模拟量输入模块，转换为数字信号后再通过DeviceNet网络读入CompactLogix控制器。同理，经过控制器的PID运算后输出的控制信号首先通过设备网传给Compact I／O，转换成模拟信号后输出到过控平台的执行机构，进行对阀门、变频器或加热器的控制。另外，一些必要的开关量信号如报警等，可以通过Compact I／O的数字输入输出模块与控制器进行数据读取与输出控制。
2 系统的软件设计与界面开发
本控制系统所使用的软件主要有：①组态软件RSLinx、RSNetworx：用于控制器与上位机通过EtherNet／IP、与远程I／O通过DeviceNet进行网络组态。②编程软件RSLogix5000：用于控制器PID算法的编程。③界面软件RSView Studio：用于人机界面的开发与操作。
其中的核心是PID算法子程序的编制，由于RSLogix5000中集成了功能强大的PID模块，并且以任务形式管理程序，以标签方式读取数据，因此设计相对简单方便。图2是系统的程序流程图。利用梯形图LD分别编制液位、流量、压力、温度的PID子程序，并在主程序中设置一个选择模块，以响应用户选择不同控制对象时，采取不同的操作。4个PID子程序的区别在于输入输出通道的选择应根据硬件的连接做出，而且各个被测物理量的上下限标定与单位也有差别。另外，为了将测得的工程值与计算出的控制量在人机界面中显示，还需要设计数值转换模块以便输入到软件中的数值转换成与不同物理量对应的实际工程值后输出显示。这一部分程序采用功能块图FBD编制完成。

图2 程序流程图
对于过控试验的监控任务可以通过基于RSView Studio软件的计算机监控来实现。RSView Studio与其他Rockwell软件产品、Microsoft软件和第三方应用软件高度兼容，能够屏幕上建立可视化图形、报警、实时数据表格与趋势图等。

图3 过程控制系统主监控台
图3给出了过程控制系统的主要操作界面，包括了4个被测对象的实时显示与控制切换、手动／自动调节的切换、当前值与设定值以及PID各参数的设定等。除了主操作界面，还可以针对不同的试验分别对各被测物理量进行单独的监控与趋势图的显示。
3 结束语
紧凑型PLC处理器与Rockwell软件构架为系统通讯与程序数据交互提供了可靠便捷的交流平台，可视化的界面操作也保证了在线调节PID参数的直观性与实时性，可以完全嵌入Rockwell三层网络，体系结构清晰，监控方便、迅速、有效。现场总线的构架更是大大减少了控制系统的现场布线，增强了系统的可靠性与稳定性。