基于现场总线的温度测量与控制系统的设计

基于现场总线的温度测量与控制系统的设计内容摘要：

AO(I)I 1 . 0I 1 . 3 I 1 . 4I 1 . 2I 1 . 1I 1 . 5Q 0 . 7Q 1 . 1Q 1 . 0E S t a n dP O R T1M P 1D PP O R T2 图 25 CPU224XP 引脚图 (2) EM235 模拟量扩展模块 EM 235 模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ ST）单片集成变送器 ASIC 芯片于一体的新一代交流电流隔离变送 器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的 DC4～ 20mA（通过 250Ω 电阻转换 DC 1～ 5V 或通过 500Ω 电阻 转换 DC2～ 10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表） EM235CN 的校准和配置位置如图 26所示。 表 22所示为如何用 DIP 开关设置 EM 235 CN 模块。 开关 1到 6可选择模拟量输入范围和分辨率。 所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。 下表22 中， ON为接通， OFF 为断开。 第二章 硬件的设计与选择 9 表 22 EM235 CN选择模拟量输入范围和分辨率的开关表 单极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到 50mV OFF ON OFF ON OFF ON 0到 100mV 25μV ON OFF OFF OFF ON ON 0到 500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0到 1V 250μV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到 5V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到 20mA 5μA OFF ON OFF OFF OFF ON 0到 10V 双极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF 177。 25mV OFF ON OFF ON OFF OFF 177。 50mV 25μV OFF OFF ON ON OFF OFF 177。 100mV 50μV ON OFF OFF OFF ON OFF 177。 250mV 125μV OFF ON OFF OFF ON OFF 177。 500 mV 250μV OFF OFF ON OFF ON OFF 177。 1V 500μV ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF 177。 177。 5V 177。 10V 5mV 图 26 EM235CN的校准和配 置位置 2. S7300 的选择 S7300PLC是 SIEMENS公司生产的紧凑模块式结构的小型可编程控制器，拥有功能强、速度快的特点。 它采用紧凑、无槽位限制的模块化结构易于扩展，应用型好，性价比高。 本次设计采用 西门子 S7300系列 CPU 313C2DP。 CPU 313C是一种紧凑型 CPU，用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。 集成数字量和模拟量输入 /输出可实现与过程的直接连接。 EM235 CN的端子连接如图 27所示。 第二章 硬件的设计与选择 10 图 27 EM235 CN的端子连接图 CPU 313C2 DP 安装有： ① 微处理器。 处理器处理每个二进制指令的时间达到 100 200 ns。 ② 扩展存储器。 64 KB 高速 RAM (相当于大约 21 K 的指令 ) 用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间；微存储卡（最大 8 MB）作为程序的装载存储器，也允许在 CPU 中保 存项目（包括完整符号和注解）。 ③ 灵活的扩展能力。 多达 31 个模块，（ 4排结构）。 ④ 多点接口 MPI。 内置 MPI 接口可以最多同时建立 8 个与 S7300/400 或与 PG、 PC、 OP 的连接。 在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接。 ⑤ PROFIBUS DP 接口。 带有 PROFIBUS DP 主 /从接口的 CPU 313C2 DP 可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。 对用户来说 ,分布式 I/O 单元可作为一个集中式单元来处理 (相同的组态、编址和编程 )。 ⑥ 内置输 入 /输出。 16个数字量输入 (均可用于报警处理 )和 16个数字量输出。 CPU 313C2 DP 的实物图 如图 28所示， CPU 313C2 DP 的引脚图 如图 29所示。 图 28 CPU 313C2 DP 实物图 第二章 硬件的设计与选择 11 1 L +Q 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 3Q 0 . 2Q 0 . 4Q 0 . 5 Q 0 . 6 2 MI 0 . 0 I 0 . 1 I 0 . 2 I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5 I 0 . 6 I 0 . 7C P U 3 1 3 C 2 D PP O R T1DC24VP1P O R T2I 1 . 0 I 1 . 3 I 1 . 4I 1 . 2I 1 . 1I 1 . 5Q 0 . 7 Q 1 . 1Q 1 . 0I 1 . 6 I 1 . 7Q 1 . 2 Q 1 . 3 Q 1 . 4 Q 1 . 5 Q 1 . 6 Q 1 . 7P2P3P4P5P6P7P8P9P10P30P21P22P23P24P25P26P27P28P292 L+P11P12P13P14P15P16P17P18P19P201 MP32P31P33P34P35P36P37P38P39P403 L +3 ML+M 图 29 CPU 313C2 DP引脚图 PROFIBUS 的选择 PROFIBUS，是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。 PROFIBUS 传送速度可在 范围内选择且当总 线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。 广泛适用于 制造业自动化 、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。 PROFIBUS 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的 现场总线技术。 可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场 通信络 ，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 它由三个兼容部分组成，即 PROFIBUS－ DP， PROFIBUS－ PA， PROFIBUSFMS。 其中 PROFIBUS－ DP 应用于现场级，它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 之间的通讯； PROFIBUS－ PA 适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域； PROFIBUS－ FMS 用于车间级监控网络，它是令牌结构的实时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。 主要使用主 从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。 此次设计选用 PROFIBUSDP。 1． PROFIBUSDP ProfibusDP主要用于自动化系统中单元级控制设备与分布式 I/O的通讯，可以取代 420MA的模拟信号传输。 它采 用 RS485数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从 12Mbps，传输距离可以通过适配器进行扩展。 PROFIBUS – DP基本特征 ① 速率：在一个有着 32个站点的分布系统中， PROFIBUSDP 对所有站点传送 512 bit/s 输入和 512bit/s 输出，在 12Ｍ bit/s 时只需１毫秒。 ② 诊断功能：经过扩展的 PROFIBUSDP 诊断能对故障进行快速定位。 诊断信息在总线上传输并由主站采集。 诊断信息分三级： 本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高．压力 过低。 第二章 硬件的设计与选择 12 模块诊断操作：一个站点的某具体 I/O 模块故障。 通过诊断操作：一个单独输入／输出位的故障。 PROFIBUSDP 允许构成单主站或多主站系统。 在同一总线上 最多可连接 126个站点。 系统配置的描述包括：站数．站地址．输入／输出地址．输入／输出数据格式．诊断信息格式及所使用的总线参数。 每个 PROFIBUSDP系统可包括以下三种坏同类型设备： ① 一级 DP主站（ DPM1）：一级 DP 主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站（如 DP从站）交换信息。 典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。 ② 二级 DP主站（ DPM2）：二级 DP 主站是编程器．组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。 ③ DP 从站： DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（ I／ O设备．驱动器． HMI．阀门等）。 ④ 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。 单主站系统如图 210 所示。 ⑤ 多主站系统：总线上连有多个主站。 这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。 每个子系统包括一个 DPMI．指定的若干从站及可能的 DPM2 设备。 任何一个主站均可读取 DP 从站的输入／输出映象，但只有一个 DP 主站允许对 DP从站写入数据。 多主站系统如图 211 所示。 主 站从 站从 站 从 站P R O F I B U S令 牌 图 210 单主站系统 二 类 主 站从 站从 站 从 站P R O F I B U S令 牌从 站一 类 主 站 一 类 主 站图 211 多主站系统 第二章 硬件的设计与选择 13 2. PROFIBUSDP 的数据通讯 1） DP 主站之间的通信 DP 主站之间采用令牌环方式进行通信，主站按地址的升序依次排列，控制令牌按顺序一次在主站之间进行传递，获得令牌的站具有控制权，可发送数据，令牌的工作传递过程如图 212 所示。 如主站 1 需向主站 3 发送数据，当令牌传递到主站 1 时，主站 1 将要发送的数据按图 213 所示的格式发往主站 2，主站 2将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，两者不同，则主站 2将帧信息继续传递后到达主站 3。 此时，主站 3 将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，比较相同后，主站 3 对帧信息进行差错校验，并将校验结果以肯定或否定应答填入 ACK 段中，把该帧信息复制之后将其继续向下传递给主站 1。 主站 1 将本站的地址与源地址进行比较，比较相同后检查 ACK 是否为肯定应答，若检查到已为肯定应答，则去除帧信息，将令牌交出继续在环内传递。 如果 ACK 的检查结果为否定 应答，则主站 1 需重新发送。 图 212 逻辑令牌环 图 213 帧结构 2） DP 主站一从站之间的通信 (1) DP 通信关系和 DP 数据交换 通信作业的发起方为请求方，通信的另一则为响应方。 一类 DP 主站的请求报文使用第 2 层 (数据链路层 )的“高优先权”报文服务级别。 而 DP 从站发出的响应则以第 2 层中的“低优先权”报文服务级别处理。 DP 从站将当前出现的诊断中断或状态事件通知给 DP 主站，仅在此刻，可通过将 DataExchange 的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。 (2) 初始化 阶段、再启动和用户数据通信 DP 从站初始化阶段的主要顺序 如图 214 所示。 DP 主站首先检查从站是否在总线上，如果检查到 DP 从站己在总线上，则 DP 主站通过请求从站的诊断数据来检查 DP 从站的准备情况。 检查到 DP 从站己准备就绪之后， DP 主站装在参数集和组态数据。 然后 DP 主站再请求从站的诊断数据以判断从站是否准备好进行数据交换，进行完上述工作一切就绪之后， DP 主站才开始循环地与 DP 从站进行用户数据通信。 第二章 硬件的设计与选择 14 图 214 从站初始化阶段的主要顺序 3． EM277 智能扩展模块 EM277 是 S7200 的一个智能扩展模 块。 通常， S7200 需要进行 PROFIBUSDP通信时，就需要使用此模块。 PROFIBUS 总线是和 PPI、 MPI总线不同的一种总线形式。 S7200CPU 不能通过本体集成的通信接口进行 PROFIBUSDP 通信，而只能通过 EM277模块。 利。