SMPT1000综合实验

实验一现场总线控制系统的构成和组态
（综合性实验）
一、实验目的
1．了解现场总线控制系统的结构和线路连接。

2．学习PROFIBUS（Process Field Bus）现场总线控制系统的系统组态、控制组态和显示组态。

3．学习相关的组态软件。

4．掌握现场总线控制系统的投运和参数整定的方法。

二、实验设备
1、SMPT-1000高级多功能过程控制系统2套
2、西门子PLC上位控制系统2套
3、电脑若干套
三、实验内容与步骤
1、系统认识
PROFIBUS（Process Field Bus）是现场级通信网络，作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场与控制设备之间及其更高控制管理层之间的联系，用于制造自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备之间中、小数据量的实时通讯。

PROFIBUS-DP(Distributed Peripheral,分布式外设)是PROFIBUS提供的三种标准和开放的通信协议（DP、FMS和PA）的其中一种，使用了ISO/OSI网络模型的第一层和第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，用于PLC与现场分布式I/O设备之间的实时、循环数据通信。

网络结构图如图1所示：
图1 网络结构图
SMPT-1000新一代高级过程控制实验装置（如图2所示），运用高精度动态仿真技术，将实际工业装置的各种对象特性用数字化手段完整地在小型化半实物实验装置上得到再现。

由于实验对象特性与工业装置完全一致，多种信号与通讯方式、数十个检测点与十多个执行机构可以允许学生自由地设计、探索各种控制算法与方案，真正实现教育部提出的四个更高水平的培养目标，同时也满足了行业对人才培养的需求，是目前过程控制专业较为理想的实验装置。

目前SMPT-1000模型上有：储罐模型，热力除氧器模型，减温室模型，蒸馏塔模型，65T/h 自然循环锅炉模型等。

SMPT-1000可以通过AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC与各种PLC、DCS或工业控制计算机等控制器相连，同时配备有操作与联锁停车控制台。

图2 SMPT-1000新一代高级过程控制实验装置及控制系统其中，SMPT-1000通过Profibus与控制器相连，是通过ProfibusDP Agent从站通讯和监视软件（安装在SMPT-1000工控机上）相连的。

该通讯软件在实现上依赖于泓格i-7550模块（工控机上）。

现在以储罐模型为控制对象，采用现场总线控制系统的计算机控制系统的构成和组态。

2、系统网络组态及参数设置
（1）、组态PROFIBUS-DP主站
a、插入300站点，进行通信测试
在STEP7中创建一个新项目，项目名为MyPROJECT，插入S7-300的站（如图3-1所示）。

图3-1 组态S7-300站点
然后进行编程器通信接口设置。

在“SIMATIC Manager”的“选项”下拉菜单中，点击“设置PG/PC接口”，在弹出的对话框中选择当前使用的接口设备，点击“属性”按钮可以设置通信地址及传输速率，如图3-2所示。

（本次实验的编程连接器是以用USB转换接口的PC/MPI适配器，传输速率为187.5Kbps）
图3-2 设置ＰＧ／ＰＣ接口
点击“SIMATIC Manager”工具栏中的“可访问节点”按钮，可以检查编程器与PLC之间通信是否建立。

如果设置正确，将显示CPU的MPI地址，如图3-3所示。

图3-3 可访问的节点
b、进入硬件组态窗口HW Config（如图3-1），组态主机架模块。

安装机架：在S7-300中，只需选择RACK-300中的Rail。

安装模块：
从“硬件目录”中选择相应的模块，注意与工程项目选用的实际模块订货号一致（可从西门子PLC上位控制系统的PLC上看到订货号，按从左到右的顺序）。

如图3-4所示，装入CPU313C-2DP时，会出现PROFIBUS属性设置窗口，选择CPU主站的DP地址，点击“新建”一个PROFIBUS网络，在网络属性中可以选择网络传输速度和网络种类。

图3-4 PROFIBUS属性设置
设置好后点击“确定”按钮，返回到硬件组态窗口。

在CPU313C-2DP的副槽DP旁会出现新建的PROFIBUS-DP网络。

在主站CPU的槽位中安装I/O模块，可以为各I/O模块重新组态通道地址。

（2）、组态PROFIBUS-DP从站
ProfibusDP Agent是高级多功能过程控制实训系统(SMPT)的Profibus从站通讯和监视软件。

由于该通讯软件在实现上依赖于泓格i-7550模块，所以在西门子STEP7端需要对该Profibus-DP从站模块i-7550进行相应的软硬件配置。

具体说明如下。

在（1）组态PROFIBUS-DP主站的常规硬件组态完毕后进行如下操作：
a、安装i-7550对应的GSD文件。

在HW Config页面下点击“Options”——>“Install GSD File”
——>“Browse”找到i-7550的GSD文件，名为IPDSOBOD.gsd，点击“Install”安装即可。

如图4-1所示
图4-1 添加i-7550对应的GSD文件
b、添加i-7550模块到硬件组态画面中。

在目录中选择Profile: Standard。

下面出现树状菜单，依
次打开PROFIBUS DP——>Additional Field Devices——>Gateway——>i-7550.拖动该组件到PROFIBUS(1):DP master system(1),弹出组件配置窗口，Address请选择“7”(与之前拨盘选择保持一致)。

点击“OK”。

c、设置i-7550模块对应的各项参数。

双击(7)i-7550组件，弹出配置窗口，
请在Parameter Assignment页下选择
“baud rate”——>9600；
“end char of input data”——>None
其它选项保留默认设置即可，如图4-2所示。

图4-2 在HW Config串口中添加i-7550模块
d、添加AI\AO DI\DO，并设定它们的起始地址。

点击(7)i-7550组件，在下面的表格第1行任意位置右键单击，在弹出菜单中选择“Insert Object”
——>“i-7550”——>“System Setting”，地址设置自选，这里的设置会影响到e、f步骤中的组态。

第3行“Insert Object”——>“i-7550”——>“1 Byte In”,
第4行“Insert Object”——>“i-7550”——>“16 Word In”,
第5行“Insert Object”——>“i-7550”——>“11 Word In”,
第6行“Insert Object”——>“i-7550”——>“2 Byte Out”,
第7行“Insert Object”——>“i-7550”——>“14 Word Out”,点击“Download to Module”，则硬件组态完毕。

如图4-3所示。

此时下装程序则从站模块i-7550Run灯亮为绿色，Error灯熄灭。

图4-3 添加AI\AO DI\DO
e、定义发送字节数存储在system setting输出模组的第三个字节中。

由图4-3中所示可以看出，
此处输出模组首地址被设置为0，则要存储的地址为QB2。

在西门子PLC300中可以利用梯形图编程实现（图4-4中第二个红色圆圈就是实现部分）。

图4-4 PLC中梯形图实现发送字节数设置和接收资料次数存储
f、使输出模组首字节的第一位数据0->1->0->1变化。

其值变化一次，则会发送一批数据到i-7550
模块。

按图4-5中设定的地址可以看出首字节为QB0，则需要变化的位为Q0.0。

实现方法举例如下：输入模组第三个字节中存放了接收计数，按图4-3中设定的地址可以看出输入模组第三个字节为IB2，所以I 2.0对应的值是0->1变化的。

将IB2的值存入一个临时变
量rcount（如图4-4中第一个红色圆圈所示）。

在整个控制逻辑编写完毕后，也就是在梯形图最后，将rcount的值赋给QB0即可实现Q0.0位的0->1变化，如图4-5所示。

图4-5 梯形图实现Q0.0位的0->1变化
下载成功，至此，系统组态已经完成。

3、系统控制组态
（1）、被控过程工艺流程及其测控点（图5-1所示）
图5-1 被控过程工艺流程
所用到的I/O点及量程如下表1：
位号偏移地址量程备注
FI1106 IW+0 0~20 进水流量
FI1101 IW+2 0~20 出口水流量
LI1101 IW+20 0~100 储罐V1101液位
FV1106 QW+0 0~100 进水流量调节阀
FV1101 QW+4 0~100 出口水流量调节阀
几点说明：
①偏移地址：由于该模型是通过SMPT –PorfibusAgent软件和PLC进行通信的。

偏移地址是指以
i-7750的I/O地址组态为基准的，比如：前面组态的I/O地址中均是从256（PIW256/PQW256）开始的，通过工控机上的SMPT –PorfibusAgent，可以看到如上表所示的相关偏移地址和量程。

LI1101的偏移地址为20，则其地址为PIW276；FV1106的偏移地址是为0，则其地址为PQW256。

②量程：在SMPT—1000中，所有的位号和阀门的量程都是可以设置。

方法是：打开桌面上的
Tank工程，在中的进行设置。

这些设置都会影响到你的控制组态的。

③在中间的梯形图编程中，所有接收和发送的数据都要进行量程转换。

比如在PIW258处接收的
数据，并不是Profibus DP界面上显示的数据值，要进行相应的量程转换才行。

转换公式如下：PIW258/27648*(数据上限-数据下限)（数据上下限在Profibus DP界面上可以看到），如果要将MD12处存放的数值发送给SMPT-1000，则要进行相反的量程转换，公式如下：MD12/(数据上限-数据下限)*27648。

接收数据量程转换如下图5-2所示：在MD12处存储的即为真正的数据值。

图5-2 接收数据量程转换
发送数据时也要进行量程转换（如图5-3所示），如果MD12中存储的是要发送的数据。

图5-3 发送数据量程转换
（2）、控制组态
控制组态就是根据所设计的控制系统方案编写相应的控制程序。

西门子STEP7的编程有离线编程和在线编程两种，编程方式有LAD、FBD、STL等。

以下是LAD编程操作步骤：
a、在右侧窗口中，先双击CPU 图标，然后是S7 程序(1) 图标、“块”图标，最后双击OB 1
图标。

将显示OB 1 的“属性”对话框。

b、从该组织块的属性中，选择梯形图开发语言。

单击“确定”进行确认。

程序编辑器打开。

通过SIMATIC 300 站和CPU 浏览至S7 程序。

c、在“SIMATIC 300 站> CPU3xx > S7 程序>块”中，插入相应的块（见下表2）：
根据设计的方案，在相应的模块中进行相应的控制组态。

d、在“目标系统”菜单中，选择“下载”以将程序和硬件配置传送到CPU。

在随后出现的每
个对话框中，均单击是。

程序和组态随即从编程设备下载到CPU 中。

此时，存储在微型存储卡中的程序（在下载存储器中）是受到保护的，即使断电或存储器复位时也不会丢失数据。

e、通过“SIMATIC / STEP7 / PID 控制参数分配”启动参数分配用户界面。

将显示“PID 控制”
的初始对话框。

在“PID 控制”中，选择“文件> 打开...”，打开您的项目。

选择SFB41 的背景数据块
DB2，然后选择“确定”确认该对话框。

将切换到参数分配对话框。

屏幕会显示参数设置。

不必对实例程序进行任何更改。

通过“文件> 关闭”来关闭参数分配用户界面。

参数分配对话框随即关闭。

第五步的参数调节也可以在显示控制组态完成后，在上位监控软件上进行调节。

4、系统显示组态
计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统。

其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。

监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。

一个典型的应用中往往包含以下几个方面的内容：
1) 设备驱动：计算机跟什么样的设备相连（如PLC、板卡、模块、智能仪表），是直接相连还
是通过设备供应商提供的软件相连？是什么样的网络？
2) 区域数据库：数据库主要将数据库的点参数和采集设备的通道地址相对应，现场的数据处理、量程变换、报警处理、历史存贮等都放到数据库进行，数据库提供了数据处理的手段，同时又是分布式网络服务的核心。

3) 监控画面开发：在应用组态中，最重要的一部分是监控画面的制作。

现场数据采集到计算机中后，操作人员通过仿真的现场流程画面便可以做监控，开发包括流程图、历史/实时分析曲线、历史/实时报警、生产报表等功能。

4）数据连接：所有的数据通过数据库变量进行动画连接，人机界面HMI里的数据库变量对应区域数据库DB的一个点参数，通过点参数的数据连接来完成和设备通讯的连接的。

以下分别通过力控和Wincc组态软件针对SMPT—1000中的TANK对象模型在西门子300PLC 编程控制的基础上进行显示组态。

a、力控部分
力控＠软件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种网络服务组件等。

开发一个系统的基本步骤如下：首先是建立数据库点参数，对点参数进行数据连接；其次建立窗口监控画面，对监控画面里的各种图元对象建立动画连接；然后编制脚本程序，进行分析曲线、报警、报表制作便完成了一个简单的组态开发过程。

①创建数据库点参数和数据连接
启动DBManager管理器后出现主窗口。

选择菜单命令“点/新建”或在右侧的点表上双击任一空白行，出现“请指定区域、点类型”对话框，选择“⋯00”区域及“模拟I/O点”点类型，然后单击“继续》”按钮，进入点定义对话框，如图6-1和6-2所示：
图6-1 创建数据库变量
图6-2 数据库变量连接
要说明的是：组态软件读取和操作的对象是PLC中的相关DB块的数据。

比如，LEVER是在西门子313C的DB块里，所以组态LEVER的数据连接应该是DB块中的地址。

②定义I/O设备
在导航器中选择“I/O设备驱动”项使其展开，在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开，选择项目“西门子”下的“S7-300/400MPI”，如图6-3所示。

、双击项目“S7-300/400MPI”
出现“设备定义向导”对话框，按着向导进行相关设置。

相关通信参数如表3所示。

定义好I/O设备后对设备驱动进行测试，以确定组态软件是否与PLC通讯得上。

方法是右键添加好的I/O设备驱动，进入测试界面，进行相关测试。

如通讯得上再进行下一步组态；如通讯不上，再返回设置界面检查或是进行硬件线路检查。

图6-3 定义I/O设备
表3 通信参数设置
设置项默认值设置项默认值
波特率9600 停止位长度 1
数据为长度8 奇偶校验位偶校验
端口号COM1 其他可默认
③创建窗口，进行相关窗口属性设置。

④创建图形对象：进行存储罐制作，阀门制作，管道制作，文本制作，按纽制作等。

⑤变量定义，选择数据源，动画连接，阀门动画连接，液位动画连接等相关数据对象和设置。

⑥保存，编译。

⑦运行。

b、WinCC 组态部分
在WinCC内建立一个项目，步骤如下：
①启动WinCC。

点击Windows任务条的启动按钮，激活WinCC。

或通过SIMATIC→ WinCC →Windows Control Center 6.0启动WinCC,如图7-1所示：
图7-1 启动WinCC
②建立一个项目。

如果是第一次打开WinCC，会弹出一个对话框提供建立新项目的三个选择
•建立一个“单用户项目”（默认设置）；
•建立一个“多用户项目”；
•建立一个“客户机项目”；
•打开一个已经建立的项目。

在此，选择默认设置就可以了。

于是，进入了WinCC浏览器对话框，如图7-2所示。

右键点击“计算机”图标可以设置WinCC实时运行的属性，包括在项目激活时，将启动哪些实时运行的部件，选择哪一种使用语言，用什么按钮进行“去激活”等。

图7-2 WinCC浏览器对话框
③选择和安装通信驱动。

•为了加入一个通信驱动，将光标指在WinCC浏览器左边窗口中的变量管理器(Tag Management)上,单点击鼠标右键。

•在弹出菜单上，选择“增加新的驱动项”（Add new Driver）并单击该项目。

•在对话框Add new Driver中，选择所显示的驱动器中的某个驱动器。

本次实验，添加的是SIMATIC S7协议组，单击Open按钮。

在“标签管理器”的子文件夹中将会显示这一被选择的驱动器。

•为了建立新的连接，单击所显示驱动器前面的图标，将会打开和显示所有存在的通道单元。

通过通道单元，将建立起对多个自动化系统的逻辑连接，该逻辑连接通过这一通道单元进行通信。

•在通道单元MPI上，单击鼠标右键。

•在显示的弹出菜单上，单击进入“新的驱动器连接”（New Driver Connection...）,进行连接属性设置，参数中的设置应按照PLC组态中的相关参数为依据。

如图7-3所示。

图7-3 安装通讯驱动
④定义标签。

在WinCC和自动化系统之间进行数据交换的连接是过程标签（“外部标签”“external tags”）。

在WinCC中，每一个过程标签相应于所连接自动化系统存储器中的某一个过程值。

在实时运行时，WinCC读过程值储存在自动化系统中的数据区，从而决定了过程标签的值。

在内部标签文件夹中建立的标签（“内部标签”）不支持过程值。

标签组用来对标签进行组织分类。

为了改善分类的清晰程度，将全部标签分配成若干个标签组
对WinCC项目“TANK”，建立一个过程标签。

为了建立一个过程标签，在先前建立的连接处（握手标签处），点击鼠标右键。

在显示的弹出菜单中，点击写入“新标签”（Entry“New Tag”）。

在PLC中指定一个地址。

WinCC的标签分配在PLC的数据区域（DB），而且必须按一定的方法，寻址这一地址。

寻址的类型和通信对象的类型有关。

点击“选择”按钮（位于地址场的下一个位置），显示地址属性对话框。

从数据区的列表对话框中，选择数据区“标志”（“Flag”）。

检查那一个地址类型“字”和地址“0”等设置。

如图7-4所示。

图7-4 定义标签
⑤建立和编辑过程屏幕。

在WinCC浏览器窗口的左边，用鼠标右键点击“图形设计器”，访问其弹出菜单。

在弹出菜单上，点击“新的图形”（“New Picture”）。

以“New Pdlo.pdl”命名的图形文件（“.pdl”= “Picture Description File”）将被建立，并且将在WinCC浏览器窗口的右边部分显示出来。

打开图形设计器 (Opening the Graphics Designer)，如图7-5所示。

图形设计器的菜单条上，点击“View”→“Library”，或者点击工具条上的图标。

这时会显示带有自己的工具条和目标文件夹的目标库。

双击“全局库”（“Global Library”）,然后在窗口右边，打开“设备单元”（“Plant Element”）文件夹。

或者是从右上角的目标样板中，选择“标准目标”中组态所需的存储罐制作，阀门制作，管道制作，文本制作，按纽制作等。

图7-5 图形编辑器界面
⑥建立一个I/O 场 (Creating an I/O Field ) 。

从目标样板上，点击选择“智能目标”→“I/O场”（“Smart Objects”→“I/O Field”）。

将“I/O场”定位在绘图空间位置，保持鼠标左键压下，拖动“I/O场”至一个合适的尺寸。

随后，将会显示一个“I/O场组态”的对话框。

如图7-6所示。

为了选择一个“标签”，点击图标，在下面的对话框中，从外部标签文件夹里边，选择标签“LEVER”。

在目标属性窗口中，能够改变“I/O场的属性”
用鼠标右键，点击刚才建立起来的“I/O场”。

在弹出菜单中，点击进入“属性”。

在窗口的左边，点击属性“极限”。

在窗口的右边，双击“低限值”（“Low limit Value”）。

在对话框中，键入“20”，点击”OK”按钮。

在窗口的右边，双击“高限值”（“High limit Value”）。

在跟随的对话框中，键入“80”，点击”OK”按钮。

图7-6 建立一个I/O 场
⑦完善相关设置，保存。

⑧运行。

进行PID参数调试。