1、系统简介
本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。 整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：
图1-1 上位控制系统流程图
控制对象总貌图如图1-2所示。
远程控制杀虫灯图1-2 控制对象总貌图
2、系统组成
本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1.被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。
水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用淡蓝圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。
温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个srcpanPt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。
流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。
3．执行机构
调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使
用和校正都非常方便。
变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相突起路标AC220V。
水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。龙灯制作
可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。
4．控制器
控制器采用SIEMENS公司的毛刷制作S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。
5、空气压缩机
用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。
空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。
3、电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）
电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。
仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。
4、总线控制柜
总线控制柜有以下几部分构成：
1、控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。
2、控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。
3、温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。
5、系统特点
● 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。
● 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。
● 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。
● 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。
● 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
● 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。
● 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。
● 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。
6、装置的安全保护体系（仅早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）
1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为
三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。总电源设有通电指示灯和三相指示表。
2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。
屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电的输出（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实验安全。
3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实验技能的考核提供一个统一的标准。
4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。
5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。
第二章 上位机组态软件简介
本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC WINCC。
1、WINCC 概述
西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是HMI/SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场.当年就被美国Control Engineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。
在设计思想上，SIMATIC WinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。WinCC是按世界范闱内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统。如A-B,Modicon,GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过OPC的方式WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通汛。
WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是
工业企业中从MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
作为SIMATIC WinCC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对 SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。
2、WINCC的通讯连接和画面组态方法
WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据你的通讯硬件配置选取正确的通讯连接方式。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。
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