现场总线的教学设计

现场总线的教学设计（共12篇）

现场总线的教学设计 篇1

随着工业自动化的发展,不同标准的现场总线在现场有着不同领域的侧重点,使得基于不同类型现场总线的产品无法相互通信,严重妨碍了用户的选择。另外,有线通信存在布线、扩展性、移动性等方面的问题,这给一些复杂的工业现场的通信带来的不便。

基于上述原因,本文提出了基于多现场总线的无线传感系统的设计方案。高性能的STM32处理器搭配Zigbee无线模块,再加上各种传感器,既可以实现对一块区域的温度、湿度等实时监控,又可以实现将采集的数据无线传输给主站,从而实现主从站的无线通信。

1 系统的总体架构设计

多现场总线的无线传感网络系统结构如图1所示,设计分为三个部分:多协议从站接口、数据传输(Zigbee模块)、数据采集(无线传感器模块)。通过该从站接口可以实现不同协议主站与从站进行通信。

2 从站接口方案设计

单片机+通信协议芯片的方案具有开发周期短、可靠性高的特点被广泛应用。特别是专用通信协议芯片的出现,再加上高性能的单片机组成的硬件电路为从站的开发提供了一个良好的硬件平台。本设计就是基于单片机+通信协议芯片解决方案的一个很好的实例,利用通信协议芯片的数据收发单元完成DP主站和从站的通信。

2.1 从站接口硬件设计

按照本设计的思路,从站接口硬件结构。按照功能可划分电源模块,微处理器模块,RS485通信模块,RS232通信模块,通信协议芯片与主控芯片连接模块。电源模块负责整个系统电源的供给。微处理器模块的主要任务是初始化芯片和启动VPC3,是系统运行的核心。RS485和RS232通信模块完成物理层的协议通信。VPC3将信息变成符合协议规范的信息经过485驱动传到profi bus总线。利用STM32标准的通信接口实现基于MODBUS协议的RS485通信。

2.2 从站接口软件设计

该部分相当于主站和无线从站通信的一个中转站,为保证其性能,按功能分成两个部分,一个是profi bus主站和从站的无线通信,另一个是modbus主站和从站的无线通信。

Modbus主站和无线从站之间的信息可以透明传输,从站只需要将无线数据和主站直接互相转发即可。

Profi bus总线传递的数据量大,为了保证系统的实时性,必需利用VPC3协议芯片作为数据收发单元。微处理器对VPC3进行控制,从而实现profi bus总线通信。

3 无线传感器方案设计

该部分的设计主要采用主控芯片STM32+无线模块Zigbee+传感器芯片的结构。可以划分为四个部分:传感器部分,数据处理部分,数据传输部分和电源管理部分。

3.1 无线传感器硬件设计

3.1.1 数据处理部分

本部分采用ST公司推出的STM32系列芯片STM32F103CB为主控芯片。

3.1.2 传感器部分

温度、湿度、光照等传感器采集到的信号均为模拟量,通过运放电路转换成满足STM32F103CBADC输入范围的电压信号,输入到芯片的ADC模拟输入通道,转换成数字量。

3.1.3 数据传输部分

该部分主要实现STM32转换来的数字量的采集,经过简单的处理后,发送给上一级节点(Zigbee模块),最终完成PLC和无线传感器的主从站的无线通信。

3.2 无线传感器软件设计

无线传感器模拟量要经过A/D转换成数字量,Zigbee模块实现对该数字量的采集,经过简单处理后上传至上层Zigbee模块,同时也可以收到上层的命令:开始或停止采集数据等。

A/D采样主要完成以下几个部分:

初始化。主要是STM32F103CB芯片的初始化,完成寄存器等的配置。

AD转换。通过AD转换通道完成模拟信号到数字信号的转换。

数据接收和发送。将转换后的信息发实时的发送给无线模块。

4 总结

本文从应用的角度介绍了满足多总线协议的无线传感系统,并给出了多协议从站接口的硬件和软件设计,无线传感器部分的软件和硬件设计。该部分的高效率应用为整个系统的开发奠定了基础。虽然该系统可以较好的实现该功能,但仍需进一步的改善,如本系统用得无线模块是基于Zigbee的,希望今后在减小延时性和抗干扰方面有所发展。

摘要：结合工业现场应用的需要,设计了一种基于多现场总线的无线传感系统。系统以STM32系列的微处理器为核心,设计了满足多总线协议的从站接口和无线传感两个部分。利用STM32和通信协议芯片的通信接口可实现基于MODBUS协议和PROFIBUS协议的RS485通信,利用无线模块将传感器采集的信息传输给主站可实现主从站无线通信,克服了传统主从站通信受限于基于单一通信协议、有线通信扩展性和移动性差等缺点。

关键词：PROFIBUS,MODBUS,Zigbee,无线通信,现场总线

参考文献

[1]徐红燕.基于STM32F103实现ProfibusDP从站软核的研发[D].温州大学。2012.

[2]夏继强,梁超众,耿春明.PROFIBUS-DP主站网关设计及其关键技术[J].北京航天航空大学学报,2011.8(32).990-997.

[3]吕鑫,王忠.Zigbee无线数据传输模块的设计和实现[J].安徽师范大学学报,2010.4

[4]丁凡,周永明.基于STM32和Zigbee的无线校园火灾报警系统设计[J].微型机与应用,2012.6(31).43-46.

现场总线的教学设计 篇2

《集散控制与现场总线》课程教学改革与实践

作者：陈怀忠 韩承江

来源：《职业·中旬》2010年第10期

一、引言

工业自动化技术根据控制对象特性分为过程自动化和制造自动化两大方向,《集散控制与现场总线》是过程自动化专业的一门核心专业课程。课程涉及到自动控制原理、过程控制技术、集散控制技术等课程的学习,在过程自动化高技能人才培养中占据较重要的地位。长期以来,在教学内容上侧重讲解四大变量的原理和各种经典控制算法,以讲解为主,同时开展验证性教学实验。课程内容陈旧,理论与实践相互脱节,基本上是“教师讲,学生听;教师写,学生抄;教师考,学生背”的比较呆板的教学模式。难以调动学生学习的积极性和主动性。为了改变这种教学状况,本教学团队近几年经过不断摸索实践,在课程体系构建、教学方法和手段等方面进行全面改革,将理论与实践紧密联系起来,大大调动了学生积极性。

二、基于工作工程课程体系构建

1.课程体系构建

首先对教学内容进行调整,构建基于工作工程的课程体系。以过程控制职业能力的培养和职业素质教育为主线,突出综合职业能力的培养,从明确岗位群——职业岗位分析——典型工作任务——设计学习领域——设计学习领域课程的顺序进行分析。《集散控制与现场总线》课程体系构建流程如图所示。

《集散控制与现场总线》课程体系构建流程图

具体教学内容包括三个模块:基础模块、应用模块和技能模块。基础模块以必需够用为度,弱化原理讲解。技能模块和应用模块以企业真实项目为载体,是针对高职高专生产过程自动化技术专业和自动化类专业学生的系统安装调试和操作维护岗位职业能力所需知识、能力、素质要求而设计。

课程体系构建以培养学生从事集散控制系统运行及维护岗位工作的核心职业能力为主线,使学生掌握过程控制系统的基本理论知识,并通过集散控制系统实训项目的操作训练,使学生熟悉集散控制系统的构成、工作原理,并具有一定生产过程自动控制系统的策略组态、系统运行维护能力、故障处理能力和管理能力;每个项目的学习和训练内容是依据过程控制系统维护员、仪表维修工职业岗位典型工作任务所需要的知识、能力、素质要求,依据核心能力、行业

通用能力和敢为专项能力的要求而设计的。项目的实施按照实际系统工作过程组织教学活动,融合了理论知识传授和职业岗位技能训练。

2.课程内容开发

整个项目训练内容以实际生产过程控制中液位、压力、温度、流量四大工业变量为主要控制参数,以测量与控制仪表、DCS控制系统为主要控制装置,以任务为驱动展开对学生职业能力的训练和培养,通过模拟真实企业工业环境等多种学习情境设置,充分发挥学生的积极性、能动性,激发学生的学习兴趣和创新意识,提高学生的技术应用能力,培养学生的职业素养,为学生今后胜任职业岗位工作,适合职业变化和可持续发展打下一定的基础。在课程内容的选择与排序中,围绕工作任务学习的需要,以工作任务为中心选择和组织《集散控制系统及现场总线》课程的核心内容,来体现综合职业素质的培养。将课程内容划分为互相联系的学习情景,以项目化教学来组织课程内容,通过对各学习情景中学习目标、主要内容、授课方式、师生要求等各项内容的描述,来规范课程所要求的内容。为了实现以上目标,根据实训装置需要编写相应一体化教材。

三、教学方法改革

为了适应企业对应用性技能人才的需求,有效实施

“教、学、做、工、融合”一体化教学模式的实施,本课程建设小组突破了传统教学方法,探索采取“行为引导型”教学法,教学团队于2008年开始,在《集散控制与现场总线》课程中展开了“行动导向”教学法实践研究,至今已有5个教学班级进行了该教学方法实践,收效较好。

1.“行动导向”教学法在课程中的应用

(1)教学准备阶段(课前确定)。教师根据班级学生的特点,将班级的学生进行分组。

(2)下达任务书(引导文)。教师在投影幕布上投影任务书(引导文),任务书(引导文)分教学目标、教学任务、操作步骤三块内容,以任务四进行“行动导向”教学法为例,任务书见表1。

(3)检查阶段。及时了解学生对任务的实施情况,对学生遇到的问题,作好引导,过程与答案由学生自己得出。

(4)项目成果展示阶段。根据分工,各小组推选一名主讲员上台讲解任务的完成情况及演示任务成果。

(5)学生互评阶段。小组根据对上台演讲同学的演讲内容、演讲体态、演讲方法、演讲手段、演示效果、表达能力、专业能力、合作能力等进行综合评价。

(6)教师评价阶段。引导学生开展深入的自我批评,指出每个小组完成任务的优点与缺点。

(7)成绩考核阶段。对学生核心能力的建立上采取个体能力评价与小组合作能力评价、小组成员评价与自我评价、笔试或口试与动手能力测试相结合,而不是一卷论成败。

2.“教、学、做、工融合”教学模式

集中式“教、学、做、工融合”一体课程教学模式是基于职教规律、课程的特点、高职生的学习特点,根据过程控制系统制造、现场安装与调试及在设备中的维护与维修等岗位的知识与能力需求以典型应用案例为主线重构课程体系与教学内容将课程学习的场地安排在实训室、生产现场,将原来该门课程学习分散安排在15周完成变为集中在3周时间内完。成老师边讲解、边演示,学生边学习、边实践、边提问,实现知识与技能相融合,学生在“教、学、做一体”的教学环境下,较快理解并掌握现场总线系统安装、接线、调试能力。

3.利用现代化多媒体教学手段

教师积极学习制作教学课件和动画,利用多媒体教室,采用多媒体教学手段,给学生提供更多的图片、资料,增大课堂的信息量,尤其是将集散控制设备中复杂的机构原理,单闭环电路控制过程等通过课件比较形象的展示出来。课程采用多层次立体化的现代教育技术,课堂教学全程采用现场教学、多媒体教学和网络教学,突出教学重点,分解教学难度,形象生动,有助于激发学生的学习兴趣,调动学生的学习积极性,从而提高教学效率。

4.现场教学法

校内实训教学在实训室进行,现场教学在校外实训基地完成。在教授《集散控制与现场总线》课程中,教师直接将学生带到校外实训基地,现场对工厂DCS控制,现场总线设备的硬件系统运行和软件调试有关问题现场讲解,学生印象较深。

几年来,对该课程在课程体系、教学方法、教学模式等进行了一系列改革与实践,着眼于学生岗位职业能力和面向未来的迁移能力的培养,实现“教、学、做、工融合”的有机统一。按照职业岗位和工作任务设置课程,对课程内容进行取舍、重构。学生能在工厂仿真环境下接收职业指导,学生技能水平得到明显提高。

“教学”与“现场”的自由交汇 篇3

《现代汉语词典》对“课堂”下了这样一个定义：“教室在用来进行教学活动时叫课堂。”他援引这一解释对“课堂”作了新的界定：“‘在用来进行教学活动时是指特定的时间，‘教室是指特定的空间。简单地说，前者强调‘现在，后者强调‘场所。而‘现在与‘场所”合起来表述，便是‘现场。而作为课堂，自然是有教学任务的现场，所以对课堂最完整却又最简洁的表述，叫‘教学现场”（《课堂上的“情景剧”和“演示剧”》《现代教育报》2014年7月7日）。 在他看来，教学有“现场”的热闹而无“教学”的踏实，乃是花架子；有“教学”的灌输而无“现场”的交流，乃是填鸭式。为此，他提醒人们：课堂既需要“教学”的踏实，也需要“现场”的交流，理想的课堂，就是“教学”的踏实加上“现场”的交流。李老师的生成课堂观，就是这样把“教学”和“现场”完美融合在一起，既注重语文课堂教学的“内容”（课堂教学的核心和本质），又注重语文课堂教学的“形式”（基产于教学现场的教学方式、策略以及人际环境），使语文教学在思维、文化、个性的自由交汇、制衡中精彩纷呈。这在当今“花架子”、“填鸭式”两种极端的课堂形式盛行的时代，确实难能可贵。

下面就结合几个案例来说明李老师在其“生成课堂”理论观照下的语文教学特色。

“现场”的际遇

李老师将课堂分为再现的课堂与生成的课堂。所谓再现课堂，就是实现教师目标预设、过程预设的课堂，这种课堂中，学生一般会坐着教师投资建设的地铁或公交穿越语文教学的现场，直接驶向目的地，是无故事少风景的课堂，乏善可陈。生成教学则不同，它强调课堂的即时生成性，是教学现场中的时事新闻和情景剧，是运动中的陌生小宇宙。

下面是李老师在教授食指《相信未来》的一个片断：

（学生自由吟诵）

师：声音渐低，说明同学们差不多已经把诗读顺了。现在我请几个同学单独来读，看看读得怎么样，有没有读出感情、语气来。

生1：……我要用手//指那涌向天边的排浪，/我要用手//掌那托住太阳的大海，/摇曳着曙光那枝温暖漂亮的笔杆，/用孩子的笔体写下：相信未来……

生2：……我要用手指//那涌向天边的排浪，/我要用手掌//那托住太阳的大海，/摇曳着曙光那枝温暖漂亮的笔杆，/用孩子的笔体写下：相信未来……

生3：……（同生1）

师：三位同学读得都不错，但有一处差异较大，大家有没有听出来？

众：第三节（即上面所引用的读法迥异的几个句子）。

师：两种读法，究竟哪一种比较好呢？

师：不同的读法实际上反映了不同的理解。要知道怎么读，不妨先来理解这几个句子。理解诗歌通常要抓住意象，你们看看这几个句子是由哪些意象构成的？

生1、生3：“手”、“排浪”、“大海”、“曙光”、“笔杆”。

生2：“手指”、“排浪”、“手掌”、“大海”、“曙光”、“笔杆”。

师：究竟哪一个说得对？我们先别忙下结论。请同学们想象一下，“排浪”有什么特点，它能否压缩为一个字“浪”。

生4：“排浪”跟“浪”是不同的，“排浪”表明浪一道又一道地向天边涌去，这一道又一道的浪线看起来就像人的“手指”。

师：大家看看他说得有没有道理？

（正在这时，教室外面走廊栏杆上晒着的几根拖把突然地进入我的眼帘，于是我灵机一动，指着恰好疏密有致地平放着的拖把）

师：请大家开下小差，朝走廊看，几根拖把像不像“手指”？像不像由几个浪线组成的“排浪”？

众：真像。

……

学生读诗出现了句读错误，课堂因此出现了程式上的异化，教者却从中获得了解决教学难点、生发教学高潮的际遇，通过师生互动，正确而形象地诠释了诗中原本陌生的意象。这就是生成教学的魅力，生成教学是可能的教学，随缘的教学，能从意外过程生成意外的结果，从而曲径通幽，渐入佳境。这一切缘于把教学引擎交给了课堂本身，交给了课堂关系现场演化的过程，师生的个性、文化、思维往往在星际空间般的课堂中碰撞、交汇、衍生，出现了许多非常有意义的意外与陌生，甚至开发出课堂教学的新功能。

生成教学的随机意识使师生的课堂活动与课堂背景元素出现了许多神奇的即时融合。上面的教学案例中，当学生对“手指”与“排浪”比况关系无法厘清的时候，李老师巧借室外的“几根拖把”引领学生走出了混沌状态。由此可见，生成教学属于天时、地利、人和的教学，每一个时空节点与教学事件，都可能是师生抵达教学佳境的驿站。

当然，课堂的生成际遇，有其偶然性，更有其必然性。佛家有语云：“前世五百年的修行，才赢得今生的一次回眸”。课堂上的有效际遇，同样需要师生的修为。没有厚实的积累与充分的准备，你可能会与课堂精彩擦肩而过，学养广博而精深的李仁甫在《相信未来》教后记中说：“为了上好《相信未来》这两节课，我在解读课文的过程中花费了大量的精力，搜集了大量的资料，累积了很多可变性方案，书页上留下了红、黑、蓝等笔迹和很多圈、点、杠等标记。我感到备课量大得惊人，心力疲惫时我甚至想回到传统，稳当当地写个程序性教案‘万事大吉，但创新欲望一再支持着我”（《特级教师这样教语文——苏派语文名师教学智慧解密》，第178页，南京大学出版社，2013年版），这些话充分说明成功的生成教学背后，需要知识与精神元素的有力支撑，滚动的是艰辛的汗珠。

生成教学是讲求实效的形而上教学，一个个迂回、嬗变的际遇撬动了知识与思维闸门，使课堂激荡着生机勃勃的源头活水。

“制衡”的演绎

现在很流行狭义的生本教学观，教师的主体位置被削弱或忽略。洋思模式中，就将教师定位于学生自主发展的课堂服务者角色，但许多在这种理念引领下的课堂，由于失却了相对高端的有效规约与思想导引，课堂常常低效甚至无效。真正的生本观，是以学生发展为本的教学观，不应该否定教师的课堂地位。李老师提出了师生“双主体”课堂构架策略，虽然不是什么创新，却大胆地悖逆了当下流行的教学观，是对当下课堂建构的科学重置。教师是专业授道者，拥有着一般学生不具备的专业素质，是重要的课堂教学资源，在课堂教学中，不可或缺；学生是课堂的主体，是教学服务的对象，同样至关重要。只有打破师生主客体的主从关系，落实二者对等的主体地位，才能形成真正意义上的师生民主关系，为教学内容的落实提供动态衍化的基础平台。生成教学中，语文课堂教学由学生主体单一的自觉关注，变为师生双主体的交互制衡。我们来看看李老师的《金岳霖先生》教学片断：

师：你不仅欣赏了内容，还总结出了手法——细节描写。像这样的细节描写，本文多不多？

众：多。

师：谁再来举例？

生12：第十段写金岳霖先生养斗鸡，写了两个细节，一是斗鸡“把脖子伸上来”，从侧面写出主人喜欢斗鸡；一是比赛输了后把搜罗来的大梨、大石榴送给孩子，然后再去买，真实地反映出金岳霖先生童心未泯，孩子气十足，是一个有趣的教授。

生13：第十二段有一个细节很有意思，写金岳霖先生每天坐在平板三轮车上到王府井一带“转一大圈”，“东张西望”，几乎是用漫画的手法，非常逼真地表现了金岳霖先生的为人天真、热爱生活的性格。

师：你们说的几个例子，都是典型的细节描写……

师生互动的过程中，教师发挥了 “道而弗牵”的基本功，使学生对细节描写有了一个充分的体悟、认识过程。这是一个由现象到本质、由此及彼的认识过程，这里教者的主动、积极的隐性“规约”给了我们深刻的启发：教者无为而有为，有为而无为，才能使课堂教学不凌空高蹈，获取动态生成的效能。

我们再来看一个学生引领方向、教师因势利导的《拿来主义》教学片断：

师：上一节课大家交流的内容很有价值，交流得非常精彩。还有没有其他问题了？

生18：关于“大宅子”的来源，既然说是“因为祖上的阴功”，又为什么说是“骗来的，抢来的”？如果“且不问他是骗来的，抢来的”，而只是“不管三七二十一”地“拿来”，这样做不是显得太流氓了吗？难道鲁迅先生认可、鼓励这种不择手段的行径？

（这个问题我始料未及，也被难住了。）

师：这个问题提得太有水平了！这是一个应该赢得掌声的问题！

（一片掌声中，我心理也平衡了一下，决定先让同学们议议再说。）

师：人家问题提得有水平，下面我们不妨来讨论讨论，看看有没有人把问题解决得同样有水平。

（一番热烈讨论之后，有人举手。）

生19：鲁迅先生自己表述得非常清楚，请看原文，“祖上的阴功”后面的括号里不是写着“姑且让我这么说说罢”？在这里，作者提醒我们对“祖上的阴功”这一说法不要当真。

师：你这是替鲁迅先生辩护。那么，他辩护得有没有道理？

生20：我认为没有道理。其实鲁迅先生就是要强调“祖上的阴功”，然后为下文“或合法继承的，或是做了女婿换来的”的说法作铺垫。

师：请大家看看注释，什么叫“阴功”？所谓阴功，就是“迷信的说法，认为人们做了好事，阴间就给记功，可以泽及后代子孙”。这位同学提出的“铺垫”说，大家同意吗？

众：同意。

师：问题是，“骗来的，抢来的”跟“阴功”又如何能联系在一起呢？

生21：“骗来”、“抢来”跟骗抢之后被官府发现，不是一回事；甚至骗抢之后被发现，跟发现之后被判刑，也不是一回事。既然骗抢之后没有什么严重后果，这不正证明祖上有“阴功”吗？

（有人鼓掌）

……

文本中的句例采用了让步推理的逻辑，老师没有急于甚至最后也没有说出答案，而是站在学生的角度，跟着学生“规约”的思维方向，激发慧性，烘焙情怀，走进了别样洞天。生成教学的课堂，结论不一定是完美的，但一定有一个精彩的绽放过程。在这个案例中，学生没有获得现成的结论，但是他们的思想得到了升华，智性得到了提升，这就不是一般的再现课堂所能达成的目标。适切于学生多元智能的差异，生成的课堂突破了完成预设的传统再现模式，允许基于教学内容的课堂裂变、增生甚至错漏的存在，并通过这样的存在，激趣质疑，重构课堂平衡，完成师生的有效接合，实施有效教学。

生成的课堂，是师生相互制衡的课堂，要求课堂上的每一个人（学生和教师）都是主体，都能发挥主观能动性，并在相互制衡、调适的过程中不断演绎精彩，获取真知。生成教学的内容与程式，是孙悟空的形与神，在无穷的变化中，呈现出内涵与底蕴。

自由的飞翔

如果有一个比喻来形容生成的课堂，那么她就是群鱼跃动的大海，雄鹰展翅的天空。生成教学的课堂，给了每一颗星球自主运行、交汇的个性轨道。

行为心理学家反对外在控制的教学，他们认为这种经典行为主义方法下的受教者很少能将学习行为扩展到新的情境中。而李老师的生成教学践行了这种认识，他的教学充满了自主、自由的精神，废除了纪律、条例、惯性的课堂控制，超脱平常教学的窄化倾向，发挥课堂非控制性活跃元素的作用，最大程度地解放课堂。在预备上，生成教学提出了板块式弹性备课，教学的内容不分先后，排列完全是空间性的，哪一种内容在什么时间出现，完全根据教学机缘，而非线性预设。这种无路径或者全路径的教学，丰富了课堂教学与教学内容的关系，给课堂带来了无限可能。比如，李老师在教授《相信未来》时，碰到了学生读第三节的不同读法，立即从句读的路径切入文本，作了深层次的延拓；当评价江青的话“相信未来就是否定现在”时，他又立即利用这一路径切入文本，对一、二节的一系列诗歌意象进行深度解读。这种云卷云舒，花开花落的随缘教学法，切近了学生个性要求与最近发展区，要比序列化地对文本内涵和诗歌意象作条分缕析来得自然、巧妙、高效。

我们再来看一个片断：

师：下面我们就文本的内容和形式，交流自己心中的问号或者惊叹号。谁先交流？

生2：“岂以为周道衰微，桓公既贤，而不勉之至王，乃称霸哉？”这句话，我似懂非懂。

师：似懂非懂？那么，你似乎懂得什么？

生2：这句话好像是说管仲完全有条件勉励齐桓公走上王道，因为齐桓公很贤明，可是管仲没有这样做。那么，作者这样说，到底是褒管仲还是贬管仲？

师：大家认为是褒管仲还是贬管仲？

生3：我认为是贬管仲，因为这句话前面说“管仲世所谓贤臣，然孔子小之”，然后具体说明管仲不助齐王行王道而行霸道。

师：你能否说说“王道”和“霸道”的区别？

生3：王道是以仁德治天下，霸道是以武力征伐天下。

……

这个片断中，教师问得宽泛，学生答得自由，呈现出方向性、意向性学习的特点。这种教学模式激发了课堂潜在的能量，活化了教学过程，使学生内景呈现多样，意外生成无限，突破线性流程，呈现出多维、多层次、多核心的丰富性。这种课堂，是天光云影共徘徊的动态性意境课堂，而不是 “一去二三里，烟村四五家”静态性的片断风光。

生成课堂的自由不仅表现在形式的擢拔超脱，还表现在思想与精神的自由翱翔，不拘泥，不落俗，是师生知识、文化、精神、人格共舞的大舞台。这种内在的自由，让形式与内容得到了自然对撞，让师生、生生互动拥有了不期而遇的释放与冲决。在这种理念引导下，李老师的许多教学是自由的教学，形式绰约，内容创新，思想超然，成果丰硕。师生在这种气象万千、温馨可感的交流情境中，如坐春风，宛沐春晖，自然别有一番意趣。

现场总线的教学设计 篇4

目前采用现场总线通讯方式的控制系统开始广泛应用。Profibus (Process Field Bus) 是以ISO7498为基础, 以开放式系统互连网络OSI (Open System Interconnection) 作为参考模型, 定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。由于只采用物理层、数据链路层DDLM和应用层, 使它具有良好的高速性和经济性。采用Profibus-DP的太阳能光伏发电追日控制系统是一种高效、经济的控制系统与分散式I/O设备之间通讯的系统。使用Profibus-DP模块取代24 V或4 m A~20 m A的串联式信号传输。直接数据链路层DDLM提供的用户接口, 使得对数据链路层的存取简单方便, 是一种优化了的设计。传输介质采用RS-485传输通讯屏蔽双绞线电缆[1]。

1 光伏板自动追踪太阳光系统

为充分地提高使用太阳能光伏发电的效率, 太阳能光伏发电板应垂直正对太阳光, 而太阳光的方位角和倾斜角一天中相对一个地点是变化的, 因此为了使太阳能光伏板随时得到最大的太阳光幅射量, 系统利用多台电机去控制多组光伏电池方阵的方位角和倾斜角以达到光伏板追日目的, 获得最大太阳光能源。针对以上情况, 本传送系统采用西门子PLC S7-300作为中心控制器, 并由西门子公司的Micro MASTER440变频器与PLC构成PROFIBUS-DP现场总线控制系统, 控制3台变频器分别驱动太阳光伏板的方位角和倾斜角电机, 以实现同步追踪太阳光, 其光伏板自动追踪太阳光模型见图1。

2 系统硬件配置

2.1 硬件组成

a) 西门子PLC S7-300 CPU315—2DP (6ES7 315-2AG10-0AB0) 组成主站, 包括:电源模块PS307 24VDC10A (6ES7 307-1KA00-0AA0) , 2块模拟量输入/输出SM334 (6ES7 334-0CE00-0AA0) , 1块数字量输入/输出SM323 (6ES7 323-1BH01-0AA0) ;

b) 总线传输介质。RS-485屏蔽双绞线;

c) 变频器。Siemens Micro MASTER440 (6SE6420-2UD13-7AA1) 内嵌通讯模块6SE6400-1PB00-0AA0;

d) 传动设备。异步电动机。

2.2 网络组态

a) 新建项目。在STEP7中创建一个工程项目, 并插入新对象SIMATIC 300站点, 进入“HW Config”窗口, 按硬软安装次序和订货号依次组态插入机架RACK-300的导轨Rail、电源模块PS307 24VDC 10A、CPU315—2DP, 2块模拟量I/O模块SM334、1块数字量I/O模块SM323, PLC通过Profibus-DP与变频器MM440组态连接见图2, 在基于PROFIBUS-DP的玻璃输送线控制系统中, PROFIBUS-DP采用RS485传输技术。其数据传输速率设置为1.5 Mbps, S7-300作主站, 主站DP口地址设为2, 采用Profibus DP协议进行通讯, 可以满足多电机同步传动控制的要求, 实现系统的高速通讯能力[2,3];

b) 组态从站。3台Siemens变频器MM440 (内嵌通讯模块6SE6400-1PB00-0AA0) 作为PROFIBUS-DP现场总线系统的3个从站连接到DP网上, 都选择PPO1通信报文, 设置的从站DP口地址和通信地址见表1。

3 设置变频器参数及通信编程

a) 变频器参数设定见表2;

b) S7-CPU 315-2DP PLC处理器提供的通信。 (a) 主站将控制数据 (如电机速度设定、接触器吸合及断开等) 发送到传动装置; (b) 传动装置的数据 (如电机转速、接触器触点的通断等) 通过通信传送到主站PLC指定的寄存器地址。在OB1中调用功能块SFC14和SFC15, 完成对3个从站变频器数据的读和写, PLC主站向变频器从站“读”和“写”数据见图3, SFC14从变频器中“读”取过程数据到PLC, SFC15是PLC向变频器“写”控制数据, 都遵循PROFIBUS-DP协议[4]。

4 结语

基于PROFIBUS-DP的太阳能光伏板追日跟踪系统的多电机同步传动方向控制系统研究与开发, 利用PLC直接通过数字通讯模式, 按照一定采样周期进行信息的输入、处理和输出, 简化了系统外围模块, 缩短了控制周期, 稳定性好, 扩展性好, 同时提高了在线监测、运算和驱动能力, 增强了系统的抗干扰能力, 控制精度和工作可靠性进一步提高。另外, 可以通过通讯模块将变频器相关参数读到PLC机, 可根据实际情况做出相关的比较和调整, 完成预期的通信和控制功能, 系统运行良好, 最大限度地应用了太阳光, 充分提高了太阳能的应用效益, 提高了经济效益, 取得了满意的效果。

摘要：介绍了基于Profibus-DP的太阳能光伏自动跟踪系统设计, 以西门子公司PLC及变频器为相关设备的现场总线技术应用, 以西门子S7-300可编程控制器为主控制器对西门子变频器实时控制, 详述了Profibus总线的硬件配置, 给出了基于Profibus总线技术的变频器控制方案, 实践证明系统运行稳定、可靠。

关键词：光伏自动跟踪,现场总线,S7-300可编程控制器,变频器

参考文献

[1]李建平, 王晓冲, 谢敬华.基于PROFIBUS-DP总线的智能铝箔退火炉温度控制系统[J].仪表技术与传感器, 2007, 5 (5) :70-73.

[2]孙鹤旭, 梁涛, 云利军.现场总线控制系统的设计与开发[M].北京:国防工业出版社, 2007.

[3]张伦兆, 王庭有, 胡建军, 等.基于PROFIBUS总线控制系统PLC对变频器的控制[J].机械研究与应用, 2008, 10 (5) :114-115.

现场教学设计篇 篇5

备课是教师提高知识水平和教学能力、总结教学经验的过程。为 了加强我校教师教学基本功训练，尽快提升我校教师对教材的自主研读能力和教学方案的设计能力，更好地锤炼教师备课基本功，实现教 师有效备课，提高备课、上课质量，构建我校教师成长的平台，结合 我校教师对“新课标”的学习，经研究，决定举办以“优化教学设计，实施有效教学”为主题的现场教学设计比赛活动。为了保证活动的顺 利进行，制定方案如下：

一、活动目的为进一步提高课堂教学质量，落实校本培训计划，促进我校教师 的专业成长，展现我校教师风采，特举办我校教师现场“教学设计” 比赛。比赛宗旨在于提高我校教师教材分析能力、课标理解和运用能 力，进而提高课堂教学效率，推进素质教育的全面实施。

二、组织机构 组 长：李宗英

成 员：杨生贤 杨洪武 王正虎 马勇裁 李 青 马元斌 马玉江

王正虎 李宗军 杨 东 杨自成 马彦明 王正宝 马全平李宗发 虎旭东 马彦全 买耀玺 邢彦明 罗风科 罗进财 丁生波 马金平

三、参加对象

全镇所有在岗教师（学生在300名及以下的学校拟报送1名教师参赛；学生在600名及以下的学校拟报送2名教师参赛；学生在600 名以上的学校拟报送6名教师参赛。拟定参加中心学校复赛教师名单10月31日之前上报中心学校办公室，与此同时上报本校活动资料。）

四、竞赛学科 语文、数学

五、比赛时间

1、初赛时间：

2、复赛时间：

六、复赛地点

中心学校办公楼三楼会议室

七、比赛内容

本学期课本中某一内容（篇章）的一课时内容，赛前5分钟公布。

八、比赛形式

现场教学设计比赛，不得带任何资料。

九、比赛要求

现场教学设计时间为60分钟，请老师们在规定时间准时到达比赛地点。比赛只允许带书写和绘图工具，不允许带书本、教参、教案等参考资料。赛前10分钟抽取考号，答卷上不得写真实姓名，只能写考号。

十、教学设计要求

（一）有效的教学设计应主要围绕下面几个主要环节：

1、教学内容

2、教学目标（从知识与能力、过程与 方法、情感态度价值观三个维度去进行教学目标的设计）

3、教学重点、难点

4、教学课时

5、教学准备

6、教学过程

7、作业布置

8、板书设计

（二）教学设计必须以现代教育思想和理论为指导，能按新课改 的要求确定课时教学目标，设计教学策略、教学方法体现新课程标准 和素质教育的要求，在教学方法和教学手段上具有创新性和可操作 性。教学过程步骤清晰，对主要教学环节要求写清教师活动的内容与 方式以及学生活动的内容与方式，并对课堂上可能出现的情况作出预设与应对策略。

十一、评奖办法

1、本着公平、公正的原则进行评奖。

2、评审方法：学校邀请具有专业水平的老师根据评审内容和标 准对所有教学设计进行评比，比赛将综合考虑各学科参赛人数按语文组、数学组分别评出一、二、三等奖若干名。

十二、活动要求

1、各学校要加强对这次活动的组织和领导，要充分发挥学校学科教研组（备课组）的作用，要重视过程、重在参与、重在实效。

2、在岗教师要全员参加这次大赛活动，做到互相学习、比学赶帮，岗位练兵、在职培训，通过这次活动促进全学校教师教学基本技能的提高。如有特殊情况不能参赛者，需提前向中心学校办公室请假、备案。

3、本次活动要和构建高效课堂结合起来，要和校本研训结合起来，要和全学校的教师培养、培训学习结合起来，要和全学校教师的业务评价结合起来。

附件1：教学设计评价量表

王团镇中心学校 2014年9月20日

教学设计评价量表

学科： 撰写教师： 教学设计课题 ：

评委（签名）： 日期：篇二：3篇教学设计

第二章第4节 免疫调节第一课时（教学设计实录）

袁颖 矿务局高级中学

一、教学目标

（一）知识：

1．概述免疫系统的组成。

2．概述免疫系统在维持稳态中的作用。

（二）技能： 1．通过分析文字和图片等多媒体资料来提高学生分析问题的能力及交流合作的能力。2．以图解、问题串、和讨论的方式学习免疫系统的防卫功能。

（三）情感态度与价值观：

1.关注艾滋病的流行与预防。2.确立积极的生活态度和健康的生活方式。

二、教学重点和难点

1.教学重点：免疫系统的组成。2.教学难点：人体三道防线。

三、课程内容及学情分析

（一）课程内容分析

《免疫调节》是高中生物新课程标准必修三《稳态与环境》模块第二章第四节的内容，包括免疫系统的组成、免疫系统的防卫功能、免疫系统的监控和清除功能及免疫学的应用四部分内容。分3课时学习：第1课时，免疫系统及免疫系统的防卫功能；第2课时，体液免疫和细胞免疫过程；第3课时，免疫失调引起的疾病及免疫学的应用。学习本节知识以后，对于如何善待艾滋病患者，增加学生的社会责任感有较大的帮助作用；此外，学生了解自身免疫系统的组成，理解自身三道防线的地位和作用。

（二）学情分析

高二学生对免疫调节的知识已经有所了解，但是由于缺乏系统科学的学习，尤其是免疫系统如何在稳态中起调节作用还缺乏一定的理论指导，因此本节教学中应该使学生明白学习免疫知识，对于增强自身抵抗力，预防疾病等有重要意义。

四、教学方法及教具

1.方法:讲解法、图示法、比较法、情景教学法 2.教具：黑板、多媒体课件，图片

五、教学过程

六、教学实录

1、展示课题

教师：通过上一节课学习我们知道了“神经-体液-免疫”调节网络对维持内环境的稳态具有重要作用，前面我们学习了神经调节和体液调节，这节我们开始学习人体第三大调节网络 学生：免疫调节

板书： 免疫调节

教师：首先让我们一起探究下课本“问题与讨论”里的问题。师生采用一问一答的形式完成讨论部分，导入新课 教师：免疫概念的明确。（教师解释免疫概念）一个功能的实施必然依赖一定的结构，首先让我们学习免疫系统的组成；

板书：

一、免疫系统的组成教师：大家自主学习教材p35-p36这一部分内容，然后思考以下问题：（1）什么是免疫器官？它包括哪些器官？

（2）什么是免疫细胞？包括哪些细胞？它们有什么不同？（3）什么是免疫活性物质？包括哪些？（4）当我们体内有炎症时，扁桃体会肿大，有时颌下等部位还出现淋巴结肿大。你知道这是为什么吗？

学生：阅读教材p35-p36有关内容，并思考回答。

（点评：绝大多数学生通过看书可以总结出前三小题的答案，最后一题可能有点困难，教师要适当加以提示。在这里教师还要补充一下：淋巴细胞起源于骨髓中的造血干细胞，因为在练习中经常会涉及。）

教师：我们的身体无时无刻不处在病原体的包围之中，我们吃的食物中含有病原体，吸入的气体中含有病原体，周围的空气中含有大量的病原体，但在一般情况下我们并不得病，这是为什么？人被hiv感染后，也并不得病，一般有几年时间的潜伏期，这是什么原因？

通过这些问题引入对“免疫系统的防卫功能”的学习。

板书：

二、免疫系统的防卫功能

学生：有三道防线。

教师：引导学生分析：第一、二、第三道防线的作用及特点。教师：板书归纳：

引导学生深入讨论：艾滋病的病因是什么?艾滋病的死因是 什么?为什么艾滋病病人最后往往是患不同的疾病而死亡?为什么艾滋病又叫获得性免疫缺陷综合症?篇三：语篇教学教学设计 modle3 unit1robots will do everything 教学设计

一、任务启动 1.greetings t: good morning，boys and girls！ss:...2.review the phrases t: boys and girls, let’s do some actions.i say you do.“ watch tv listen to music sing a song write a letter.take a picture.play football;play basketball ,ride a bike ,fly a kite.” ss:do the actions t: ok ,we can do these actions ,what can sam and amy do? now ,look and listen.(play the tape)chant sam can ride a bike.he can ride his bike.amy can fly a kite.she can fly her kite.ss:...who can read this chant ? s1: „

t: now let’s chant together : ss:...t: boys and girls ,let’s have a match.who is the winners.boys chant girls chant t: i think the girls are the winners....二、任务呈现 t: congratulations!now sam can ride his bike.amy can fly her kite, what about robots ? what can they do? today we will study m3 u1 robots will do everything.(板书:m8u1).through today’s learn ,we can talk about something in future.三、任务准备: t: look at the picture(带有机器人图片的课题)1.can you guess ：what’s the meaning of “robot ” s1：机器人

t: can you read this word? ss: no l t: read after me , robot ss: robot t: what can robots do?”,请学生大胆发言，如：“they can walk.”“they can sing.”教师给予积极肯定。

2.自读课文，回答问题

t: first.read the dialogue and find the new words..1）.does amy often play with dolls ? 2.）does amy often clean the room ? 2.出示学生照片，进行问答，并引出知识点。t:（走到一学生前问）do you often clean the room ?（连续问两名学生）ss: t: look at photos.who is he ? ss:（指着这名同学说）he is...t：（走到这名学生前问）what are you doing ？ s ：i am helping my mum.t: do you like helping your mum？ s ：

t：do you often help your mum？ s ：（1）、学生看课文听录音回答问题： a.can daming’s robot walk? b.can daming’s robot talk? 学生画出含有can的句子，教师板书。

（2）、学生再次听录音回答问题： c.will robots do everything? d.will robots do the housework? e.will they help children learn? f.will they do our homework? 小组讨论，画出含有will的句子。

（3）听录音，模仿语音，学习重点句型。

（4）再次听录音并跟读。(5)、表演对话。step 4practice

1、课件显示课文内容梗概，学生选词完成填空。talk/robot/walk/housework/homework/will/learn daming has got a____.it can_____.it can_____.one day robots_______do everything.they will do the______.they will help children______.they won’t do our____.2、出示图片(课本第15页)，学生在小组内练习，然后每组选代表说出答案。what will robots do? picture1:robots will make cakes.picture2:robots will help children learn.picture3:robots will sing songs.picture4:robots will write letters picture5:robots will take pictures.step5consolidation

1、利用机器人的服饰，请同学们到讲台上表演，看谁的机器人本领大(或者画出自己心中的机器人)。学生可以大胆想象未来机器人能做的事情，同时也可以让其他同学复述，还可以

进行小组活动，互相交流。(1)hello,i’m a robot.i can „ i will„(2)look,this is my robot.it can„ it will„

2、课件展示各国机器人的最新研究成果，教师进行简单的讲解。t: good boy，good habbit.篇四：教学设计 教学实践改进应用课例

作业题目：

这是一个收获的季节，经过一段时间的研修和教学实践，相信您一定有所提升、有所收获。

请在教学实践中，应用您自己的打磨后的教学设计和教学课件上一节课，并将这一节课录制成课堂实录视频（若没有拍摄设备，可用文字记录），课后根据实践情况，再次修订教学设计和教学课件，并完成教学实践反思；将修订后的教学设计及反思（终稿）、教学课件（终稿）和课堂实录作为培训成果资源包提交至平台。

温馨提示：根据教育部对本项目的要求，切实推行网络研修与现场实践相结合，促进教师边学习、边实践、边提升。课堂实录能真实的反映“教学实践”，请尽量提交视频格式的课堂实录或课堂片段，坊主在批改作业时将优先考虑视频格式的作业为优秀作业。

作业要求： 1.培训成果资源包，至少包括三个作品：教学设计（含实践反思）、教学课件（ppt）和课堂实录。

变电站现场总线适配卡设计分析 篇6

关键词：局域控制网 总线适配卡 设计

1 概述

现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表中，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种实际需要的自动控制系统。目前，在变电站综合自动化系统中CAN总线已有少量应用，其中的通信适配卡多为非智能型的，即在卡上未采用微处理器。本文所介绍的适配卡采用89C52作为微控制器，将大大减少PC主机的通信负担。且在设计中使用最新的EPLD器件作为双口RAM的逻辑控制和中断信号控制，使得电路比较简单，而且具有很好的可扩展性。

2 现场总线的技术特点

CAN现场总线的技术特点：①CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线；②CAN为多主工作方式，网络上的任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节点发送信息，而不分主从；在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134μs内得到传输；a.数据的转发，适配卡把总线上各个节点的信息转发给PC机，并将PC机的命令和数据转发给各个节点；b.用于完成CAN总线上用户的部分监控和管理任务。

3 适配卡的结构

这里研制的CAN适配卡由ISA接口、双口RAM、微控制器89C52、CAN通信控制器SJA1000、CAN收发器82C250、数据缓存器、地址译码与控制逻辑和中断信号控制逻辑等部分组成。

3.1 双口RAM及控制电路 PC机与CAN控制器之间要进行数据的传送，必须在PC机和适配卡上的微处理器之间建立双向的数据通道。这里采用共用外部数据存储器的方法。集成双口RAM是一种性能优良的快速通信器件，适用于多CPU分布式系统及高速数字系统中，它有两路完全独立的端口，每个端口都有完整的地址和数据控制线，这里采用IDT7006双口RAM。对于双口RAM的应用，一个很重要的问题就是必须避免两个端口的争用，两边同时读/写同一地址单元。但只要遵循一定的通信规则，使用合理的控制逻辑电路是可以避免争用现象的。这里采用可编程逻辑器件EPM7128S来实现。EPN171285是一种典型的EPLD器件，采用了先进的CMOSEEPROM技术，内含2500个逻辑门和128个宏单元，可以在PCB板上直接对芯片进行编程。在该适配卡中，EPM7128S主要完成数据总线的驱动、中断信号处理以及共享存储器和数据缓冲器的地址译码。适配卡上的双口RAM使用内存映像的方式直接映射到主机内存空间，实现适配卡与主机的数据交换。内存映象法是将适配卡的数据存储地址配置于PC机的主存储器的高端，PC机可以采用写主存储器的方式将数据直接写在适配卡的数据存储器中，PC机不访问适配卡的微控制器时就可以读写数据存储器的数据。

3.2 微控制器电路 微控制器采用ATMEL公司的89C52，它与MCS51系列完全兼容，带有8k字节的系统可编程Flash和256B的片内RAM。它主要承担节点与PC机之间的数据通信和协调管理工作。电保护电路，可防止因适配卡掉电引起的测量数据丢失。由于适配卡的工作环境干扰很严重，使得电路调试比较复杂且故障率也较高，本卡设计了三种复位方式。一种为上电复位方式，即在PC机通电时，同时对适配卡也进行复位；第二种为在调试时出现故障，使用手动复位键进行复位；第三种方式为软件复位，这种方法是使用初始化模块中的软件指令对适配卡进行复位。

3.3 通信控制器 CAN通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，它是一种独立的CAN控制器，主要应用于移动目标和一般的工业环境中的区域控制。在本适配卡中SJA1000主要完成具体的报文发送和报文接收。SJA1000的基本特点有：①具有扩展的64字节接受缓冲器，先进先出（FIFO）；②支持CAN2.0A和CAN2.0B协议；③支持11位和29位的标识码；④通信速率可达1Mbps；⑤24MHz时钟频率；⑥可与不同的微处理器接口；⑦可编程的CAN输出驱动器配置；可工作于BasicCAN和PeliCAN两种状态。CAN控制器的内部采用模块结构，由七个部分组成：接口管理逻辑（IML）用于解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息；发送缓冲器（TXB）是CPU与BSP之间的接口，缓冲器可以存储有13个字节的一条完整的报文；接收缓冲器（RXB）是接收滤波器和CPU之间的接口，用于存储从CAN总线上接收并被确认的信息；验收滤波器（ACF），用于对接收到的标识码进行验收，以决定是否接收下这条报文；位流处理器(BSP)是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的队列发生器，它还执行总线上的错误检测、仲裁、填充和错误处理；位时序逻辑（BTL），用于监视串行的CAN总线和位时序；错误管理逻辑（EML），用于限制传输层模块的错误。

3.4 辅助电路 CAN控制器SJA1000并不能直接与总线相连，还要通过总线驱动器才能接于总线上。本适配卡采用82C250总线驱动器，为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和TX1通过高速光耦6N137后与82C250相连，使得总线上的各节点具有很好的电气隔离。

4 CAN通讯适配卡的软件设计

适配卡主要承担上位机和节点之间的报文转发任务。软件设计包含两部分：一部分是上位机的应用程序设计，该程序采用VB6.0开发，用于完成上位机和双口RAM之间的通信，主要包括上位机向适配卡上的双口RAM发送控制命令、数据命令、请求数据命令、请求状态命令和接收数据等。另一部分是适配卡上的微处理器的程序设计，使用KeilC编写，下位机上的程序负责微处理器与双口RAM以及微处理器与SJA1000之间的通信。其软件设计的主要任务是向CAN控制器转发来自PC机的命令，并由SJA1000进一步转发到CAN节点，并将由控制器接受的来自节点的数据和状态信息送到双口RAM。同时在程序开发中还包含对89C52的初始化，双口RAM的初始化以及SJA1000的初始化。SJA1000初始化主要是指设置模式、总线时序、中断使能、屏蔽码和ID信号，这些设置是通过对芯片的内部寄存器赋值来实现的，如表中SJA1000寄存器初始化参考。

5 小结

现场总线在实践教学中的应用 篇7

关键词：现场总线,基金会现场总线,实验系统,实践教学

现场总线 (Fieldbus) 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向, 在控制领域中具有广阔的应用前景[1]。作为控制理论与控制工程专业学习的一个重要环节, 过程控制实验的重要性不言而喻, 尤其应该学习使用新型的先进技术进行控制实验。为此将现场总线技术引用到自动化类专业实践教学中[2], 开发现场总线实验系统, 为学习、研究现场总线及相关课程实践教学提供良好的实验平台。

1 实验系统总体设计

结合专业特点和实际教学需求, 从教学及科研角度出发, 以实际应用为目标, 并适用对象控制方法调节效果的研究, 模拟工业现场, 可组合多种控制对象。被控对象选取在工业控制中广泛存在且具有代表性的液位、流量、压力、温度这四大变量为测控变量。设计的实验系统中控制回路包含企业生产现场常用的典型控制:单回路控制和串级控制。选用现场总线技术中具有代表性、权威性、颇具发展前景的基金会现场总线 (Fundation Fieldbus, FF) 来开发实验系统, 作为学习研究的对象[3,4]。系统以FF现场总线为骨架、以工控机为核心、FF现场总线产品构建而成。所有现场仪表都是一个网络节点挂接在总线上, 拓扑结构是总线形式[5]。实验系统分为现场总线和现场实验装置两部分。装置结构示意图如图1所示。

实验装置主要构成:冷水箱 (E-1) , 热水箱 (E-2) , 冷热水混合水箱 (E-3) , 储水箱 (E-4) , 加热水箱 (E-5) ;水泵P-1和P-2;电加热器和调压模块;电动阀和手动阀及其他相关配件。储水箱上面设有金属滤网, 过滤杂物, 以免堵塞管道。除加热水箱采用不锈钢外, 其他水箱采用有机玻璃, 透明、便于直接观察液位的变化和记录结果[6]。图1中T, H为水箱的温度、液位, FT为管道流量, Fd, Td为干扰水流的流量和温度, u为控制量。系统现场总线部分采用总线供电方式, 即电源线和信号线共用一对双绞线。现场总线信号在全网络中都被特殊保护, 为减小干扰, 现场总线电缆被屏蔽, 且电缆的屏蔽沿着电缆的整个长度仅在一点接地[7]。

为提高系统的安全性, 防止通信错误或错误操作所带来的破坏, 采用一些保护措施。如系统中挂接安全栅, 使全系统具有本质安全特征[8]。所有水箱采用溢流管道, 防止水从箱内漫出。为防止加热水箱无水或水位过低造成电加热器干烧损坏, 设低水位保护, 保证安全。

2 系统软、硬件配置

系统软件主要由组态软件SYSCON、监控软件AIMAX、现场总线设备级维护软件FBTools等组成。系统以AIMAX为系统开发应用平台, 通过接口驱动SYSCON, 将现场总线控制系统 (FCS) 、现场总线仪表有机地连接成一个整体, 完成控制系统的数据采集和监控。

系统的现场仪表、现场总线过程控制接口卡 (PCI) 、其他现场总线控制系统的辅助设备等都选用在开发、生产及应用现场总线技术产品方面始终处于全方位领先地位的美国SMAR产品[5]。SMAR现场智能仪表均内置有许多功能模块, 控制功能通过仪表内功能块组态实现。在进行FCS硬件配置之前, 先拟订控制方案及需要测量指示的变量, 以及系统中可以组成的控制回路。系统中需要测量指示的变量有:冷、热水箱进水流量指示, 各水箱温度、液位指示。可以组成的控制回路有:

简单控制:液位单回路控制, 加热水箱温度控制;

复杂控制:混合水箱E-3的液位与冷水箱E-1或热水箱E-2的液位, 可分别构成液位-液位串级控制;混合水箱的液位与热水箱或冷水箱的进水流量分别组成液位-流量串级控制;混合水箱温度与冷水箱或热水箱的进水流量可分别组成温度-流量串级控制等。根据控制方案及FCS容量要求, 进行FCS硬件配置:系统主要由一台工控机, 一块PCI卡, 4块现场总线 (FF) 温度变送器TT302、7块现场总线 (FF) 差压变送器LD302、4块现场总线 (FF) 电流转换器FI302, 4个安全栅SB302、终端器BT302、电源PS302等有关的辅助设备组成。FCS硬件配置如图2所示。

3 系统的特点

该实验系统规模虽小, 功能很全, 具有较大的柔性, 具有以下主要特点:

(1) 系统总线技术先进。系统总线是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计、应用非常广泛的FF现场总线。它能满足对时间要求苛刻的使用环境, 能适应本质安全防爆的要求, 可通过传输数据的总线为现场设备供电[3]。

(2) 互操作性强。FF通信协议特有的用户层中规定了标准功能模块, 实现基本控制功能。这些功能块内装在各种现场设备中, 使各种现场设备之间很容易实现互操作, 有利于系统的扩展[4]。而且它还可通过柔性功能块对上述的标准功能模块进行扩充, 这个技术优势可以说是很多总线技术欠缺的。

(3) 用户有高度的系统集成主动权且组态方便灵活, 即插即用[9]。可根据用户实际应用情况, 组态成不同规模不同形式的系统, 方便进行工业企业中大多数典型工艺中自动化及过程控制任务的实验模拟和方案验证。

(4) 具有代表性。系统中的控制回路包含企业生产现场常用的典型控制, 针对性强;测控变量在工业中具有一定代表性, 实验的实用价值高;产品选取FF智能仪表先锋即SMAR仪表, 具有代表性[5]。

(5) 过程控制系统丰富。利用实验装置和所装备的控制设备, 可提供众多的从简单到复杂、从常规到高等的过程控制系统实验。

(6) 系统功能多样, 集教学、科研、培训、交流于一体, 节省费用。

4 系统应用

该实验系统已用于本科生实验教学、课程设计、毕业设计, 研究生、教师从事现场总线技术应用研究, 还用于与兄弟院校、科研机构和企业等进行现场总线技术的交流与培训。根据系统特点, 系统可为现场总线、过程控制、自动检测技术及仪表、现场总线的研究及相关产品的开发等多门相关课程的实践教学及科研服务[8]。

(1) 现场总线。

依托该实验系统更直观地理解掌握现场总线的基本构成及通信特点, 现场总线仪表构成、原理、功能及接线, FCS系统的组态原理及方法、下装与在线调试;监控软件的使用包括流程图绘制、数据库组态、报表、趋势组、报警组的生成等。以此系统为借鉴学习开发工业FCS系统。为现场总线在理论研究中进行理论验证、实验研究和在线仿真、模拟现场生产过程等提供平台。

(2) 过程控制。

功能块技术使系统的现场总线部分, 具有较大的柔性, 组态灵活, 扩展性强。用户通过对功能模块进行灵活连接可实现多种控制策略[9]。通过选择不同的输入信号和输出信号即可组成不同的控制回路, 实现多种控制方式。不仅可以模拟和验证工业现场中实际的自动化控制方案, 进行控制算法研究和多种自动控制实验;而且容易组态成不同规模、不同形式的系统, 用于实现液位、压力、流量、温度等典型对象的简单和复杂控制[10]。如液位-液位串级控制系统, 不须改变硬件连接, 只需通过软件组态即可改为液位、液位单回路控制或液位-流量串级控制等。

(3) 自动检测技术及仪表。

实验装置的传感器或变送器输出的信号均送到现场总线的节点, 可开设部分自动检测实验:

热电偶、热电阻性能测试实验;传感器动态性能测试实验;压力测量及校验;数据采集技术的研究等。

(4) 网络技术。

FCS是以网络为基础的计算机系统。各种不同的设备挂接在网络上协调工作, 数据和信息共享, 共同完成各种控制及管理功能。因此, 可在该FCS 系统上开设一些简单的网络通信实验。

(5) 现场总线技术研究及相关产品的开发。

系统为学生毕业设计和课程设计、科技活动、现场总线应用研究与产品开发提供了良好平台, 对科研能力的培养起到重要作用。在系统上可模拟完成多种被控对象的计算机控制, 通过在系统上的训练, 能够较完整地掌握计算机控制系统的设计方法, 并利用系统进行现场总线通信、现场总线设备、控制软件、组态软件和应用软件的研究与测试, 为开发自主的现场总线智能前端控制设备、检测设备、调节设备等产品、先进的智能控制技术在现场总线控制系统中的应用研究等提供实验平台[7]。

5 应用示例

下面以系统中包含的典型控制中的串级控制为例, 介绍如何使用现场总线实现回路的控制。

混合水箱E-3和热水箱E-2的液位可组成液位-液位串级控制;混合水箱的液位调节作主回路, 热水箱液位调节作副回路;回路的现场仪表有两块LD302、一块FI302。LD302为液位测量及信号输入, FI302将现场总线信号转换成电流信号, 送至调节阀V-2。需要的功能块有两个AI模块, 位号分别为LT01、LT02, 分别来自两个LD302;两个PID模块, 位号分别为LIC01, LIC02, 其分别来自位号为LT01的LD302和FI302;一个AO模块来自FI302, 其位号为LY01。利用组态软件SYSCON进行系统组态, 主要包括设备组态、模块组态、参数组态。这是形成应用系统的关键步骤, 其重要内容是控制策略组态, 而控制策略组态是通过对仪表内功能块组态实现。该回路控制的功能块连接如图3所示。

组态完毕, 通过PCI卡, 按照设定的地址, 下装到挂接在通道上的现场总线仪表中, PCI作为“Master”, 现场总线仪表便在“Master”的调度下实现网络通信, 进行数据采集和控制, 且可通过对参数的在线调试, 使系统控制达到最佳。通过系统应用示例看出, 利用现场总线进行系统控制简单、方便, 不须改变硬件连接, 只需通过软件组态在不同节点间建立连接, 使现场的实时数据在不同的功能块间传输, 即可组成各种控制应用。

6 结 语

将现场总线应用到实践教学, 不但能更好地学习掌握现场总线, 而且有利于现场总线的应用研究和发展, 有利于开发出自主的现场总线产品。该实验系统不仅为有关现场总线的教学和科研等提供了很好的实验平台, 也为开发工业现场总线控制系统提供了借鉴和实践场所, 具有很大的借鉴意义和应用价值。

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现场总线的教学设计 篇8

数控系统的网络化发展要求其控制接口由模拟、脉冲方式向总线方式转变[1,2,3]。现场总线支持数据双向传输,可简化线缆,具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强等优点,实时性和可靠性较高,适合数控机床发展对高速、高精度加工的要求[4]。

在现场总线技术发展过程中,对其性能评价、实时性等的研究一度成为热点[5,6,7,8],而对于现场总线时钟同步的研究却较少,这使得现有的时钟同步协议都存在不同程度的问题。常用的时钟同步协议主要有两种[9]。一种为网络时钟协议NTP。NTP用于一台计算机与一个时钟源的时间同步。这种同步方法简单,适合于计算机网络的时间同步,但同步精度较低,一般在毫秒级。另一种网络时钟同步协议为IEEE1588。IEEE1588是将分散在测量和控制系统内的分离节点上独立运行的时钟同步到一个高精度和高准确度的协议,但该协议实现复杂,占用通信带宽大。

数控系统中的通信网络具有特殊性,即为一主多从,主站为CNC,从站为伺服驱动器或I/O设备,网络拓扑具确定性。通信具有实时、周期性等特点。基于以上通用现场总线时钟同步存在的问题和数控系统通信的特点,笔者开展了现场总线时钟同步方面的研究,以提高数控系统中各设备的时钟同步精度和效率,进而提高数控系统的加工精度。

1 数控系统同步通信需求

基于现场总线的数控系统结构如图1所示。现场总线分为主从端两个通信设备,主设备以板卡的形式插入CNC中,从设备一般直接集成在伺服驱动器或I/O的硬件板上。CNC的命令通过现场总线发给指定的伺服驱动器或I/O;伺服驱动器或I/O的响应也通过现场总线传递给CNC。

在进行机床加工时,CNC中的插补器按照固定的插补周期(如1ms),将被加工的空间曲面分解成离散的位置插补点(平面曲线形成的插补点如图2所示),然后将位置插补点的各轴分量分别发送给各进给轴的伺服驱动器,各进给轴伺服按照指定的位置指令运动,最终合成所需要的空间曲线。为了控制调节或监测,各进给轴的相关信息也要上传给CNC。插补位置命令和进给轴的位置反馈要满足同步实时(第三类实时:通信周期小于1ms,同步抖动小于1μs [7])的要求。

如果各轴间不能精确同步,则会出现空间位置点的偏移。如图2所示,加工路径由空间插补点a、b、c代表,如果在第2个控制周期通信的过程中,轴x和轴y没有精确同步,即点b(xb,yb)的x轴分量xb和点y轴分量yb没有同时生效,产生了时间差,则空间点b就偏到了点d。

在数控加工中,刀具在工件表面所走过的路径(刀具路径)至关重要,因为被加工工件的轮廓误差主要取决于刀具路径[10],所以为了满足数控系统对高精度目标的不断追求,必须提高面向数控系统应用的现场总线通信的同步精度。

2 数控系统现场总线时钟同步协议

数控系统通信的网络结构在系统设计时确定,正常工作时不发生变化,所以主站与各从站间的通信延时也是确定的。基于此,本文设计了较为简单高效的现场总线时钟同步协议。

该协议分为从站通信延时测量和时钟同步两部分。从站通信延时测量由主站发起,主要完成主站到各从站间通信延时时间的测量,并将该延时作为参数通知给相应的从站。从站通信延时测量只在通信连接建立前进行,一旦测量完成,在网络结构不变的情况下,此通信延时不会变化,所以在后续的通信过程中可以一直使用。时钟同步也由主站发起,周期性地校对各从站的时钟,使各从站的时钟能准确高效地与主站时钟同步。

2.1从站通信延时测量

如图3所示,从站通信延时测量分为两个阶段。第一阶段为延时测量,主站向从站发送一个请求帧(REQ),帧内容为请求延时测量,同时记录下主站发送时刻T1。从站接收到请求延时测量帧后发送应答帧(ACK),内容为延时测量应答。主站接收到延时测量应答帧后,记录下接收时刻T2,所以主站到从站的单向通信延时Tdelay=(T2- T1)/2。第二阶段为延时通知,主站向从站发送通知帧INFO,帧内容为测量并计算出的从站通信延时信息,从站接收到通知帧后解析出主站到从站的通信延时,将其作为以后时钟同步时的校准时钟。

2.2时钟同步

时钟同步过程如图4所示,主站在周期通信的开始,发送一个广播的同步帧(SYNC),同步帧内容为同步帧发送时刻的主站当前时间,每个从站接收到同步帧后,从中读出主站发送该同步帧时刻的时间,并根据前阶段测量到的通信延时,计算出当前时间,然后对各自的时钟进行校准。由于同步帧中只含有一个时间,帧长度小,且同步帧的广播不需要从站应答,所以时钟同步过程占用的通信带宽极小。因此可以在每个通信周期中都进行时钟同步,从而能够提高各站的时钟同步精度。

3 数控系统现场总线时钟同步机制设计

基于上述时钟同步协议的时钟同步机制的设计,主要包括通信模型的建立、主站通信调度过程和从站的实时数据交换三个方面。

3.1通信模型

本文的时钟同步通信模型如图5所示。采用一主多从、主从问答的通信方式。一个主站为CNC,从站为多个伺服驱动器、主轴驱动器或I/O板卡,主从之间使用一问一答的方式进行通信,主站从从站的应答协议帧中获取通信状态信息(数据收发是否错误等)。在工业自动化领域,为了减小布线成本,星形拓扑结构逐渐被环形和菊花链所替代,本文设计采用菊花链拓扑结构,即每个从站有两个通信接口,依次相连。每个从站除了作为通信主体外,还采用交换技术对其他站的信息进行实时转发。

本文设计的通信协议栈分为3层,分别与开放系统互连标准(open system interconnection,OSI)的物理层、数据链路层和应用层等价。物理层采用标准百兆以太网物理层;数据链路层利用电子辅助设计技术设计专用的通信数字逻辑电路,实现同步实时调度;应用层建立面向数控系统应用的实时和非实时通信实体[11]。时钟同步通信协议通过主站数据链路层的同步实时调度和从站数据链路层的实时数据交换实现。

本文的设计基于时槽通信网络管理(SCNM)的主从调度机制,通信时序如图6所示。网络中有一个主站(MN)和多个从站(SN1、SN2、…)。主站负责管理整个通信周期的调度。通信周期划分为3个阶段:时钟同步阶段、实时通信阶段和非实时通信阶段。在时钟同步(start)阶段,主站首先广播一个同步帧(SYNC),通知每个从站进行对时,并准备开始实时通信;在实时通信(real-time)阶段,主站依次与每个从站进行问答式通信,即发送命令数据(CMD),接收响应数据(RSP);最后是非实时通信(non-real-time)阶段,主站根据需要与某个从站进行非实时数据的交换。

3.2主站调度模型

主站负责控制整个通信的时序,本文设计的主站数据链路层调度模型如图7所示。整个模型由含有10个状态的有限状态机构成,每个状态负责不同的通信功能。图7中符号含义如下:空闲等待状态IDLE、延时测量请求状态REQ、延时测量应答接收状态ACK、从站延时通知状态INFO、错误或超时状态ERR、时钟同步状态SYNC、发送命令状态CMD、接收响应状态RSP、异步开始状态SOA、异步数据交换状态ASND。

整个通信过程分为2个阶段:延时测量阶段和周期通信阶段。

主站在和每个从站进行周期通信前,要建立通信连接。建立通信连接时进行从站通信延时的测量,测量过程如下:

上电后主站为空闲状态IDLE,因为和从站没有连接,所以进入延时测量请求状态REQ;①在REQ状态,向从站发送延时测量请求帧,然后进入延时测量应答接收状态ACK;②在ACK状态,等待接收从站的延时测量响应帧,如果接收正确,则进入延时通知状态INFO,否则进入错误处理状态ERR;④在INFO状态,向从站发送延时通知帧,然后进入周期通信阶段。

在ERR状态,处理通信错误,进入空闲状态,试图进行下次通信连接。

通信连接建立后,即进入周期通信阶段,在此阶段主站与每个从站进行对时和周期性的数据交换,具体运行过程如下:①在SYNC状态时,广播同步对时帧,然后进入给从站发送命令状态CMD;②在CMD状态,给特定的从站发送命令数据,然后进入接收响应状态RSP;③在RSP状态,等待接收从站的响应数据,如果异步通信时间到,则进入异步通信开始状态SOA,如果异步通信时间未到,接收正确则进入命令发送状态CMD,进行下一个从站的命令发送,接收错误则进入错误处理状态ERR;④在SOA状态,发送异步通信开始帧,然后进入异步通信状态ASND;⑤在ASND状态,主站与某个从站进行非实时的数据交换,然后进入SYNC状态,重新开始下一周期的通信。

3.3从站实时数据交换

由于整个系统的网络采用菊花链拓扑结构,为了保证对时的精度,要求从站的数据交换满足实时性和确定性。本文设计的从站由A口到B口的实时交换原理如图8所示,由含两个状态的状态机组成。状态机的具体工作过程如下:判断A口的接收队列是否为空,如果A口接收队列为空时,状态机进入空闲状态IDLE,在此状态下,只是等待接收A口数据,不产生其他动作;如果A口接收到数据,即A口的接收队列不空,则状态机切换到转发状态RELAY,在此状态下,将A口接收队列中的数据读出,同时写入B口发送队列和数据帧缓冲区队列,从而实现了数据的实时转发和接收。

4 实验

依据本文设计的时钟同步机制所开发的现场总线,已应用到高精数控公司的数控系统产品中,以下给出实验环境的搭建、实验结果及分析。

4.1实验环境搭建

实验中,一个主站CNC连接4个从站伺服驱动器。现场总线的主站端板卡插入PC机的PCI插槽中,从站端直接在伺服驱动器中实现。站间采用100M屏蔽双绞线连接,主站与第一个从站的间距为10m,从站的间距为1m。实验中使用四通道存储记录仪,对被测设备的周期中断信号进行采集。一个通道接收CNC的通信芯片中断信号,另一个通道接收伺服中的通信芯片中断信号。各设备的具体参数如下:

(1)CNC。Intel Pentium 4 CPU 3.00GHz、1.00GB RAM,操作系统版本为Ubuntun-8.04,数控系统软件版本为emc2_2.3.2,插补周期为1ms。

(2)伺服驱动器。GJS015ADA SERVO,TMS320LF2407A DSP 16位,40MHz。

(3)现场总线。通信数据帧长度80字节;物理层为标准百兆以太网;通信主站端板卡与数控系统控制器接口为PCI(频率为33MHz,数据宽度为32位);通信从站端与伺服驱动器的DSP采用并行总线接口(频率为40MHz,数据宽度为16位)。

4.2实验结果及分析

实验中采用2种方案对时钟同步性能进行测试。

第一种方案是进行同步性测试。具体测试过程如下:在主站和从站建立通信连接的情况下(此时为周期通信的起始阶段,主从站进行时钟同步),使用存储记录仪记录10min的测试结果,图9为部分截图。从整个测试结果中看出主从站能够有效同步(2个中断信号一直对齐)。

然后将主站和从站的通信连接断开(此时主从站自由运行,时钟不进行同步),观察2个中断信号的对齐情况。肉眼能观察到主从站时钟不能同步(2个中断信号发生缓慢偏移)。

产生上述现象的原因在于,主从站无通信连接时,主站和从站都基于各自的时钟运行,2个时钟的物理精度差异造成了各自内部计数器的偏差,所以表现为中断信号缓慢偏移。而当主从站有通信连接时,主站会在很短的时间内给每个从站对时,使得所有从站的时间都能与主站同步,补正了不同时钟的物理精度不同造成的计数器偏差,所以表现为中断信号一直对齐。

另一种方案是进行时钟同步精度测试。具体测试过程如下:长时间记录并比较2个中断的下降沿(中断信号为下降沿有效),图10为实验数据的部分截图。通过数据可以看出同步抖动非常小(范围在60ns以内)。同步精度高的原因在于,虽然主从站的时钟会由于各自的物理精度差异造成时钟计数偏差,但在一个通信周期内,此偏差还没有累计很大时,主从站就进行了时钟同步操作,从而消除这个偏差,因此使得主从站的时钟都能以一个较高的同步精度运行。

5 结论

(1)数控系统中通信站点的时钟同步性对数控加工精度有重要的影响。

(2)根据数控的特性,设计了较为简单高效的现场总线时钟同步协议。

(3)所设计的时钟同步协议简单有效,具有良好的同步性,同步精度高。

本文设计的时钟同步协议具有实现简单、占用通信带宽小等优势,为在数控系统中的应用需求提供了更好的支持。

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现场总线的教学设计 篇9

现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线。现场总线 (Fieldbus) 是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络, 是现场通信、计算机技术和控制系统的集成。现场总线的节点是现场设备或现场仪表, 如传感器、执行器和编程器等。但不是传统的单功能的现场仪表, 而是具有综合功能的智能仪表, 例如温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能, 而且具有PID控制和运算功能, 它具有通信功能, 并存贮7层 (有的3层) 协议, 现场设备具有互换性和互操作性, 采用总线供电。现场总线不单是一种通信技术, 也不仅仅是数字仪表代替模拟仪表, 关键是用新一代的现场总线控制系统FCS (Fieldbus control system) 代替传统的DCS (Distributed control system) , 实现了现场通信网络、计算机技术与控制系统的集成。

2 PROFIBUS总线的设计原理及特点

PROFIBUS是Process Fieldbus的简称。PROFIBUS由三部分组成:PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification现场总线报文规范) ;PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery分散型外围设备) ;PROFIBUS-PA (ProcessAutomation过程自动化) 。PROFIBUS遵循ISO/OSI模型, 其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。三种系列的PROFIBUS均使用单一的总线存取协议, 数据链路层采用混合介质存取方式, 即主站间按令牌方式, 主站和从站间按主从方式工作。三种系列的PROFIBUS很容易集成在一起, DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议, 因而这两套系统可在同一根电线上同时操作;PA和DP之间使用分段偶合器能方便地集成在一起。PROFIBUS-PA采用总线供电, 支持防爆要求。

2.1 Profibus协议结构

Profibus协议结构是根据IS07498国际标准, 以开放式互连系统OSI (OpenSystem Interconnection) 作为参考模型。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行, 直接数据链路映像 (DDLM) 为用户接口提供第二层功能映像, 用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能。

Profibus-DP使用了第一层、第二层和用户接口层。第三到第七层未使用, 这种精简的数据结构确保高速数据传输。直接数据链路映像 (DDLM) 为用户接口提供第二层功能映像。用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能, 以及各种设备类型的系统和设备的行为特性。

Profibus-FMS定义了第一、二、七层, 应用层包括现场总线信息规范 (FMS, Fieldbus Message Specification) 和底层接口 (LLI, Lower Layer Interface) 。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

Profibus-PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。另外, PA还描述了设备行为的PA行规。根据IEC 1158-2标准, PA的传输技术可确保其本征安全性, 而且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。

2.2 Profibus的特点

总线存取协议三种系列的Profibus均使用单一的总线存取协议, 数据链路层采用混合介质存取方式, 即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作。得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作, 这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据, 并且任一个主站在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权, 这就完全避免了冲突。这样的好处在于传输速度较快, 而其它一些总线标准则采用的是冲突碰撞检测法, 在这种情况下, 某些信息组需要等待, 然后再发送, 从而使系统传输速度降低。

灵活的配置根据不同的应用对象, 可灵活选取不同规格的总线系统, 如简单的设备级的高速数据传送, 可选用Profibus-DP单主站系统, 稍微复杂一些的设备级的高速数据传送, 可选用Profibus-DP多主站系统, 比较复杂一些的系统可将Profibus-DP和Profibus-FMS混合选用, 两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作, 而无需附加任何转换装置。

3 基于PROFIBUS的锅炉控制系统

3.1 系统结构

锅炉装置是工业领域广泛存在的重要动力设备, 其控制系统组成及控制方案也极具代表性, 有液位、流量、压力、温度等控制参数, 有常规PID、串级、前馈、以及先进控制、智能控制等。但由于大多锅炉仍然采用传统的控制模式, 导致锅炉效率低下, 环境污染严重, 安全系数不高。在大多总线实验室, 以工业锅炉为监控对象, 采用Profibus现场总线技术、结合优秀的组态软件等关键技术, 设计工业锅炉的控制系统并开展相关技术的研究。

系统由操作站、工程师站、控制站、监控对象组成。其中, 操作站用于在系统运行时执行人机界面组态程序;工程师站用于在系统组态时对控制器控制程序的编制、下载, 以及对操作站人机界面程序进行修改、编辑;控制站作用是接受操作站指令, 按下载到控制器中的控制程序对被控对象进行控制;监控对象为20t/h供热锅炉。。

3.2 锅炉工艺原理

工业锅炉主要用于工业生产和采暖, 所产生的蒸汽量不是很大, 一般是过热蒸汽和饱和蒸汽。锅炉设备分为本体和辅助设备两大类。本体设备包括: (上、下) 汽包、对流管束、下降管、水冷壁、 (上、下) 联箱、蒸汽过热器、减温器、省煤器、空气预热器、燃烧室、火嘴等。辅助设备包括:通风设备、给水设备、除尘设备和锅炉附件等。图1为锅炉的工艺流程示意图。

蒸汽生产主流程为:除氧器V 102用蒸汽将系统外送来的软水热力除氧后, 用高压泵P101抽出作为锅炉用水。锅炉给水中一部分经减温器加热后与另一部分混合进入省煤器, 被烟气加热为228℃的饱和水进入上汽包。上汽包中的热水由对流管束流到下汽包, 再提供下降管、下联箱进入水冷壁。吸收炉膛辐射热后成为汽水混合物, 经上联箱进入上汽包进行汽水分离。上汽包分离出的饱和蒸汽经过热器低温段、减温器、过热器高温段后, 成为448℃、3.77Mpa的过热蒸汽供用户使用。

燃烧系统流程为:来自外部的高压燃气在气罐V101中经稳压送入火嘴。燃烧用空气由鼓风机P102升压后送入燃烧室, 送风量的大小根据烟气含氧量AI101由鼓风机挡板HV101来调整。在燃烧室内经蒸汽过热器、上升管、对流管束、省煤器等, 被逐步吸收热量, 温度逐渐降低, 最后经引风机P103送入烟囱, 排入大气。

3.3 系统的主要任务

锅炉运行的好坏很大程度上决定着整个锅炉运行的安全性和经济性。操作人员必须经常对锅炉进行维护, 及时而准确地进行调节。运行中对锅炉进行监视和调节的主要任务是: (1) 均衡给水, 保存锅炉正常水位; (2) 汽压、汽温稳定在规定的范围; (3) 维持经济的燃烧, 尽量减少损失, 提高锅炉的热效率; (4) 使锅炉的蒸发量随时适应外界负荷的变化, 防止锅炉超负荷运行; (5) 监视锅炉各设备部件, 使之保持良好的工作状态。

4 系统软件设计

4.1 实时监控画面功能实现

实时监控画面如图2所示。

在实时监测画面中, 可以监测各个被检测变量的瞬时值变化, 以及累计量的变化, 并且可以通过点击清零按钮对累计量清零。通过锅炉汽包水位动态效果图, 可以形象地监测锅炉汽包水位控制系统各个变量的实时变化状态。当有报警信息时, 报警指示灯将变成红色闪烁, 点击报警信息, 则可进入报

图6实时数据曲线界面警信息浏览画面查看报警的具体参数。如图3所示。

4.2 参数初始化画面功能实现

在参数初始化窗口中, 将对各个监测变量的量程范围、及各个PID控制回路的PID参数进行初始化赋值, 如图4所示。初始化的参数值通过设备连接与从机地址相对应, 如图5所示, 对应的数据对象分别为检测变量的量程上、下限, 各个PID控制回路的参数初始化值, 图中通道类型为从机 (PLC) 变量存储单元地址, 然后利用主机与从机的通讯功能, 当主从机通讯时, 将初始化好的数据写到从机 (PLC) 对应的存储单元中, 实现参数的在线修改。

4.3 实时数据曲线功能实现

监控软件中实现了各个监控变量的实时数据的曲线显示, 点击实时曲线菜单, 可以选择不同变量的实时曲线显示, 在曲线窗口中, 可以改变X轴 (时间轴) 的长度, 来查看不同时间条件下的实时数据曲线, 如图6所示。

5 结语

本系统根据锅炉控制的特点, 设计了基于PROFIBUS的现场总线控制系统, 该系统使锅炉控制系统具备了数字化、全分散及全开放等优点, 具有较好的实用性和移植性。

摘要：锅炉作为工业生产的重要设备之一, 实现其自动化控制是经济发展的必然趋势。本文提出了一套基于PROFIBUS的锅炉现场总线控制, 该方案不仅包括了各种回路自动控制、数据自动采集、实验报表的自动生成设计, 还包括了上位机操作站和现场控制单元的功能组态实现。

关键词：现场总线,PROFIBUS,锅炉控制

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现场总线的教学设计 篇10

1 吊车共用控制系统设计思路

吊车控制系统可分为前端控制系统和后端控制系统两部分(见图1),前端控制系统一般由电动机、制动器、测速编码器、行程开关等组成,是完成吊车起升、平移动作的前端拖动控制设备;后端控制系统一般由上位机、PLC、变频器、接触器、继电器等组成,是完成吊车各项控制功能的后台支持设备。前端控制系统安装于吊车的机械结构上,而后端控制系统可安装于吊车机械结构上,也可以集中设置于地面控制间内。联系前、后端控制系统的桥梁是传输电缆,包括低压控制电缆和高压动力电缆。

同一厂房内多台吊车如果独立控制,则其前端控制系统和后端控制系统都需要独立配置。由于前端控制系统设备安装于吊车机械结构上且分布于厂房的不同车间,多台吊车之间无法共用,能实现共用的只能是后端控制系统,因此多台吊车共用控制系统的设计,关键是设计一套后端共用的控制系统。吊车控制系统通常应具备良好的调速性能以满足不同的工作需求,目前吊车调速方式主要有直流调速、交流变极调速、交流变频调速3种方式,以交流变频调速的综合性能最佳[3]。为使控制系统线路简单、监控直观、功能强大,本文选择基于上位机、下位机和交流变频器的变频调速控制系统模式,其中上位机选择工控机,下位机选择PLC,所有通讯设备均以Profibus-DP现场总线协议实现高速数据通讯。工作时根据统一的公共指令输入终端和分散的就近指令输入终端输入操作指令,由共用的核心控制部件PLC进行逻辑运算后控制变频器,再由变频器驱动电动机和制动器动作,从而完成指定的吊车机构的启动、制动和调速,同时控制系统采集全部吊车的运行参数在上位机上进行显示,并实现全部数据的归档查询、事件报警和故障诊断等功能。

2 共用变频调速控制系统设计

吊车变频调速控制系统中上位机、PLC、变频器等均属于价格昂贵的设备,尤其是变频器与吊车每个机构一一对应,一般数量较多,为此根据实际情况本文设计给出两种共用控制系统模型,实现多台吊车控制系统的资源共用和信息共享。

2.1 完全共用控制系统

如果工作流程决定了多台吊车之间是串行工作的,即同一时刻只有一台吊车工作,且多台吊车之间各机构一一对应,或者多台吊车中对应的相同机构不会同时工作,那么控制系统可以采用完全共用控制系统模型,如图2所示。

该共用控制系统模型中除了上位机、PLC可以共用一套外,同一机构对应的变频器也可以实现共用,例如多台吊车的主起升机构共用一台变频器,副起升机构共用1台变频器等。变频器驱动的电机对象通过选择开关进行切换选择,以驱动多台吊车的其中1台或其中1个机构动作。此外选择开关还要实现对应电机的制动器、测速编码器的同步切换选择,以实现变频器对制动器的控制和对编码器的测速反馈。这种完全共用控制系统设备配置精简,可以实现一套后端控制系统多台吊车共同使用的目的。选择开关由PLC程序控制下的中间继电器和接触器协同工作实现,为保证控制对象的唯一性,选择开关之间应具备互锁关系,这种互锁关系可以从硬件上实现,也可以从软件上实现,但硬件实现起来成本高,接线复杂,检修维护困难,而且当选择对象较多时选择开关实现困难,可靠性不高;而通过软件方式实现起来简单易行,只需选用普通的接触器、继电器并编制简单的PLC控制程序即可,可靠性高。需要指出的是,图2中的选择开关切换可以是联动的,也可以是独立的,即所有变频器可以从一台吊车的所有机构同步切换至另一台吊车的所有对应机构上,也可以只切换其中部分变频器。

吊车控制时可以在后端的上位机上进行软件操作,通过软件界面选择某一台吊车及其对应的机构(如主钩、副钩等)和速度档位,一般由于后端远离现场,需要操作人员和现场指挥人员协同工作,适合危险现场人员不便靠近的情况;也可以根据需要在每台吊车的工作现场设置就近手控盒,每个手控盒均通过ET200M扩展终端接入Profibus-DP网络,利用手控盒就近操作直观,尤其适合精度较高的对接操作。采用完全共用控制方案时,通过软件的安全设计要保证控制对象的唯一性,保证吊车运行中不得切换控制对象,即便操作错误也可以进行报警提示和差错屏蔽。

2.2 部分共用控制系统

如果多台吊车之间并行工作,则后端控制系统中的变频器不可共用,每台吊车的每个机构需要分别独立配置,包括与电机配合工作的制动器、测速编码器等也需要独立配置,后端控制系统的其他设备如上位机、PLC等仍可以共用,即部分共用控制系统模型见图3。工作时可在上位机上进行集中操作控制,这需要同一名操作人员操作多台吊车,对操作人员的要求很高,可靠性不高;可以在每台吊车工作现场需设置一个近控盒,以ET200M有线接入或者通过西门子红外链路模块[4]以无线方式接入Profibus-DP总线,每台吊车由对应的操作人员使用近控盒操作,多台吊车可以同时独立工作,互不影响,便于现场安全。

2.3 共用控制系统的共同问题

在矢量控制或者直接转矩控制时为实现变频器对电动机的精确控制,系统调试时需对电动机进行参数辨识[5,6]并在变频器中存储辨识结果。采用完全共用控制方案时,由于同一台变频器要在不同的时间段驱动不同吊车的电机,如果多台电机是型号、性能参数完全相同的,则只需对其中一台进行参数辨识和存储即可,切换控制电机时变频器中参数设置无须更改;如果多台电机参数存在差异,那么切换电机前后变频器中电机参数设置也应该相应改变。参数重置可以通过程序读写完成,目前很多变频器(如SEW、ABB)都支持PLC读写内部参数设置,以PLC与SEW变频器通讯为例,可以设置通讯字结构为“Param+3PD”形式,每次可以读写7个字长的数据,如果一次不能读写完所有参数,可以在多个PLC的扫描周期中完成。因此在控制系统调试时先将每台电机参数辨识的结果存储到PLC的程序数据块中,之后工作时根据变频器选择的电机对象,由程序自动将对应的电机参数通过Profibus-DP网络通讯方式写入变频器中。由于变频器在线切换电机时会对电网、电机及变频器产生冲击[7],因此为保证吊车操作的安全性,电机切换应在机构处于停车状态且关闭变频器输出情况下进行,具体流程如图4所示。

部分共用控制系统中由于变频器是每个吊车机构独立配置的,因此不需要切换控制电机,但除了需要进行辨识的电机参数外,变频器中需要设置的参数多达几百至上千个,其中涉及电机启动制动时间、加减速斜率、电流限幅、滑差补偿等,这些参数不仅影响吊车的安全运行还影响控制系统相关电器元件的设计选型。为了更好设置变频器相关参数,可以利用电机参数辨识的结果并借助Matlab软件中simpowersystems工具箱对交流异步电动机的控制进行建模仿真[8],仿真结果对控制系统设计、电器选型、变频器参数设置可以起到良好的参考指导作用。

不论是采用完全共用控制系统还是部分共用控制系统,当吊车工作现场有防爆要求时,一律将共用控制系统后端设备集中置于非防爆区,与现场防爆区隔离开来,这样不仅降低了对控制系统防爆性能要求,节约经费,而且由于大部分控制设备集中放置于地面控制间,方便初期安装调试和后期检修维护。

3 控制系统网络配置

共用变频调速控制系统采用Profibus-DP现场总线实现控制指令的发送和过程数据的采集,各通讯设备包括上位机、PLC-CPU、ET200M、变频器之间采用屏蔽双绞线串联、以DP插头接入,处于线型网络的两端设备DP插头的终端电阻设置为“ON”,其余置于“OFF”。由于Profibus-DP总线协议的物理层是RS485标准,因此当PLC与现场近控终端ET200M的距离一般较远时,可加装RS485网络中继器以延长两节点间通讯距离,典型的两台吊车共用控制系统网络拓扑结构如图5所示。虽然在通讯时PLC与其他设备之间存在主从关系,但是在网络结构上各设备地位均等,站点通讯地址可自行分配,一般上位机地址默认为0或1(上位机采用工控机时为0,采用触摸屏时为1),PLC地址默认为2,其他机构的变频器可以依次连续分配,RS485中继器不占用站地址。采用西门子PLC时Profibus-DP总线协议最高通讯速率可设置为1.5 Mb/s,实际应用时为保证网络的正常运行可适当降低通讯速率。

4 监控软件开发

共用控制系统监控软件根据吊车完成的工作内容和性能指标需求进行开发,需开发PLC控制程序和上位机监控程序两个模块,其中PLC程序接受上位机的控制指令并完成所有变频器的通讯控制,同时采集变频器、行程开关、吊重等状态信息并存储于数据块中;上位机主动读取PLC的程序数据块进行显示、存储、诊断等。其中PLC采用西门子S7-300/400系列时利用STEP 7软件开发,因多台吊车多个机构的动作均可以简化为电机的不同速度正反转旋转,控制功能相同,PLC编程时可采用多重背景功能块和多重背景数据块,可使程序结构清晰、调用简单,调试方便;由于PLC主程序的扫描速度非常快,扫描周期一般不超过100 ms,因此对于控制系统中的实时性要求高的数字量和变化不快的模拟量应区别对待,不仅可以降低PLC不必要的负荷,还可以大大减小上位机的数据存储量。上位机选择工控机时,需要加装CP5611网卡以接入Profibus-DP网,并利用西门子组态软件Win CC开发相应的监控程序[9];上位机如果选择触摸屏,则无需网卡可以直接通过DP插头接入现场总线,监控程序通过西门子Pro Tool或Win CC Flexiable软件开发即可[10]。监控软件开发一般经过需求分析、设计说明、详细设计、系统测试等工程化环节[11],合格后可以交付使用。通过PLC控制、上位机操作,不仅可以代替传统吊车操作,还可以在上位机上开发强大的多台吊车监控功能,如实现趋势显示、状态提醒、行程预警、自动定位运行、故障诊断等功能,还可以通过上位机向上一级监控中心上传全部监控数据。多台吊车共用控制系统的监控软件只需一套且集中一处安装,可以有效避免多台吊车多处安装时产生的软件版本错误、参数设置错误等不利问题发生,提高设备操作可靠性。

5 结论

本文提出了多台吊车共用控制系统设计思想,在采用Profibus-DP现场总线协议基础上,设计了2种基于上位机和西门子PLC的共用变频调速控制系统模型,并说明了系统控制网络的结构组成、参数配置方法及监控程序的开发过程。实际应用表明基于现场总线的共用变频调速控制系统网络扩展性好,在保证吊车工作安全性和可靠性前提下可以实现多台吊车的软硬件资源共享,节约系统初期建设成本和后期维护保养费用,提高设备安全运行效率和自动化信息化程度。

摘要：为实现同一厂房内多台吊车集中监控目的,提出了多台吊车共用控制系统设计思想,基于Prifibus-DP现场总线协议设计了完全共用和部分共用两种共用变频调速控制系统模型,论述了多台电机参数辨识结果的处理方法,简述了系统控制网络的结构设计和监控软件的开发过程。应用表明共用控制系统结构简单,操控便捷,扩展性好,可以在满足吊车各项性能指标基础上实现多台吊车控制系统的软硬件资源共享。

关键词：Profibus-DP,吊车,变频调速,控制系统,共用

参考文献

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[10]吴志敏,阳胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].北京:中国电力出版社,2009.

现场总线的教学设计 篇11

关键词：车工教学 现场教学 教学方法

车工课程是实践性和应用性很强的一门课程。在教学中融入模拟企业现场教学，不但可以扩大学生的知识面，提高理论联系实际的能力，而且对学生的接受能力和理解能力有很大的帮助。因此，模拟企业现场教学是理论联系实际的重要教学手段之一，它具有课堂教学、课堂演示、实验、实习所不可替代的作用。

一、模拟企业现场教学的作用

1.体验工人的生活和工作

模拟企业现场教学可以使学生有如深入工厂、深入实践，可以身临其境地体验工人的生活和工作。学生最终是要走向工厂、走向社会的，没有实践就使学生在校期间对工厂有所了解，是很难做到的。开设模拟现场教学可以让学生亲自了解工厂，认识社会，为将来走向社会做好心理准备。

2.扩大学生的知识面

车工是一门实践性很强的课程，虽然安排有车工实习，但由于实习条件的限制和机械行业的快速发展，学生在课本学习和车工实习中所接触到的知识是很有限的。例如各种新型车床（如加工中心、数控车床、专用车床等） 零件生产的流水线等，模拟现场教学可以使学生了解各种有关知识，如各种车床、车床的运动、所用工具、加工范围、加工方式等，还可了解各种类型零件的主要生产方式、管理方式等。

3.强化学生的感性认识

车工实习的主要内容是简单了解车床的工作原理及其工作方式；学会正确的车床使用方法，并能正确使用一种工件加工方式。车工实习往往安排在车工课的前期进行，这时学生还没有系统学习有关车工课的内容，实习只了解设备的外部结构、作用和操作方法等，到进行课堂教学时，有些学生对实习过的内容回忆不起来，或在实习时就没有注意到，这样教学效果就会受到影响。因此，在某一部分课堂教学进行完后，带领学生对有关内容进行模拟企业现场教学，不但可以加深学生的感性认识，也是对车工实习的补充，还可以充分体现理论联系实际的教学效果。

4.提高学生对车工课的兴趣

可以改变单一的课堂教学，使学生从书本中走出来，更直接、更方便地获取知识。模拟企业现场教学前学生应该进行过车工实习和理论知识的学习，在模拟企业现场教学中只要教师对参观对象稍作介绍，学生即可利用已有知识进行观察提问，使学习具有很强的针对性和现实性，学生具有较高的学习主动性。在现场教学过程中，学生会发现很多没有见过的零件、设备、加工方法等，他们在感到新奇的同时，对车工课的学习兴趣也会变得浓厚起来。参观对理论教学的辅助作用是很大的，但如果参观安排得不恰当，也很难收到理想的效果。

二、模拟企业现场教学的安排

一是确定目的。模拟企业现场教学的场地与车工有关的知识很多，由于现场教学时间的限制，不可能面面俱到。因此，在模拟现场教学之前必须确定好教学参观的主要目的和内容，合理分割时间，保证教学的效果。例如讲车削的基本知识时，用实物车刀讲解车刀的作用、角度的形成，要求实践时开始学磨刀，使学生加深理解、刀具的材料、切削用量，选用切削用量的原则、切削过程的控制、切削液的选用与使用。在学完后，可带领学生模拟实践增强效果。

二是模拟最好安排在理论知识讲过之后。在理论知识讲授之前，由于已进行过车工实习，车工实习使学生有了一定的实践经验，再进行模拟现场教学实际上是对前面学过的理论知识和实践知识的综合，是一个深化过程。以前笔者为了使刚入校的学生对机械行业有一个初步的认识，曾带新生到工厂参观，后来发现学生除了新奇之外，在上课时对参观过的内容几乎没有什么印象。因为那时学生对机械方面的知识可以说是一无所知，参观对他们来说带有很大的盲目性，因此收不到应有的效果。

三是模拟企业现场教学时，要让机床设备都运转起来，学生能看到机床设备的工作情况，对机床的运动、加工方法、所用刀具、夹具等都能了解。并教育学生注意安全，工作时怎么尊重师傅，不能影响生产等，这样就能达到教学目的。

四是模拟企业现场教学时，车间噪声大，要能保证学生的安全，能听到教师的介绍。学生应分成小组进行，每组人数不可过多，五六个学生一组，这样就需要多个带队教师，带队教师应选派懂得机械专业知识的老师，以便对学生进行介绍，同时解答学生的疑问。

五是安排好带队老师。为了保证效果，模拟企业现场教学前，教师应详细了解本次参观的目的和内容。同时组织带队教师要对模拟现场的工厂、车间先进行考察，了解工厂的地点、车间分布，熟悉讲解内容及侧重点等，以便及时处理现场遇到的问题。

现场总线的教学设计 篇12

自动监控管理已经成为现代工业生产过程中的一个重要技术手段,发达国家的工业生产已实现全自动化控制和管理,有较好的社会和经济效益。本文以某焦化厂的1×60孔JNDK43-03F型复热式、单集气管捣固焦炉为背景,运用现代化的控制手段对其进行监控管理。

PROFIBUS-DP是用于现场设备级的高速数据传输,具有传输介质简单、安装维护方便、容易进行扩展、可靠性高等优点,PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统,为系统配置提供了高度的灵活性。焦炉监控系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术,由工控机、PLC等构成。

1 焦炉监控系统的硬件设计

本系统采用分布式I/O(ET200)的构架方式,系统的组成包括:1台工程师站,1台操作员站,1个S7-300的PLC主机架及I/O模块,2个ET200分布式I/O站以及I/O模块,1个10/100Mbit的16口以太网交换机,2个前后开门的机柜,2个操作台,1个打印台。系统硬件结构如图一所示。

(1)系统下位机采用S7-300 PLC控制系统,中央处理单元采用CPU315-2PD。

(2)根据焦炉的系统输入/输出点数要求,采用2个分布式I/O以及Profibus(现场总线)的通讯方式进行扩展。

(3)下位机与工程师站和操作员站(上位机)的通讯采用以太网,主CPU中集成了以太网络接口,并支持以太网数据通讯和程序下装等功能。

(4)下位机与上位机之间通过一个以太网络交换机进行连接通讯。

控制站是系统的核心,它由工业控制计算机内装有STEP7、WinCC(监控组态软件)及大屏幕显示器、键盘和打印机组成。此外,还有操作记录的查询显示和报表打印等功能。

除自动控制还可以在手动控制方式下,利用键盘上的按键操作设备。

2 系统软件设计方法

系统的软件设计包括在工控机中运行的系统监控软件设计和S7-300 PLC控制程序设计。

2.1 PROFIBUS-DP通信设置

建立主站系统,采用STEP7 V5.2软件,在S7-300的CPU中建立一个PROFIBUS-DP网络,设置网络地址、通信速率、通信方式、通信字节等通信参数,保存和下载到S7-300的CPU中。在主站系统下,选择PROFIBUS-DP网络,组态DP网络的从站。

2.2 系统监控界面设计

采用Wincc监控组态软件,WinCC程序是调度室操作员与整个集中控制系统交互的界面,是控制中心。它负责监视焦炉运行状态、配置系统模拟量的定标值和显示其当前值和趋势图、捕捉并记录设备运行故障等。

整个WinCC程序界面主要由以下几部分组成:主控制面板、流程监视、工艺参数、集中手动控制、报警记录、趋势图、参数设置等。焦炉混烧系统—————焦炉煤气参数监控画面如图二所示,反映加热系统中参与混合燃烧的焦炉煤气的各类参数,包括机焦两侧焦炉煤气的压力、流量和温度。

2.3 PLC控制程序

S7-300 PLC的控制程序采用SEP7 V5.2软件进行编写,采用结构式编程方式,将控制任务分割为“子程序”,分布在不同的组织块中,PLC的控制程序包括:循环执行的主程序块、功能块、循环中断处理组织块等,其主程序流程图如图三所示。

3 结束语

采用Profibus现场总线结合远程I/O模块设计完成的焦炉监控系统,通过对系统硬件及软件进行组态,实现了对各工艺参数的监控和报警功能,不仅能对焦化厂科学有序的组织生产提供真实可靠的数据,而且提高了监测系统的整体性能,保障了系统的长期安全稳定运行,减轻了操作人员的劳动强度,提升了自动化监控程度,在行业内具有广阔的应用前景。

摘要：根据焦化厂生产工艺的特点,本文采用基于PC的自动化控制方法,设计了焦炉监控系统总体方案。通过组态控制系统的硬件电路与软件,运用SIMATIC S7 300 PLC以及STEP 7和WinCC组态软件,采用PROFIBUS现场总线技术通过调节现场执行机构实现对焦炉生产全面的自动控制。

关键词：焦炉,STEP7,WinCC

参考文献

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