1  引言
    随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。

2  系统配置及网络结构
    实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC  WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

图1    过程控制系统实验装置结构图

2.1  现场部分
    现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。

2.2  控制单元
    控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O  ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。

2.3  上位机
    上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。

3  网络系统原理
    PROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。