具有可编程逻辑控制器（PLC）和工业无线工业无线模块的抽水控制系统 – 实验设置外文翻译资料

A water pumping control system with a programmable logic controller(PLC) and Industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup

Ramazan Bayindira, Yucel Cetincevizb, lowast;

a Technology Faculty,University of Gazi, 06500Besevler/Ankara, Turkey

b Vocational School of Higher Education Mechatronics Programme,University of Kastamonu,37150 Kastamonu, Turkey

abstract

This paper describes a water pumping control system that is designed for production plants and implemented in an experimental setup in a laboratory. These plants contain harsh environments in which chemicals, vibrations or moving parts exist that could potentially damage the cabling or wires that are part of the control system.

Furthermore, the data has to be transferred over paths that are accessible to the public. The control systems that it uses are a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless local area network (IWLAN) technologies. It is implemented by a PLC, an communication processor (CP), two IWLAN modules, and a distributed input/output (I/O) module, as well as the water pump and sensors. Our system communication is based on an Industrial Ethernet and uses the standard Transport Control Protocol/Internet Protocol for parameterisation, configuration and diagnostics. The main function of the PLC is to send a digital signal to the water pump to turn it on or off, based on the tank level, using a pressure transmitter and inputs from limit switches that indicate the level of the water in the tank. This paper aims to provide a convenient solution in process plants where cabling is not possible. It also has lower installation and maintenance cost, provides reliable operation, and robust and flexible construction, suitable for industrial applications.

Keywords: PLC; Distributed IO; Industrial wireless LAN; Profinet

1. Introduction

Modern production processes use industrial automation systems. The automation of these processes is inevitable, and results in high efficiency and high-quality production. Day to day production tasks have rapidly progressed toward this level of automation. Automatic control systems enable a process to be operated in a safe and profitable manner. This can be achieved by continually measuring process operating parameters, such as temperatures, pressures, levels, flows and concentrations. These parameters can be used to automatically make process decisions, for example, actuating valves or pumps, and controlling heaters, so that selected process measurements are maintained at desired values.

Pumping equipment in modern manufacturing systems may be in the primary equipment for many industrial production activities, especially in chemical or food industries [1]. Pumping systems usually exist in the outer parts of the production plants.They are located in harsh environments that can damage any sort of cabling. Recent developments in communication technology have provided appropriate solutions for this problem.

Data communication plays an important role in the rapid development of industrial automation systems. Industrial automation systems enable peripheral production units to operate properly. By making data communication between all product systems possible, they also provide information from all systems to the top-level management. Distributed production plants or services require the use of hetero geneous networks, consisting of local and wide-area networks, and wired and wireless communication systems operated by different organisations, such as CAN (Control Area Network), Interbus, Device Net, Hart,Modbus, AS-I(AS-Interface), Profibus and FOUNDATION Fieldbus [2,3]. Wireless LAN technology is wide spread in office environments, especially small office or home office settings. As previously stated, traditional networking offers many advantages, but requires cables to interconnect devices. This leads to high installation and maintenance costs, due to lows calability and the high failure rate of connectors. One of the most promising innovations in manufacturing plants is the introduction of wireless technology. The opportunity to replace the large number of cables that currently wire the plants with a wireless system will allow for reduced deployment and maintenance costs. Wireless systems also enable new applications because of the enhanced mobility and more flexible communication paradigms[4,5]. For this reason, wireless technologies have had enormous success in the consumer goods industry in the last few years. Wireless solutions are becoming more and more attractive for the communication systems of manufacturing plants. In addition, the adoption of wireless solutions at the sensor level offers other advantages: continuous, high-resolution, ubiquitous sensing; support for mobility; redundancy; and compactness[6].

To be able to use wireless communication technology in an industrial area, it is advisable to use products specially designed for such an environment. Wireless solutions are being used increasingly in process plants to meet the needs of modern work practices.

Wireless technologies may have considerable savings installation cost and a degree of flexibility not possible in wired systems. Wired control systems require trenching to lay new wire; repairing old wire or replacing stolen copper wire can be extremely expensive. Lower installation and maintenance costs, less interference from physical barrier problems, incongruity between standards being minimized and the transmission bit rate being increased to 54 Mbps are some of the specific profitable features of wireless net-working[7].

There are several restrictions when using wireless systems that should be carefully taken into consideration, for instance, security issues, reliability, coverage area and fault tolerance. Insufficient information about these prob

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附录A 译文

具有可编程逻辑控制器（PLC）和工业无线工业无线模块的抽水控制系统 - 实验设置

加拿大大学技术学院，Besevler/Ankar，06500

高等教育机电一体化课程，卡斯塔莫努大学，37150

摘要

本文介绍了一种为生产设备设计的水泵控制系统，并在实验室的实验装置中实施。这些工厂包含恶劣环境，其中存在可能损坏作为控制系统一部分的电缆或电线的化学品，振动或运动部件。

此外，数据必须通过公众可访问的路径传输。它使用的控制系统是可编程逻辑控制器（PLC）和工业无线局域网（IWLAN）技术。它由PLC，通信处理器（CP），两个IWLAN模块和分布式输入/输出（I / O）模块以及水泵和传感器来实现。我们的系统通信基于工业以太网，并使用标准的传输控制协议/因特网协议进行参数化，配置和诊断。PLC的主要功能是将数字信号发送到水泵，根据油箱水位打开或关闭，使用压力变送器和极限开关输入，指示油箱内的水位。本文旨在为无法布线的过程工厂提供方便的解决方案。安装维护成本低，运行可靠，结构坚固灵活，适用于工业应用。

关键词：PLC；分布式IO；工业无线局域网；PROFINET

1、介绍

现代生产流程采用工业自动化系统。这些过程的自动化是不可避免的，导致高效率和高质量的生产。日常生产任务在这一自动化水平上迅速发展。自动控制系统使得过程能够以安全和有利可图的方式运行。这可以通过连续测量过程操作参数（如温度，压力，水平，流量和浓度）来实现。这些参数可用于自动进行处理决定，例如，致动阀门或泵，以及控制加热器，使得所选择的过程测量值保持在所需值。

现代制造系统中的泵送设备可能是许多工业生产活动的主要设备，特别是在化学或食品行业[1]。泵送系统通常存在于生产工厂的外部部件中。它们位于可能损坏任何布线的恶劣环境中。通信技术的最新发展为这个问题提供了适当的解决方案。

数据通信在工业自动化系统的快速发展中起着重要的作用。工业自动化系统使外围生产单元能够正常运行。通过使所有产品系统之间的数据通信成为可能，它们还提供从所有系统到顶级管理的信息。分布式生产工厂或服务需要使用由本地和广域网组成的异质网络，以及由不同组织操作的有线和无线通信系统，如CAN（控制区域网络），Interbus，Device Net，Hart，Modbus ，AS-I（AS-Interface），Profibus和FOUNDATION Fieldbus [2,3]。无线局域网技术在办公室环境中广泛传播，特别是小型办公室或家庭办公环境。如前所述，传统网络提供了许多优点，但需要电缆来互连设备。这导致高的安装和维护成本，由于连接器的可靠性降低和故障率高。制造工厂最有希望的创新之一是引进无线技术。更换目前使用无线系统连线工厂的大量电缆的机会将减少部署和维护成本。无线系统还实现了新的应用，因为增强的移动性和更灵活的通信范例[4,5]。为此，无线技术在过去几年中在消费品行业取得了巨大的成功。无线解决方案对于制造工厂的通信系统变得越来越有吸引力。此外，在传感器级别采用无线解决方案提供了其他优点：连续，高分辨率，普遍存在的传感;支持流动性;冗余;和紧凑性[6]。

为了能够在工业领域使用无线通信技术，建议使用专门针对这种环境设计的产品。越来越多的无线解决方案正在越来越多地用于加工厂，以满足现代工作实践的需要

无线技术可能实现节省安装成本并且在有线系统中不可能实现一定程度的灵活性。有线控制系统需要挖沟才能铺设新的电线;修理旧电线或更换被盗铜线可能非常昂贵。降低安装和维护成本，减少物理屏障问题的干扰，最小化标准与传输比特率提高到54 Mbps之间的不协调是无线网络工作的一些具体的有利可图的特征[7]。

使用应仔细考虑的无线系统，例如安全问题，可靠性，覆盖面积和容错能力方面存在若干限制。尽管有无线网络的优势，但是关于这些问题及其解决方案的信息不足也可以使用[7]。

工业无线通信中必须考虑几个参数。在[8]中，定义和描述了可能影响工业无线通信系统的定时行为和故障模式的所有相关参数，以及工业无线传输测试的模型方法。

已经有几项关于工业设备无线通信使用的研究已经发表：在[7]中，进行了最着名的分析之一。在这项工作中，对所有工业需求进行了全面调查：包括可扩展性，成本效益，可靠性，灵活性，高可用性，对干扰的免疫力，安全性等许多因素。这些问题在危险和嘈杂的环境中至关重要。对现有的无线解决方案进行了回顾，并探讨了工业需求与现有无线标准之间的潜在匹配。 [9]为供水机构开发了远程自动测量仪读数（AMR）系统。在这项工作中，为了实现该系统，使用了MR（磁阻）传感器，簧片开关和CYBLE传感器型模块，并且为了进行系统通信的安装，使用了RF和Zigbee模块。在[10]中，作者调查了工业应用中无线通信的问题和适当的解决方案：基本问题，现有无线技术在该特定应用领域的使用以及混合系统的创建。在[4]中，详细描述了无线传感器网络。在[11]中，描述了用于钻井和批准过程的多接口模块（I2M）的实现。该工作基于IEEE1451标准，模拟了具有工业液压模块（MHI-01）的系统。无线工业传感器已经在其他一些作品中进行了研究[12-16]。在[17-20]报道的研究中，无线传感器模块用于家庭自动化。

伺服电机遥控器由个人数字助理（PDA），PLC，无线设备服务器及其驱动程序进行[21]。系统通信由PDA无线网卡，无线设备服务器和PLC的RS-232端口建立。在[1]中，使用PLC和频率控制设计，构造和测试了一个小容量的抽水系统。在这项工作中，系统通信由电缆建立。在其他工作中，进行了一些使用PLC和现场一级传统布线系统的过程控制示例[1,22-30]。

PLC通常是工业自动控制系统的主要部分。它们用于内部存储指令以实现控制功能，如逻辑，排序，时序，计数和算术。它们通过数字或模拟输入/输出模块控制各种类型的机器和过程。 PLC也用于监测和控制诸如电信，水和废物控制，能源，油气和炼油和运输等行业的工厂或设备[23]。

图1 控制过程框图

图2 水泵控制系统框图

本文旨在为无法布线的过程工厂提供方便的解决方案。提出的解决方案应降低安装和维护成本，提供可靠的运行，并为工业应用提供坚固灵活的结构。在本研究中，我们使用了西门子SCALANCE W IWLAN模块，它们与以前报告的研究中使用的无线传感器网络（WSN）和WLAN系统不同。

2．系统设计

系统设计是考虑环境条件和工艺细节进行的。图。图1是受控过程的图示。在此过程中，过程变量（PV）[31,32]是水箱中的水位。它通过压力变送器和油箱上的两个限位开关（最大和最小水位）来测量，这些值是根据水位启动泵的自动控制器的输入。如图所示。如图1所示，开放式储罐从可以控制的水泵供给水Q1。来自罐Q2的流出根据用户的需要由手动阀控制。罐中的水位根据压力进行控制，并从两个限位开关输入控制器。因此，过程控制模式是开关控制。这是一种不连续的控制动作形式，也称为两位置控制。在这个过程中，当水位以其最小值测量时，开关控制器变为“开”。当水位达到最大值时，控制器关闭。根据环境条件和期望的过程控制设计的系统框图如图1所示。

2.1 硬件结构

如图3所示，整个系统由三个不同的单位组成。第一个单元是PC。PC运行一个名为SIMATICMANAGER的程序，用于配置硬件，软件包（STEP 7），为PLC编写控制程序。该控制程序通过MPI（多点接口）PC适配器通信电缆下载到PLC。

第二个单元是主节点，它由三部分组成：具有数字和模拟模块的PLC，CP（通信处理器）和无线接入点。最后一个单元位于客户端节点。该单元位于控制中心的外部，并直接连接到要控制的设备。无线客户端模块，分布式I / O接口模块和电机保护包（MPP）构成客户机节点。

图3 系统配置图

图4 PLC的基本结构

图5 SIMATIC Manager中的硬件配

bull;可编程逻辑控制器（PLC）。通常，PLC系统的基本功能组件[33]是处理器单元，存储器，电源单元，输入/输出接口部分，通信接口和编程设备。图。图4显示了基本布置。

bull;处理器单元或中央处理单元（CPU）是包含微处理器的单元。这解释输入信号，并根据存储在其存储器中的程序来执行控制动作，将决定作为动作信号传送到输出端。

bull;需要电源单元将市电交流电压转换为处理器和输入和输出接口模块电路所需的低直流电压。

bull;编程设备用于将所需的程序输入到处理器的存储器中。该程序在设备中开发，然后传送到PLC的存储单元。

bull;存储单元是存储微处理器程序的位置。存储单元还存储用于处理的输入数据并缓冲用于输出的数据。

bull;输入和输出部分是处理器从外部设备接收信息并将信息传送到外部设备的地方。输入可能来自开关或传感器，例如光电池，温度传感器或流量传感器。输出可能连接到电机启动器线圈，电磁阀或其他执行器。输入和输出设备可以通过信号类型进行分类，如数字或模拟。

bull;通信接口用于在通信网络上接收和发送数据。它管理设备验证，数据采集，用户应用程序之间的同步和连接管理。

在本研究中，我们使用了一个西门子S7 313C紧凑型PLC，它具有24个DI（数字输入），16个DO（数字输出），5个AI（模拟输入），2个AO（模拟输出）和一个电源（120/230 V AC，24V DC，5A）。

bull;通讯处理器（CP）。 PLC系统以太网模块是用于将PLC连接到网络的S7系列的通信处理器[29]。一个附加的通信处理器用于允许PLC和IWLAN之间通过TCP / IP进行通信。我们工作中的CP343-1通信处理器设计用于在S7-300可编程逻辑控制器中运行。它允许S7-300连接到工业以太网并支持PROFINET IO。

bull;IWLAN模块。无线网络解决了布线固有的物理障碍问题，降低了安装成本，提高了重新配置系统时的灵活性，并加快了网络的部署[7]。工业无线LAN是涵盖代表IEEE 802.11标准的增强功能和机制的通用术语。即使802.11的标准机制也提供了很好的耐用性，可用于工业应用。然而，IWLAN还支持苛刻的应用程序，并根据PROFINET [34]的要求提供了特别高度的实时和确定性调度。

bull;在本研究中，使用西门子新的SCALANCE W生成组件创建了IWLAN网络。无线网络使用SCALANCE W788-1 PRO接入点设置，并且使用以太网客户端模块W744-1 PRO将节点连接到IWLAN。

bull;分布式I / O模块。当配置系统时，往返过程的I / O通常集中在自动化系统中。 ET 200S分布式I / O系统是一个分立的模块化，高度灵活的DP从站，用于连接到中央控制器或现场总线上的过程信号。 ET 200S支持现场总线类型PROFIBUS DP和PROFINET IO。本研究使用ET200S-IM151-3PN标准，具有4个DI，2个DO，4个AI和2个24 V电源模块用于PROFINET IO总线[35]。

bull;电机保护包装。电动机保护包由经典的接触器，热敏开关，电流测量传感器（CMT）和电压测量传感器（VMT）组成。 CMT用于测量正弦和非正弦交流电流，输入电流为0至100 A，环路供电输出为4至20 mA。 VMT用于0.20至0.440 V的交流电压，输出信号为0.10 V / 0（4）.20 mA。

2.2 软件结构

控制系统的软件是在SIMATIC管理器中开发的。这是当软件包（STEP 7）启动时变为活动的中央窗口。默认设置启动STEP 7向导，帮助程序员创建STEP 7项目。程序员可以选择编程模式：梯形图（LAD），功能框图（FBD）和指令列表（STL）[36]。项目结构用于按顺序存储和排列所有数据和程序。系统软件分四个步骤完成。步骤1设计自动化任务的解决方案。步骤2配置硬件和网络[37]，如图1所示。步骤3以梯形图形式创建程序。步骤4将程序传送到CPU。最后，测试软件的输入状态，程序执行和输出状态。

3．系统实现

该抽水控制系统设计为开关控制器，由PLC中存储的程序运行。控制水泵的数据传输由PLC和分布式I / O通过IWLAN模块提供，如图1所示。分布式I / O通过IWLAN无线网络连接到SIMATIC CPU。通过PROFINET上的以太网模块连接到SIMATIC CPU的Scalance W788-1 PRO接入点为单元提供服务。在客户端，使用Scalance W744-1 PRO客户端模块和分布式I / O ET 200 S。来自每个IWLAN的下游是带有PROFINET提供的4个DI，2个DO和4个AI的分布式I / O ET 200 S。循环时间（由程序引起的负载）被指定为50ms，这在32ms的更新时间内产生大约140ms的典型反应时间。

3.1 系统通信

系统通信由PC侧，接入节点和客户端三个主要部分组成。 PC通过MPI接口连接到主节点。通过用于工业应用的IEEE 802.11 [6-8]标准中的RF建立接入和客户端节点之间的通信。 RF通信使用运行在802.11b / g和802.11a标准上的IWLAN模块，高达54 Mbps速度和2.5 GHz频率[38,39]。图。图7显示了802.11a / b / g标准上32字节数据的最小交易时

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