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PLC與工控機(jī)應(yīng)用分析

1 系統(tǒng)組成

　　某電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備具有良好的可控性，利用PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，系統(tǒng)基本組成如圖1—1所示。

　　采用3臺(tái)西門子公司的SIMATIC S5—115U可編程序控制器控制現(xiàn)場(chǎng)的一次設(shè)備，程控系統(tǒng)分為3套，依次為＃1補(bǔ)給水處理單元、＃2補(bǔ)給水處理單元、＃3凝結(jié)水處理單元。

　　操作員站選用兩臺(tái)研華586工控機(jī)，軟件開發(fā)平臺(tái)選用美國Intellution公司的FIX5.5組態(tài)軟件。FIX5.5是一種能完成數(shù)據(jù)采集及控制、報(bào)警、圖形數(shù)據(jù)顯示等功能的完整工業(yè)自動(dòng)化軟件，該版本在WINDOWS或WINDOWSNT環(huán)境下運(yùn)行，采用了圖形用戶界面，相應(yīng)其內(nèi)部的圖形處理是基于第三代圖形技術(shù)。

　　數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用SINEC L2網(wǎng)，它把SIMATIC系列可編程序控制器以及工控機(jī)連成網(wǎng)絡(luò)。SNEC L2是令牌總線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)是雙絞線或光纜。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過總線連接器連到總線網(wǎng)上，在本系統(tǒng)中，三臺(tái)PLC之間以及與兩臺(tái)工控機(jī)之間都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊。

　　該方案配置體現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即控制功能分散，操作管理集中?？刂乒δ芊稚⒁馕吨到y(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快和系統(tǒng)危險(xiǎn)分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置還具有冗余特性。

　　2 PLC及其程序設(shè)計(jì)

　　2.1 SIMATIC S5-115U硬件組成及編程概要

　　可編程序控制器SIMATIC S5-115U采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊式結(jié)構(gòu)，電源、CPU、各種I/O模件都插在一塊母板上，并可以根據(jù)不同的I/O點(diǎn)數(shù)增加擴(kuò)展母板，輸入、輸出模件和存儲(chǔ)器的精細(xì)分級(jí)，使得這種裝置具有較強(qiáng)的配置適應(yīng)能力；通過通訊處理器和局部網(wǎng)，可方便地實(shí)現(xiàn)PLC之間及與計(jì)算機(jī)的通訊。

　　SIMATIC S5-115U的編程語言是STEP5，有3種表達(dá)方法，即控制系統(tǒng)流程圖CSF，梯形圖LAD和語句表STL。其中語句表STL較接近于機(jī)器內(nèi)部的控制程序，功能也比前兩種方法豐富得多，因此在本系統(tǒng)實(shí)際編程應(yīng)用中全部采用語句表STL。

　　STEP5的最大特點(diǎn)是采用了結(jié)構(gòu)化編程方法，并提供大量標(biāo)準(zhǔn)功能塊如乘能塊FB242、通訊功能塊FB244等，使得編程工作大大簡化，而且所編程序條理清晰，易于讀懂、修改和測(cè)試，這一優(yōu)點(diǎn)尤其在編制大型復(fù)雜程序時(shí)更能顯現(xiàn)出來。

　　要完成復(fù)雜任務(wù)，可以把整個(gè)程序分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的程序塊，STEP5有5種塊類型，即組織塊(OB)、程序塊(PB)、順序塊(SB)、功能塊(FB)和數(shù)據(jù)塊(DB)，其中組織塊(OB)用以管理用戶程序，形成了操作系統(tǒng)和控制程序之間的接口，所有其它類型塊在此被調(diào)用執(zhí)行。功能塊(FB)用于實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)用或者特別復(fù)雜的程序功能，這些功能塊可以是系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)功能塊的形式提供的，也可以由用戶自己編制。例如標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB242就可以實(shí)現(xiàn)16位二進(jìn)制乘能、FB244可以實(shí)現(xiàn)CPU與通訊處理器之間的數(shù)據(jù)傳送，用到這些功能時(shí)可以直接調(diào)用這些功能塊。

　　2.2 SIMATIC S5-115U大型程序的設(shè)計(jì)

　　以本系統(tǒng)＃1補(bǔ)給水處理單元的控制程序?yàn)槔?，在組織塊OB1內(nèi)主要有下面幾條語句，完成各功能塊的無條件調(diào)用。

　　JU FB1 (定義PLC1向兩臺(tái)工控機(jī)傳送的數(shù)據(jù))

　　JU FB2 (定義兩臺(tái)工控機(jī)向PLC1傳送的數(shù)據(jù))

　　JU FB231 (完成PLC1與兩臺(tái)工控機(jī)之間通訊的基本設(shè)置)

　　JU FB232 (完成PLC1與PLC2、PLC3之間通訊的基本設(shè)置)

　　JU FB4 (實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及無擾切換功能)

　　JU FB3 (氣動(dòng)門及電動(dòng)門控制)

　　JU FB10 (實(shí)現(xiàn)模擬量處理功能)

　　JU FB11 (報(bào)警處理)

　　在FB1、FB2內(nèi)主要將需要通訊的數(shù)據(jù)分別寫入某數(shù)據(jù)塊如DB10的相應(yīng)位，由此才能與通訊處理器中的變量取得*。在FB231中調(diào)用兩個(gè)STEP5本身提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB244(發(fā)送數(shù)據(jù))、FB245(接收數(shù)據(jù))，再根據(jù)通訊處理器填寫一些必要的參數(shù)如接口、作業(yè)號(hào)等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。在FB232內(nèi)按照通訊處理器分配的數(shù)據(jù)位，定義3臺(tái)PLC之間需要傳送的數(shù)據(jù)。在FB4內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)工藝流程要求及操作規(guī)范，充分利用其它功能塊及I/O模塊傳送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制及無擾切換功能；針對(duì)多個(gè)被控對(duì)象相似的特點(diǎn)，分別編制了幾個(gè)有代表性的功能塊FB20、FB30、FB40，例如在FB4內(nèi)多次調(diào)用了FB20以便解決PLC內(nèi)某程序步時(shí)間和工控機(jī)畫面顯示時(shí)間保持*的問題，而且FB20內(nèi)又調(diào)用了乘能塊FB244。FB3根據(jù)FB4發(fā)出的自動(dòng)程序步指令去控制氣動(dòng)門、電動(dòng)門及泵等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。FB10負(fù)責(zé)所有模擬量的處理，在此調(diào)用了開方功能塊FB5。FB11根據(jù)FB10轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)，對(duì)模擬量進(jìn)行報(bào)警處理，在此一定要注意模擬量和PLC內(nèi)部數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證模擬量顯示和報(bào)警的準(zhǔn)確性。

　　3 工控機(jī)監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)

　　工控機(jī)監(jiān)控管理軟件在FIX5.5軟件平臺(tái)下完成，F(xiàn)IX5?5是一個(gè)高精度模塊化的軟件系統(tǒng)，包括十幾種軟件模塊，在此主要介紹開發(fā)本應(yīng)用軟件時(shí)所用到的幾種軟件模塊。

　　(1)系統(tǒng)配置模塊(SCU)：它主要完成網(wǎng)絡(luò)、I/O驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)庫名稱、系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)及初始啟動(dòng)任務(wù)等配置。Intellution公司和第三方廠商為PLC、I/O卡編寫了300多種I/O驅(qū)動(dòng)程序，如SIEMENS、OMRON、MODICON、ABB等公司產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序，并提供I/O驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具包，供用戶開發(fā)自己的I/O驅(qū)動(dòng)程序。

　　(2)數(shù)據(jù)掃描、報(bào)警和控制模塊(SAC)：它用來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的掃描、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，報(bào)警條件判別及實(shí)現(xiàn)遙控輸出等功能，SAC將處理的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，或?qū)⑦b控輸出的數(shù)據(jù)送到I/O驅(qū)動(dòng)程序，以便實(shí)現(xiàn)遙控輸出功能。

　　(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理模塊(DATABASE BUILDER)：它提供以交互方式建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和在線顯示/修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的功能，它是系統(tǒng)運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)來源。用戶需要在此做很大一部分工作，最主要的是填寫變量的標(biāo)簽名，從而將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的變量標(biāo)簽一一對(duì)應(yīng)起來，以便在其它模塊中調(diào)用此數(shù)據(jù)。在填寫變量標(biāo)簽名時(shí)既要講究規(guī)范性又要有技巧性，首先需要遵循FIX軟件的語法要求，其次按照一定的分類標(biāo)準(zhǔn)定義標(biāo)簽名，以便在以后的數(shù)據(jù)查詢及應(yīng)用中提高效率。

　　(4)繪圖模塊(DRAW)：FIX擁有一個(gè)直觀的、基于對(duì)象的圖形化用戶接口(GUI)，它簡化了圖形開發(fā)過程。為了建立畫面，可以用DRAW提供的工具箱(TOOL BOX)生成某些對(duì)象如閥門、泵、記錄表等，并定義其動(dòng)態(tài)特性，即對(duì)象基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)改變狀態(tài)、大小、顏色、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等，例如閥門的開或關(guān)、泵的轉(zhuǎn)或停，這些工作可以在一個(gè)對(duì)話框內(nèi)完成，主要是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的變量標(biāo)簽與相應(yīng)對(duì)象聯(lián)系起來，從而使對(duì)象狀態(tài)隨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)改變。為了減少圖形開發(fā)時(shí)間，Intellution公司還提供了一個(gè)常用設(shè)備對(duì)象的圖形庫，其中有多種國際標(biāo)準(zhǔn)圖形，可隨時(shí)粘貼到用戶畫面中，同時(shí)用戶可以把自己畫好的常用圖形保存到圖形庫中，以方便以后使用。

　　(5)顯示模塊(VIEW)：它的主要功能是動(dòng)態(tài)顯示由DRAW建立的畫面，可以在多幅畫面間切換、改變畫面形態(tài)、輸入數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等，這就是提供給用戶的實(shí)際操作畫面。

　　4 系統(tǒng)功能

　　系統(tǒng)具有上位機(jī)監(jiān)控功能和模擬盤監(jiān)控功能，兩者互為熱備用方式并列運(yùn)行。在上位機(jī)畫面上設(shè)有上位機(jī)手動(dòng)、上位機(jī)自動(dòng)、上位機(jī)監(jiān)視3種工作方式，方式之間的切換是無擾動(dòng)的。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要由模擬盤監(jiān)控時(shí)，上位機(jī)畫面選擇上位機(jī)監(jiān)視工作方式。此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)由模擬盤M/A轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)決定，M/A置手動(dòng)，可利用模擬盤按鍵在模擬盤上進(jìn)行一對(duì)一手動(dòng)操作。當(dāng)M/A置自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可由自動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)水處理的自動(dòng)控制。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要由上位機(jī)監(jiān)控時(shí)，可在上位機(jī)畫面上選擇上位機(jī)手動(dòng)和上位機(jī)自動(dòng)功能。選擇上位機(jī)手動(dòng)時(shí)，可在上位機(jī)畫面上實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備的一對(duì)一手操。選擇上位機(jī)自動(dòng)時(shí)，可在上位機(jī)畫面上進(jìn)行自動(dòng)啟?？刂?，自動(dòng)控制程序與模擬盤自動(dòng)控制功能相同。

　　5 結(jié)束語

　　在大中型生產(chǎn)系統(tǒng)中，單機(jī)使用可編程控制器的時(shí)代已經(jīng)過去，其與工控機(jī)的有機(jī)結(jié)合以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，大大提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制水平和管理水平，這是必然的趨勢(shì)。

S7-300 通訊模塊

說明

通訊處理器用于把 S7-300 連接到不同的總線系統(tǒng)/通訊網(wǎng)絡(luò)上，以及進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)連接。根據(jù)應(yīng)用情況和模塊的不同協(xié)議，可以提供不同的總線系統(tǒng)，如 PROFIBUS DP 或工業(yè)以太網(wǎng)。

點(diǎn)到點(diǎn)連接
通過處理器（CP）進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)連接是一種強(qiáng)大而低成本的中線系統(tǒng)替代方案。相對(duì)于總線系統(tǒng)，點(diǎn)到點(diǎn)鏈接的優(yōu)點(diǎn)在只有較少 (RS485) 設(shè)備需要連接到 SIMATIC S7 上時(shí)非常明顯。
CP 可以方便的把第三方系統(tǒng)連接到 SIMATIC S7 上。由于 CP 具有*的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的物理傳輸介質(zhì)、傳輸速率，甚至可以自定義傳輸協(xié)議。
對(duì)于每個(gè) CP，我們用 CD 光盤提供了組態(tài)軟件包和電子手冊(cè)，以及用于實(shí)現(xiàn) CPU 和 CP 之間通訊的參數(shù)化屏幕形式和標(biāo)準(zhǔn)的功能塊。
組態(tài)的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到 CPU 的系統(tǒng)塊中，并備份。因此更換模塊時(shí)新模塊可以立即投入使用。
S7-300 的接口模塊現(xiàn)有三種版本，每個(gè)都帶有用于不同物理傳輸介質(zhì)的接口。

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應(yīng)用

通訊模塊使 SIMATIC S7-300 可以連接到如：

• SIMATIC S7 和 SIMATIC S5 可編程控制器，以及許多其它制造商提供的系統(tǒng)

• PC、可編程裝置、HMI 裝置

• 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

• 打印機(jī)

• 機(jī)器人控制

• 調(diào)制解調(diào)器

• 掃描儀、條碼讀取器等

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效益

•由于可以使用 STEP 7 方便的進(jìn)行組態(tài)，因此縮短了啟動(dòng)時(shí)間
•通過 LED 指示縮短了發(fā)生故障時(shí)的停機(jī)和維修時(shí)間

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設(shè)計(jì)和功能

CP 具有加固的塑料外殼，帶有 LED 指示燈用于顯示工作和故障狀態(tài)。
它們顯示出了 SIMATIC S7-300 設(shè)計(jì)的全部優(yōu)勢(shì)，如 .
•設(shè)計(jì)緊湊 
•便于安裝 
•用戶友好型接線等。

詳細(xì)介紹

1．SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-200 PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 S7-200PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用。

2．SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)

的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1μs）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時(shí)，模塊更換，等等）；多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7-300 PLC設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強(qiáng)大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)；多點(diǎn)接口（MPI）集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3． SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、性能范圍的可編程序控制器。 S7-400 PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，可靠耐用，同時(shí)可以選用多種級(jí)別（功能逐步升級(jí)）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級(jí)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級(jí)和充分滿足需要。

CPU 312，用于小型工廠

CPU 314，用于對(duì)程序量和指令處理速率有額外要求的工廠 

CPU 315-2 DP，用于具有中/大規(guī)模的程序量以及使用PROFIBUS DP進(jìn)行分布式組態(tài)的工廠

CPU 315-2 PN/DP，用于具有中/大規(guī)模的程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO進(jìn)行分布式組態(tài)的工廠，在PROFInet上實(shí)現(xiàn)基于組件的自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)分布式智能系統(tǒng)

CPU 317-2 DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP進(jìn)行分布式組態(tài)的工廠

CPU 317-2 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO進(jìn)行分布式組態(tài)的工廠，在PROFInet上實(shí)現(xiàn)基于組件的自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)分布式智能系統(tǒng)

CPU 319-3 PN/DP，用于具有極大容量程序量何組網(wǎng)能力以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO進(jìn)行分布式組態(tài)的工廠，在PROFInet上實(shí)現(xiàn)基于組件的自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)分布式智能系統(tǒng)

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