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   （北京航天試驗技術研究所 機電技術事業部， 北京 100074）楊繼志 郭敬

    摘要：本文介紹了一種新型煙絲膨脹設備的電器控制系統。重點介紹了控制系統的組成、多級PLC的CPU之間ProfiBusDP總線通信組態和協同動作、工業以太網的應用、上位機的組態、分布式I/O以及集成矢量算法變頻器系統的應用。

   關鍵詞：工業控制；工業以太網；現場總線；分布式I/O

    Abstract: This paper introduces a new type of tobacco expansion of the electrical control system equipment. Focuses on the composition of the control system, PLC's CPU multi-level communication between the ProfiBusDP bus configuration and concerted action, the application of industrial Ethernet, PC configuration, distributed I / O and integrated vector drive system algorithms Application.
Key words: industrial control; industrial Ethernet; fieldbus; distributed I / O

    某煙廠聯合我所開發了一套煙絲膨脹設備，設備的本體部分有電磁閥門32臺，電動機19臺，液位信號8路，溫度信號3路，壓力信號4路，行程及位置信號50路，物料信號3路，連鎖信號4路，內部數字輸入信號、內部輸出信號多路。信號量較大，還有外圍獨立設備4套，與本體之間具有復雜的連鎖保護關系。生產工藝上要求安全連鎖、保護邏輯完善，盡可能減少停機準備時間，系統便于工人操作和工程師維護。從用戶的角度，系統要自成體系，包括供電、水、壓縮空氣、蒸汽等，并且能方便的進入車間級集中控制。設備空間分布較大，需要運行人員能方便地在設備本地觀察到設備整體運行情況并且能對本地設備有效控制。本文針對以上特點逐一介紹系統的組成和技術問題的解決。

   1 系統的總體組成

    根據煙絲膨脹工藝，從控制角度可以把設備分成4類。1類設備為膨前設備，主要用于，煙絲膨脹工藝前的煙絲準備、貯存、上料。2類設備為膨脹設備，主要完成膨脹工藝，包括膨脹介質的存儲、加注回收和膨脹。3類設備為膨化后的附聯處理段設備，主要完成煙絲膨脹后的存貯運輸，以及后續工藝的連接。4類設備為外圍設備，包括微波膨化設備，冷凍設備，回潮設備，冷卻水系統設備，此類設備的特點是自身有一套控制系統，均由設備廠家提供，其工藝過程的控制也打包在其控制系統內部，不需要主控制系統操作，主控制系統主要是解決好主工藝與外圍設備之間的安全連鎖，信息和命令傳遞等。根據以上對工藝過程的分析，設計膨脹設備的電控系統總體上由1套上位計算機系統，一套S7－400PLC系統，1套S7－300PLC系統，8套ET200S分布式IO系統，本地設備的觸摸屏組成，如圖1。上位機與作為主控器的S7－400PLC之間采用工業以太網通信，S7－400與S7－300以及ET200S系統之間采用ProfiBusDP網絡通信，觸摸屏通過MPI通信方式與自己的主控器通信。分布式IO采用了集成的電機啟動器和集成的變頻器。S7－400系統用于控制主工藝，并且負責協調外圍設備，S7－300系統用于膨后工藝段的控制，由于膨前膨后的設備位置分布較廣，就使用了ET200S的分布式IO系統和本地觸摸屏，保證操作人員能方便的控制本地設備，并且簡化了控制系統的安裝制造，合理的分配功能和設計。

                
                             圖1 煙絲膨化設備電控系統組成圖

    2 工業以太網的應用 

    以太網技術出現于上個世紀70年代，成熟于80年代，在1995年以后具有了工業化的趨勢，各大工控公司推出自己的具有工業以太網功能的通信模塊。工業以太網與傳統的以太網具有如表1的區別。

                            表1工業以太網與傳統以太網的比較
        

    西門子的工業以太網系統提供了專用的以太網卡，1613卡，價格較高，一般的通用的工業組態軟件，針對西門子的工業以太網開發了專用的通信驅動程序，因此也可以在普通的以太網卡下使用，降低了成本，在車間環境較好的條件下對通信的可靠性影響可以忽略不計，這樣降低了控制系統的成本。

    以太網的通信是目前工業通信總線中通信速度最快的一種，并且可以非常方便的與工廠的局域網絡通信，是上位機通信的最佳選擇。通信距離通過通用的網絡信號再生器等設備幾乎可以不受限制地擴展為任何距離。通信速度在這樣廣的范圍內可以得到保證。現場的控制數據若要進入工廠局域網，甚至是廣域的INTER網，以太網是最好的接口，可以真正實現無縫連接。

    3 ProfibusDP網絡的應用

    ProfibusDP網絡是西門子為離散控制系統設計的現場總線，目前得到了世界上絕大多數工業控制廠家的支持，在離散現場總線中占有絕對的優勢。它使用了ISO/OSI通信標準模型的物理層和數據鏈路層，其中物理層中遵循RS485物理標準的模塊在工業場合應用較多，價格也較便宜。在9.6~187.5kbit/s的通信速率下通信距離可以達到1000m，因此適合絕大多數的工業控制場合。在SET7軟件中組態西門子各站點的ProfiBusDP網絡地址是十分方便的，可參考圖2，組態后的數據下載到相應的PLC的CPU中，系統即可通過設定的地址進行通信。基于以上優點本系統PLC之間的通信，PLC與遠程IO之間的通信采用了PorfibusDP網絡（HMI與PLC之間的通信數據量小并且是突發型數據，若采用ProfibusDP網絡則較占用網絡資源，因此采用了MPI通信方式）。

                
                             圖2 S7－400ProfiBus地址的設置

   3.1 ProfiBusDP網絡主站程序的編制

   ProfiBusDP主站的接收和發送數據首先要在系統組態時確定通信的對象，在軟件程序中實現通信，具體就是在系統塊中SFC14和SFC15中實現。SFC14負責數據接收，SFC15負責數據發送，程序如下：

   CALL “DPRD_DAT” SFC14

   LADDR :=W#16#0

    RET_VAL:=MW2
 

    RECORD:=P#DB1.DBX0.0 BYTE 10

   這段程序的功能是使用SFC14解開主站存放在IB0~IB9中的數據包，并存放在DB1.DBB0~DB1.DBB9中。

    主站數據發送的程序編制方法如下：

    CALL “DPWR_DAT” SFC15

   LADDR:=W#16#0

   RECORD:=P#DB2.DBX0.0BYTE10

   RET_VAL:=MW4

    這段程序的功能是使用SFC15發送主站存放在DB2.DBB0~DB2.DBB9中的數據包到QB0～QB9。

   3.2 ProfiBusDP網絡從站程序的編制

    ProfiBusDP從站的接收和發送數據同樣是在系統塊中實現的。同樣SFC14負責數據接收，SFC15負責數據發送。具體的編制方法與主站相同。如采用以上主站編程中的參數，則它們之間的數據交換情況如下：

   主站數據DB2.DBB0~DB2.DBB9發送到從站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   從站數據DB2.DBB0~DB2.DBB9發送到主站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   程序中的參數LADDR表示接口數據區的起始地址，參數RET_VAL表示狀態字，參數表示通信數據區，一般為ANY指針格式。

   3.3 ProfiBusDP網絡安裝和編程的注意事項

   ProfiBusDP網絡在網絡的終端需要連接匹配電阻，以吸收網絡電信號的回波。在安裝過程中要注意將網絡終端的適配器的匹配電阻設置為“ON”狀態。PorfiBusDP是采用令牌環網的通信協議，因此在網絡上某一站掉電的情況下可能會造成令牌的丟失，而導致網絡通信中斷，因此要在從站中加入OB82、OB86、OB122，在主站中加入OB85、OB86、OB87、OB122塊，這些塊的功能就是處理如上一些網絡異常情況，加入這些組織塊，可以保證在網絡上某個站點斷開或掉電時網絡其它部分還可以正常通信，不至于使主站停機。

   4 分布式IO和集成矢量變頻器的應用

   為了減少布線成本，并且使設備的控制模塊化，降低安裝和維護的難度，目前地理分布較大的設備都采用分布式IO系統，西門子的分布式IO設備有多種，這里ET200S系統比較適合在車間電控箱環境下應用，并且此系統具有集成的電機啟動器元件和集成的矢量變頻器元件可以選擇，其中，集成在ET200S系統中的IM矢量變頻器在我國煙草行業07年1月才首次應用，代表了西門子分布式IO系統在煙草行業中最新應用水平。電機啟動器和集成變頻器的使用大大簡化了控制柜的安裝和設計，為現場接線維護提供了方便。這兩種模塊都是可熱插拔的元件，維護起來非常簡單。
除維護方面的優點外，西門子的ET200S系統的價格優勢也是十分明顯的，經測算，ET200S的數字量模塊的每點價格分別為S7－300模塊的60％，為S7－400模塊的40％。ET200S的模擬量模塊每點的價格分別為S7－300模塊的50％，為S7－400模塊的30％。因此在系統設備分布范圍較廣，并且點數較多的情況下，使用ET200S在成本上是最好的選擇。

   IM變頻器集成了PorfiBusDP網絡接口，可以直接安裝在ET200S系統中，并且可以在軟件中設置VVVF算法、DTC算法、VC算法等常用的變頻算法，因此通用性強。這種變頻器的設置可以通過上位計算機進行，也可以將配置數據存儲在存儲卡中，更換元件的時候通過復制存儲卡中的數據進行設置，這對不熟悉此類變頻器設置方法的維護人員提供了方便。

   5 上位機的組態和編程

   在煙絲膨脹生產線的電控系統中使用了1臺上位計算機，是通過工業以太網與S7－400系統通信。在PLC控制系統中，常常要用到手自動轉換控制，這樣的邏輯若在PLC中使用梯形圖來完成，則是十分繁瑣和復雜的。本系統的手自動轉換控制程序在上位機的VBScript中完成，這樣就簡化了PLC中的梯形圖邏輯又充分利用了上位機的處理能力。具體例子如下：

   PLC中的某一點控制程序如下（使用語句表說明）：
 

   A(

   A condition1

   A condition2

   O

    AN condition1

   A condition3

   )

   A condition4

   = Q

   Condition1是手自動切換控制位，在上位機中進行切換；condition2是自動運行條件的控制邏輯；condition3是手動條件下的控制邏輯；condition4是在手自動情況下都需要的控制邏輯，比如一些安全連鎖條件等。在condition1為1的情況下，系統通過condition2和condition4控制輸出Q，當condition1為0的情況下，系統通過condition3和condition4控制輸出Q。在上位機中復位、置位condition1是非常方便的。這里要說明使用VBScript復位一組condition1的方法，程序如下：

   bValue=RunSys.OpenDatabase(3000) '打開運行數據庫;

   If bValue=1 Then

   RunSys.SetVarValue DO,"DO1",-1,fValue

   ………………………………………………

   ………………………………………………

   RunSys.CloseDatabase '關閉運行數據庫;

   End If

    將以上程序設置成上位機中某一按鈕的功能，并且按以上程序中第3句的規則成批修改PLC中的condition1的值（相當于以上程序中的DO1）就可實現成批手自動切換的功能。這種實現方式較在PLC中實現手自動切換和全自動切換要容易得多，而且邏輯清晰便于維護。

    6 結束語 

   煙絲膨脹生產線的控制系統采用了西門子的系列產品，包括S7－300PLC、S7－400PLC、分布式IO（ET200S）、工業以太網、ProfiBusDP工業現場總線、集成變頻器，在上位機的編程中充分利用了VBScript技術，實現了在PLC梯形圖中不易實現的邏輯，簡化了PLC的編程，便于現場維護和修改。 這些技術的應用保證了煙絲膨脹系統的控制系統簡潔高效的要求，對操作和維護人員的要求降低，便于用戶使用和擴展。

   參考文獻

   [1]崔堅. 西門子工業網絡通信指南（上冊）[M].機械工業出版社，2005.

   [2]崔堅. 西門子工業網絡通信指南（下冊）[M].機械工業出版社，2005.

   [3]北京杰控科技發展有限公司.FameView工業自動化數據組態監控系統說明書.6.X
版本，2006.

   作者簡介：楊繼志，男（1977.1- ），高級工程師，畢業于哈爾濱工程大學，目前在北京航天試驗技術研究所從事工業控制技術應用于研究工作。

    摘自《自動化博覽》2011年第九期