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   （北京航天試驗技術(shù)研究所 機電技術(shù)事業(yè)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(shè)備的電器控制系統(tǒng)。重點介紹了控制系統(tǒng)的組成、多級PLC的CPU之間ProfiBusDP總線通信組態(tài)和協(xié)同動作、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用、上位機的組態(tài)、分布式I/O以及集成矢量算法變頻器系統(tǒng)的應(yīng)用。

   關(guān)鍵詞：工業(yè)控制；工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)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(lián)合我所開發(fā)了一套煙絲膨脹設(shè)備，設(shè)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(nèi)部數(shù)字輸入信號、內(nèi)部輸出信號多路。信號量較大，還有外圍獨立設(shè)備4套，與本體之間具有復(fù)雜的連鎖保護(hù)關(guān)系。生產(chǎn)工藝上要求安全連鎖、保護(hù)邏輯完善，盡可能減少停機準(zhǔn)備時間，系統(tǒng)便于工人操作和工程師維護(hù)。從用戶的角度，系統(tǒng)要自成體系，包括供電、水、壓縮空氣、蒸汽等，并且能方便的進(jìn)入車間級集中控制。設(shè)備空間分布較大，需要運行人員能方便地在設(shè)備本地觀察到設(shè)備整體運行情況并且能對本地設(shè)備有效控制。本文針對以上特點逐一介紹系統(tǒng)的組成和技術(shù)問題的解決。

   1 系統(tǒng)的總體組成

    根據(jù)煙絲膨脹工藝，從控制角度可以把設(shè)備分成4類。1類設(shè)備為膨前設(shè)備，主要用于，煙絲膨脹工藝前的煙絲準(zhǔn)備、貯存、上料。2類設(shè)備為膨脹設(shè)備，主要完成膨脹工藝，包括膨脹介質(zhì)的存儲、加注回收和膨脹。3類設(shè)備為膨化后的附聯(lián)處理段設(shè)備，主要完成煙絲膨脹后的存貯運輸，以及后續(xù)工藝的連接。4類設(shè)備為外圍設(shè)備，包括微波膨化設(shè)備，冷凍設(shè)備，回潮設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)設(shè)備，此類設(shè)備的特點是自身有一套控制系統(tǒng)，均由設(shè)備廠家提供，其工藝過程的控制也打包在其控制系統(tǒng)內(nèi)部，不需要主控制系統(tǒng)操作，主控制系統(tǒng)主要是解決好主工藝與外圍設(shè)備之間的安全連鎖，信息和命令傳遞等。根據(jù)以上對工藝過程的分析，設(shè)計膨脹設(shè)備的電控系統(tǒng)總體上由1套上位計算機系統(tǒng)，一套S7－400PLC系統(tǒng)，1套S7－300PLC系統(tǒng)，8套ET200S分布式IO系統(tǒng)，本地設(shè)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(yè)以太網(wǎng)通信，S7－400與S7－300以及ET200S系統(tǒng)之間采用ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)用于控制主工藝，并且負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)外圍設(shè)備，S7－300系統(tǒng)用于膨后工藝段的控制，由于膨前膨后的設(shè)備位置分布較廣，就使用了ET200S的分布式IO系統(tǒng)和本地觸摸屏，保證操作人員能方便的控制本地設(shè)備，并且簡化了控制系統(tǒng)的安裝制造，合理的分配功能和設(shè)計。

                
                             圖1 煙絲膨化設(shè)備電控系統(tǒng)組成圖

    2 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用 

    以太網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)于上個世紀(jì)70年代，成熟于80年代，在1995年以后具有了工業(yè)化的趨勢，各大工控公司推出自己的具有工業(yè)以太網(wǎng)功能的通信模塊。工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)具有如表1的區(qū)別。

                            表1工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的比較
        

    西門子的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)提供了專用的以太網(wǎng)卡，1613卡，價格較高，一般的通用的工業(yè)組態(tài)軟件，針對西門子的工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)了專用的通信驅(qū)動程序，因此也可以在普通的以太網(wǎng)卡下使用，降低了成本，在車間環(huán)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(tǒng)的成本。

    以太網(wǎng)的通信是目前工業(yè)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(wǎng)絡(luò)通信，是上位機通信的最佳選擇。通信距離通過通用的網(wǎng)絡(luò)信號再生器等設(shè)備幾乎可以不受限制地擴(kuò)展為任何距離。通信速度在這樣廣的范圍內(nèi)可以得到保證。現(xiàn)場的控制數(shù)據(jù)若要進(jìn)入工廠局域網(wǎng)，甚至是廣域的INTER網(wǎng)，以太網(wǎng)是最好的接口，可以真正實現(xiàn)無縫連接。

    3 ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

    ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)是西門子為離散控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)場總線，目前得到了世界上絕大多數(shù)工業(yè)控制廠家的支持，在離散現(xiàn)場總線中占有絕對的優(yōu)勢。它使用了ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中物理層中遵循RS485物理標(biāo)準(zhǔn)的模塊在工業(yè)場合應(yīng)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(dá)到1000m，因此適合絕大多數(shù)的工業(yè)控制場合。在SET7軟件中組態(tài)西門子各站點的ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)地址是十分方便的，可參考圖2，組態(tài)后的數(shù)據(jù)下載到相應(yīng)的PLC的CPU中，系統(tǒng)即可通過設(shè)定的地址進(jìn)行通信。基于以上優(yōu)點本系統(tǒng)PLC之間的通信，PLC與遠(yuǎn)程IO之間的通信采用了PorfibusDP網(wǎng)絡(luò)（HMI與PLC之間的通信數(shù)據(jù)量小并且是突發(fā)型數(shù)據(jù)，若采用ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)則較占用網(wǎng)絡(luò)資源，因此采用了MPI通信方式）。

                
                             圖2 S7－400ProfiBus地址的設(shè)置

   3.1 ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)主站程序的編制

   ProfiBusDP主站的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)首先要在系統(tǒng)組態(tài)時確定通信的對象，在軟件程序中實現(xiàn)通信，具體就是在系統(tǒng)塊中SFC14和SFC15中實現(xiàn)。SFC14負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，SFC15負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)包，并存放在DB1.DBB0~DB1.DBB9中。

    主站數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送主站存放在DB2.DBB0~DB2.DBB9中的數(shù)據(jù)包到QB0～QB9。

   3.2 ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)從站程序的編制

    ProfiBusDP從站的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)同樣是在系統(tǒng)塊中實現(xiàn)的。同樣SFC14負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，SFC15負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)，則它們之間的數(shù)據(jù)交換情況如下：

   主站數(shù)據(jù)DB2.DBB0~DB2.DBB9發(fā)送到從站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   從站數(shù)據(jù)DB2.DBB0~DB2.DBB9發(fā)送到主站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   程序中的參數(shù)LADDR表示接口數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址，參數(shù)RET_VAL表示狀態(tài)字，參數(shù)表示通信數(shù)據(jù)區(qū)，一般為ANY指針格式。

   3.3 ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)安裝和編程的注意事項

   ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的終端需要連接匹配電阻，以吸收網(wǎng)絡(luò)電信號的回波。在安裝過程中要注意將網(wǎng)絡(luò)終端的適配器的匹配電阻設(shè)置為“ON”狀態(tài)。PorfiBusDP是采用令牌環(huán)網(wǎng)的通信協(xié)議，因此在網(wǎng)絡(luò)上某一站掉電的情況下可能會造成令牌的丟失，而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)異常情況，加入這些組織塊，可以保證在網(wǎng)絡(luò)上某個站點斷開或掉電時網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用

   為了減少布線成本，并且使設(shè)備的控制模塊化，降低安裝和維護(hù)的難度，目前地理分布較大的設(shè)備都采用分布式IO系統(tǒng)，西門子的分布式IO設(shè)備有多種，這里ET200S系統(tǒng)比較適合在車間電控箱環(huán)境下應(yīng)用，并且此系統(tǒng)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(tǒng)中的IM矢量變頻器在我國煙草行業(yè)07年1月才首次應(yīng)用，代表了西門子分布式IO系統(tǒng)在煙草行業(yè)中最新應(yīng)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(shè)計，為現(xiàn)場接線維護(hù)提供了方便。這兩種模塊都是可熱插拔的元件，維護(hù)起來非常簡單。
除維護(hù)方面的優(yōu)點外，西門子的ET200S系統(tǒng)的價格優(yōu)勢也是十分明顯的，經(jīng)測算，ET200S的數(shù)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(tǒng)設(shè)備分布范圍較廣，并且點數(shù)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(wǎng)絡(luò)接口，可以直接安裝在ET200S系統(tǒng)中，并且可以在軟件中設(shè)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(shè)置可以通過上位計算機進(jìn)行，也可以將配置數(shù)據(jù)存儲在存儲卡中，更換元件的時候通過復(fù)制存儲卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，這對不熟悉此類變頻器設(shè)置方法的維護(hù)人員提供了方便。

   5 上位機的組態(tài)和編程

   在煙絲膨脹生產(chǎn)線的電控系統(tǒng)中使用了1臺上位計算機，是通過工業(yè)以太網(wǎng)與S7－400系統(tǒng)通信。在PLC控制系統(tǒng)中，常常要用到手自動轉(zhuǎn)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(fù)雜的。本系統(tǒng)的手自動轉(zhuǎn)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(jìn)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(tǒng)通過condition2和condition4控制輸出Q，當(dāng)condition1為0的情況下，系統(tǒng)通過condition3和condition4控制輸出Q。在上位機中復(fù)位、置位condition1是非常方便的。這里要說明使用VBScript復(fù)位一組condition1的方法，程序如下：

   bValue=RunSys.OpenDatabase(3000) '打開運行數(shù)據(jù)庫;

   If bValue=1 Then

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

   ………………………………………………

   ………………………………………………

   RunSys.CloseDatabase '關(guān)閉運行數(shù)據(jù)庫;

   End If

    將以上程序設(shè)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(guī)則成批修改PLC中的condition1的值（相當(dāng)于以上程序中的DO1）就可實現(xiàn)成批手自動切換的功能。這種實現(xiàn)方式較在PLC中實現(xiàn)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(hù)。

    6 結(jié)束語 

   煙絲膨脹生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用了西門子的系列產(chǎn)品，包括S7－300PLC、S7－400PLC、分布式IO（ET200S）、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfiBusDP工業(yè)現(xiàn)場總線、集成變頻器，在上位機的編程中充分利用了VBScript技術(shù)，實現(xiàn)了在PLC梯形圖中不易實現(xiàn)的邏輯，簡化了PLC的編程，便于現(xiàn)場維護(hù)和修改。 這些技術(shù)的應(yīng)用保證了煙絲膨脹系統(tǒng)的控制系統(tǒng)簡潔高效的要求，對操作和維護(hù)人員的要求降低，便于用戶使用和擴(kuò)展。

   參考文獻(xiàn)

   [1]崔堅. 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南（上冊）[M].機械工業(yè)出版社，2005.

   [2]崔堅. 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南（下冊）[M].機械工業(yè)出版社，2005.

   [3]北京杰控科技發(fā)展有限公司.FameView工業(yè)自動化數(shù)據(jù)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，目前在北京航天試驗技術(shù)研究所從事工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用于研究工作。

    摘自《自動化博覽》2011年第九期