《自动化博览》

   （北京航天试验技术研究所 机电技术事业部， 北京 100074）杨继志 郭敬

    摘要：本文介绍了一种新型烟丝膨胀设备的电器控制系统。重点介绍了控制系统的组成、多级PLC的CPU之间ProfiBusDP总线通信组态和协同动作、工业以太网的应用、上位机的组态、分布式I/O以及集成矢量算法变频器系统的应用。

   关键词：工业控制；工业以太网；现场总线；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

    某烟厂联合我所开发了一套烟丝膨胀设备，设备的本体部分有电磁阀门32台，电动机19台，液位信号8路，温度信号3路，压力信号4路，行程及位置信号50路，物料信号3路，连锁信号4路，内部数字输入信号、内部输出信号多路。信号量较大，还有外围独立设备4套，与本体之间具有复杂的连锁保护关系。生产工艺上要求安全连锁、保护逻辑完善，尽可能减少停机准备时间，系统便于工人操作和工程师维护。从用户的角度，系统要自成体系，包括供电、水、压缩空气、蒸汽等，并且能方便的进入车间级集中控制。设备空间分布较大，需要运行人员能方便地在设备本地观察到设备整体运行情况并且能对本地设备有效控制。本文针对以上特点逐一介绍系统的组成和技术问题的解决。

   1 系统的总体组成

    根据烟丝膨胀工艺，从控制角度可以把设备分成4类。1类设备为膨前设备，主要用于，烟丝膨胀工艺前的烟丝准备、贮存、上料。2类设备为膨胀设备，主要完成膨胀工艺，包括膨胀介质的存储、加注回收和膨胀。3类设备为膨化后的附联处理段设备，主要完成烟丝膨胀后的存贮运输，以及后续工艺的连接。4类设备为外围设备，包括微波膨化设备，冷冻设备，回潮设备，冷却水系统设备，此类设备的特点是自身有一套控制系统，均由设备厂家提供，其工艺过程的控制也打包在其控制系统内部，不需要主控制系统操作，主控制系统主要是解决好主工艺与外围设备之间的安全连锁，信息和命令传递等。根据以上对工艺过程的分析，设计膨胀设备的电控系统总体上由1套上位计算机系统，一套S7－400PLC系统，1套S7－300PLC系统，8套ET200S分布式IO系统，本地设备的触摸屏组成，如图1。上位机与作为主控器的S7－400PLC之间采用工业以太网通信，S7－400与S7－300以及ET200S系统之间采用ProfiBusDP网络通信，触摸屏通过MPI通信方式与自己的主控器通信。分布式IO采用了集成的电机启动器和集成的变频器。S7－400系统用于控制主工艺，并且负责协调外围设备，S7－300系统用于膨后工艺段的控制，由于膨前膨后的设备位置分布较广，就使用了ET200S的分布式IO系统和本地触摸屏，保证操作人员能方便的控制本地设备，并且简化了控制系统的安装制造，合理的分配功能和设计。

                
                             图1 烟丝膨化设备电控系统组成图

    2 工业以太网的应用 

    以太网技术出现于上个世纪70年代，成熟于80年代，在1995年以后具有了工业化的趋势，各大工控公司推出自己的具有工业以太网功能的通信模块。工业以太网与传统的以太网具有如表1的区别。

                            表1工业以太网与传统以太网的比较
        

    西门子的工业以太网系统提供了专用的以太网卡，1613卡，价格较高，一般的通用的工业组态软件，针对西门子的工业以太网开发了专用的通信驱动程序，因此也可以在普通的以太网卡下使用，降低了成本，在车间环境较好的条件下对通信的可靠性影响可以忽略不计，这样降低了控制系统的成本。

    以太网的通信是目前工业通信总线中通信速度最快的一种，并且可以非常方便的与工厂的局域网络通信，是上位机通信的最佳选择。通信距离通过通用的网络信号再生器等设备几乎可以不受限制地扩展为任何距离。通信速度在这样广的范围内可以得到保证。现场的控制数据若要进入工厂局域网，甚至是广域的INTER网，以太网是最好的接口，可以真正实现无缝连接。

    3 ProfibusDP网络的应用

    ProfibusDP网络是西门子为离散控制系统设计的现场总线，目前得到了世界上绝大多数工业控制厂家的支持，在离散现场总线中占有绝对的优势。它使用了ISO/OSI通信标准模型的物理层和数据链路层，其中物理层中遵循RS485物理标准的模块在工业场合应用较多，价格也较便宜。在9.6~187.5kbit/s的通信速率下通信距离可以达到1000m，因此适合绝大多数的工业控制场合。在SET7软件中组态西门子各站点的ProfiBusDP网络地址是十分方便的，可参考图2，组态后的数据下载到相应的PLC的CPU中，系统即可通过设定的地址进行通信。基于以上优点本系统PLC之间的通信，PLC与远程IO之间的通信采用了PorfibusDP网络（HMI与PLC之间的通信数据量小并且是突发型数据，若采用ProfibusDP网络则较占用网络资源，因此采用了MPI通信方式）。

                
                             图2 S7－400ProfiBus地址的设置

   3.1 ProfiBusDP网络主站程序的编制

   ProfiBusDP主站的接收和发送数据首先要在系统组态时确定通信的对象，在软件程序中实现通信，具体就是在系统块中SFC14和SFC15中实现。SFC14负责数据接收，SFC15负责数据发送，程序如下：

   CALL “DPRD_DAT” SFC14

   LADDR :=W#16#0

    RET_VAL:=MW2
 

    RECORD:=P#DB1.DBX0.0 BYTE 10

   这段程序的功能是使用SFC14解开主站存放在IB0~IB9中的数据包，并存放在DB1.DBB0~DB1.DBB9中。

    主站数据发送的程序编制方法如下：

    CALL “DPWR_DAT” SFC15

   LADDR:=W#16#0

   RECORD:=P#DB2.DBX0.0BYTE10

   RET_VAL:=MW4

    这段程序的功能是使用SFC15发送主站存放在DB2.DBB0~DB2.DBB9中的数据包到QB0～QB9。

   3.2 ProfiBusDP网络从站程序的编制

    ProfiBusDP从站的接收和发送数据同样是在系统块中实现的。同样SFC14负责数据接收，SFC15负责数据发送。具体的编制方法与主站相同。如采用以上主站编程中的参数，则它们之间的数据交换情况如下：

   主站数据DB2.DBB0~DB2.DBB9发送到从站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   从站数据DB2.DBB0~DB2.DBB9发送到主站DB1.DBB0~DB1.DBB9中

   程序中的参数LADDR表示接口数据区的起始地址，参数RET_VAL表示状态字，参数表示通信数据区，一般为ANY指针格式。

   3.3 ProfiBusDP网络安装和编程的注意事项

   ProfiBusDP网络在网络的终端需要连接匹配电阻，以吸收网络电信号的回波。在安装过程中要注意将网络终端的适配器的匹配电阻设置为“ON”状态。PorfiBusDP是采用令牌环网的通信协议，因此在网络上某一站掉电的情况下可能会造成令牌的丢失，而导致网络通信中断，因此要在从站中加入OB82、OB86、OB122，在主站中加入OB85、OB86、OB87、OB122块，这些块的功能就是处理如上一些网络异常情况，加入这些组织块，可以保证在网络上某个站点断开或掉电时网络其它部分还可以正常通信，不至于使主站停机。

   4 分布式IO和集成矢量变频器的应用

   为了减少布线成本，并且使设备的控制模块化，降低安装和维护的难度，目前地理分布较大的设备都采用分布式IO系统，西门子的分布式IO设备有多种，这里ET200S系统比较适合在车间电控箱环境下应用，并且此系统具有集成的电机启动器元件和集成的矢量变频器元件可以选择，其中，集成在ET200S系统中的IM矢量变频器在我国烟草行业07年1月才首次应用，代表了西门子分布式IO系统在烟草行业中最新应用水平。电机启动器和集成变频器的使用大大简化了控制柜的安装和设计，为现场接线维护提供了方便。这两种模块都是可热插拔的元件，维护起来非常简单。
除维护方面的优点外，西门子的ET200S系统的价格优势也是十分明显的，经测算，ET200S的数字量模块的每点价格分别为S7－300模块的60％，为S7－400模块的40％。ET200S的模拟量模块每点的价格分别为S7－300模块的50％，为S7－400模块的30％。因此在系统设备分布范围较广，并且点数较多的情况下，使用ET200S在成本上是最好的选择。

   IM变频器集成了PorfiBusDP网络接口，可以直接安装在ET200S系统中，并且可以在软件中设置VVVF算法、DTC算法、VC算法等常用的变频算法，因此通用性强。这种变频器的设置可以通过上位计算机进行，也可以将配置数据存储在存储卡中，更换元件的时候通过复制存储卡中的数据进行设置，这对不熟悉此类变频器设置方法的维护人员提供了方便。

   5 上位机的组态和编程

   在烟丝膨胀生产线的电控系统中使用了1台上位计算机，是通过工业以太网与S7－400系统通信。在PLC控制系统中，常常要用到手自动转换控制，这样的逻辑若在PLC中使用梯形图来完成，则是十分繁琐和复杂的。本系统的手自动转换控制程序在上位机的VBScript中完成，这样就简化了PLC中的梯形图逻辑又充分利用了上位机的处理能力。具体例子如下：

   PLC中的某一点控制程序如下（使用语句表说明）：
 

   A(

   A condition1

   A condition2

   O

    AN condition1

   A condition3

   )

   A condition4

   = Q

   Condition1是手自动切换控制位，在上位机中进行切换；condition2是自动运行条件的控制逻辑；condition3是手动条件下的控制逻辑；condition4是在手自动情况下都需要的控制逻辑，比如一些安全连锁条件等。在condition1为1的情况下，系统通过condition2和condition4控制输出Q，当condition1为0的情况下，系统通过condition3和condition4控制输出Q。在上位机中复位、置位condition1是非常方便的。这里要说明使用VBScript复位一组condition1的方法，程序如下：

   bValue=RunSys.OpenDatabase(3000) '打开运行数据库;

   If bValue=1 Then

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

   ………………………………………………

   ………………………………………………

   RunSys.CloseDatabase '关闭运行数据库;

   End If

    将以上程序设置成上位机中某一按钮的功能，并且按以上程序中第3句的规则成批修改PLC中的condition1的值（相当于以上程序中的DO1）就可实现成批手自动切换的功能。这种实现方式较在PLC中实现手自动切换和全自动切换要容易得多，而且逻辑清晰便于维护。

    6 结束语 

   烟丝膨胀生产线的控制系统采用了西门子的系列产品，包括S7－300PLC、S7－400PLC、分布式IO（ET200S）、工业以太网、ProfiBusDP工业现场总线、集成变频器，在上位机的编程中充分利用了VBScript技术，实现了在PLC梯形图中不易实现的逻辑，简化了PLC的编程，便于现场维护和修改。 这些技术的应用保证了烟丝膨胀系统的控制系统简洁高效的要求，对操作和维护人员的要求降低，便于用户使用和扩展。

   参考文献

   [1]崔坚. 西门子工业网络通信指南（上册）[M].机械工业出版社，2005.

   [2]崔坚. 西门子工业网络通信指南（下册）[M].机械工业出版社，2005.

   [3]北京杰控科技发展有限公司.FameView工业自动化数据组态监控系统说明书.6.X
版本，2006.

   作者简介：杨继志，男（1977.1- ），高级工程师，毕业于哈尔滨工程大学，目前在北京航天试验技术研究所从事工业控制技术应用于研究工作。

    摘自《自动化博览》2011年第九期