（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備的電器控制系統。重點(diǎn)介紹了控制系統的組成、多級PLC的CPU之間ProfiBusDP總線(xiàn)通信組態(tài)和協(xié)同動(dòng)作、工業(yè)以太網(wǎng)的應用、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的應用。

   關(guān)鍵詞：工業(yè)控制；工業(yè)以太網(wǎng)；現場(chǎng)總線(xiàn)；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(chǎng)聯(lián)合我所開(kāi)發(fā)了一套煙絲膨脹設備，設備的本體部分有電磁閥門(mén)32臺，電動(dòng)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(guān)系。生產(chǎn)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(shí)間，系統便于工人操作和工程師維護。從用戶(hù)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(jìn)入車(chē)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(guān)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(diǎn)逐一介紹系統的組成和技術(shù)問(wèn)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(lèi)。1類(lèi)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(lèi)設備為膨脹設備，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(lèi)設備為膨化后的附聯(lián)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(lèi)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(lèi)設備的特點(diǎn)是自身有一套控制系統，均由設備廠(chǎng)家提供，其工藝過(guò)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(guò)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(yè)以太網(wǎng)通信，S7－400與S7－300以及ET200S系統之間采用ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò )通信，觸摸屏通過(guò)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(dòng)器和集成的變頻器。S7－400系統用于控制主工藝，并且負責協(xié)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(jiǎn)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(yè)以太網(wǎng)的應用 

    以太網(wǎng)技術(shù)出現于上個(gè)世紀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)與傳統的以太網(wǎng)具有如表1的區別。

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

    西門(mén)子的工業(yè)以太網(wǎng)系統提供了專(zhuān)用的以太網(wǎng)卡，1613卡，價(jià)格較高，一般的通用的工業(yè)組態(tài)軟件，針對西門(mén)子的工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的通信驅動(dòng)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(chē)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的成本。

    以太網(wǎng)的通信是目前工業(yè)通信總線(xiàn)中通信速度最快的一種，并且可以非常方便的與工廠(chǎng)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(guò)通用的網(wǎng)絡(luò )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?，F場(chǎng)的控制數據若要進(jìn)入工廠(chǎng)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(shí)現無(wú)縫連接。

    3 ProfibusDP網(wǎng)絡(luò )的應用

    ProfibusDP網(wǎng)絡(luò )是西門(mén)子為離散控制系統設計的現場(chǎng)總線(xiàn)，目前得到了世界上絕大多數工業(yè)控制廠(chǎng)家的支持，在離散現場(chǎng)總線(xiàn)中占有絕對的優(yōu)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(yè)場(chǎng)合應用較多，價(jià)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(yè)控制場(chǎng)合。在SET7軟件中組態(tài)西門(mén)子各站點(diǎn)的ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò )地址是十分方便的，可參考圖2，組態(tài)后的數據下載到相應的PLC的CPU中，系統即可通過(guò)設定的地址進(jìn)行通信?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本系統PLC之間的通信，PLC與遠程IO之間的通信采用了PorfibusDP網(wǎng)絡(luò )（HMI與PLC之間的通信數據量小并且是突發(fā)型數據，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)送數據首先要在系統組態(tài)時(shí)確定通信的對象，在軟件程序中實(shí)現通信，具體就是在系統塊中SFC14和SFC15中實(shí)現。SFC14負責數據接收，SFC15負責數據發(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(kāi)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(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中的數據包到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)送數據同樣是在系統塊中實(shí)現的。同樣SFC14負責數據接收，SFC15負責數據發(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，則它們之間的數據交換情況如下：

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

   從站數據DB2.DBB0~DB2.DBB9發(fā)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(tài)字，參數表示通信數據區，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(guò)程中要注意將網(wǎng)絡(luò )終端的適配器的匹配電阻設置為“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(huì )造成令牌的丟失，而導致網(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(gè)站點(diǎn)斷開(kāi)或掉電時(shí)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用

   為了減少布線(xiàn)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(mén)子的分布式IO設備有多種，這里ET200S系統比較適合在車(chē)間電控箱環(huán)境下應用，并且此系統具有集成的電機啟動(dòng)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(yè)07年1月才首次應用，代表了西門(mén)子分布式IO系統在煙草行業(yè)中最新應用水平。電機啟動(dòng)器和集成變頻器的使用大大簡(jiǎn)化了控制柜的安裝和設計，為現場(chǎng)接線(xiàn)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(lái)非常簡(jiǎn)單。
除維護方面的優(yōu)點(diǎn)外，西門(mén)子的ET200S系統的價(jià)格優(yōu)勢也是十分明顯的，經(jīng)測算，ET200S的數字量模塊的每點(diǎn)價(jià)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(diǎn)的價(jià)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(diǎn)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(wǎng)絡(luò )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(guò)上位計算機進(jìn)行，也可以將配置數據存儲在存儲卡中，更換元件的時(shí)候通過(guò)復制存儲卡中的數據進(jìn)行設置，這對不熟悉此類(lèi)變頻器設置方法的維護人員提供了方便。

   5 上位機的組態(tài)和編程

   在煙絲膨脹生產(chǎn)線(xiàn)的電控系統中使用了1臺上位計算機，是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與S7－400系統通信。在PLC控制系統中，常常要用到手自動(dòng)轉換控制，這樣的邏輯若在PLC中使用梯形圖來(lái)完成，則是十分繁瑣和復雜的。本系統的手自動(dòng)轉換控制程序在上位機的VBScript中完成，這樣就簡(jiǎn)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(diǎn)控制程序如下（使用語(yǔ)句表說(shuō)明）：
 

   A(

   A condition1

   A condition2

   O

    AN condition1

   A condition3

   )

   A condition4

   = Q

   Condition1是手自動(dòng)切換控制位，在上位機中進(jìn)行切換；condition2是自動(dòng)運行條件的控制邏輯；condition3是手動(dòng)條件下的控制邏輯；condition4是在手自動(dòng)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(guò)condition2和condition4控制輸出Q，當condition1為0的情況下，系統通過(guò)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(shuō)明使用VBScript復位一組condition1的方法，程序如下：

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

   If bValue=1 Then

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

   ………………………………………………

   ………………………………………………

   RunSys.CloseDatabase '關(guān)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(shí)現成批手自動(dòng)切換的功能。這種實(shí)現方式較在PLC中實(shí)現手自動(dòng)切換和全自動(dòng)切換要容易得多，而且邏輯清晰便于維護。

    6 結束語(yǔ) 

   煙絲膨脹生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統采用了西門(mén)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)現場(chǎng)總線(xiàn)、集成變頻器，在上位機的編程中充分利用了VBScript技術(shù)，實(shí)現了在PLC梯形圖中不易實(shí)現的邏輯，簡(jiǎn)化了PLC的編程，便于現場(chǎng)維護和修改。 這些技術(shù)的應用保證了煙絲膨脹系統的控制系統簡(jiǎn)潔高效的要求，對操作和維護人員的要求降低，便于用戶(hù)使用和擴展。

   參考文獻

   [1]崔堅. 西門(mén)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(mén)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(dòng)化數據組態(tài)監控系統說(shuō)明書(shū).6.X
版本，2006.

   作者簡(jiǎn)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)應用于研究工作。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第九期