1  引言

        PLC(Programmable Logical Controller)通常稱(chēng)為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現代計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它有體積小、功能強、程序設計簡(jiǎn)單、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，維護方便等優(yōu)點(diǎn)，使它的應用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)被稱(chēng)為現代工業(yè)的三大支柱之一。PLC既能實(shí)現開(kāi)關(guān)量信號的邏輯控制，又能實(shí)現與計算機等智能設備之間的通信，而且還具有較強的數據處理能力。當選配相應的模擬量I/O模塊后，就可以實(shí)現對生產(chǎn)現場(chǎng)模擬量I/O信號的處理和生產(chǎn)設備的連續控制。

2  系統結構

        筆者在北京卷煙廠(chǎng)和遵義卷煙廠(chǎng)的干冰膨脹煙絲系統中采用了分布式計算機控制系統，由西門(mén)子的SIMATIC系列PLC S7-4143DP、WinCC過(guò)程監控軟件以及MP370作為人機界面操作站。系統下位機采用S7-4143DP型PLC構成雙機冗余控制系統。上位機采用WinCC開(kāi)發(fā)監控應用程序并構成冗余監控系統。系統采用授權的方式區別工程師和操作員，日常操作和系統維護的分離使系統可以長(cháng)期穩定運行。由下位機完成所有的系統控制程序，上位機完成工藝流程參數顯示、報警、統計、打印等功能?，F場(chǎng)監控采用MP370系列圖形化終端，該終端通過(guò)專(zhuān)用串口通信線(xiàn)或PROFIBUS-DP與PLC相連。該結構既利用了PLC的可靠性和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，又利用了工業(yè)軟件豐富、顯示功能強和輸入方便等優(yōu)點(diǎn)，并且系統具在良好的可擴充性。對于惡劣環(huán)境也有較強的適應能力。網(wǎng)絡(luò )及硬件示意圖如圖1所示。

3  硬件設計

        它的硬件構成主要有PLC、分布式的ET200S工作站、P+F現場(chǎng)總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )、操作員與工程師站組成。為了使系統具有高可靠性，硬件組成采用冗余設計，PLC選用S7-4143DP，分布式工作站ET200S直接掛接西門(mén)子饋電器，饋電器的輸入輸出點(diǎn)可直接通過(guò)接口與ET200S的IM151模塊進(jìn)行通訊。在檢測元件較多的單臺設備上采用了P+F總線(xiàn)系統，可利用P+F總線(xiàn)模塊對接近開(kāi)關(guān)、光電管的輸入、輸出信號進(jìn)行采集，各模塊之間通過(guò)P+F總線(xiàn)電纜連接。兩塊CPU之間通過(guò)專(zhuān)用的MPI網(wǎng)絡(luò )實(shí)現CPU之間的冗余。CPU和分布式工作站ET200S以及P+F網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)相連構成通訊網(wǎng)絡(luò )的冗余。CPU與操作員站、工程師站之間光纖連接，網(wǎng)絡(luò )由四塊光纖收發(fā)器與二條光纖構成，構成光纖的主環(huán)與副環(huán)，若主環(huán)某一點(diǎn)出現故障或斷線(xiàn)，則會(huì )立即啟動(dòng)備用的副環(huán)，自動(dòng)形成一個(gè)新的邏輯環(huán)路。上位機有工作站和服務(wù)器組成，監視系統的運行情況。

圖1  系統結構示意圖

4  軟件設計

        (1)  PLC程序設計

        STEP7編程軟件基于Windows95/98WindowsNT/2000，是為S7-300/400 PLC配置和編程的標準軟件包。通過(guò)STEP7用戶(hù)可以進(jìn)行系統配置和程序的編寫(xiě)、調試，在線(xiàn)診斷PLC硬件狀態(tài)，控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。STEP7的編程語(yǔ)言梯形邏輯圖、語(yǔ)句表、功能塊圖都集成在一個(gè)標準軟件包中，并且可以互相轉化，編寫(xiě)簡(jiǎn)便，易于掌握。

        (2)  WinCC監控軟件

        WinCC是基于32位操作系統的面向對象的應用軟件，是一個(gè)較為實(shí)用且與SIMATIC產(chǎn)品無(wú)縫連接的組態(tài)軟件，可以實(shí)現控制界面設計、硬件組態(tài)、標簽歸檔、報警歸檔、打印歸檔與用戶(hù)管理。另外WinCC擁有完備的工業(yè)圖形庫，如閥門(mén)、反應罐、模擬傳統顯示儀表、管道等，方便了工程師設計監控系統的過(guò)程畫(huà)面。而且該軟件的WinCC冗余插件REDUNDANCY允許用戶(hù)同時(shí)運行兩臺并行的WinCC單用戶(hù)系統或服務(wù)器PC實(shí)現相互監控。WinCC能夠在生產(chǎn)過(guò)程中危急情況的初發(fā)階段進(jìn)行報告，這些信號既可以在屏幕上顯示出來(lái)，也可以通過(guò)聲卡用聲音表現出來(lái)。WinCC支持用幫助功能和操作指南來(lái)消除故障。某一WinCC工作站可專(zhuān)門(mén)用于過(guò)程控制以使那些重要的過(guò)程信息不被屏蔽。軟件輔助操作策略保護過(guò)程不會(huì )非法訪(fǎng)問(wèn)，并提供用于工業(yè)環(huán)境中的無(wú)錯操作。如果有一臺服務(wù)器發(fā)生故障，第二臺服務(wù)器會(huì )接替并控制整個(gè)系統。當有故障的服務(wù)器恢復運行時(shí)，第二臺服務(wù)器自動(dòng)地為重新啟動(dòng)的服務(wù)器復制所有的過(guò)程變量和信息，并且重新控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。在正常情況下，兩臺WinCC站保持并聯(lián)運行，也就是說(shuō)每個(gè)站都有自己的過(guò)程連接和數據存檔，WinCC冗余插件保證兩個(gè)系統和用戶(hù)專(zhuān)用的存檔數據自動(dòng)的相互匹配。在本系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，筆者使用WinCC冗余插件實(shí)現了兩臺并聯(lián)運行服務(wù)器的冗余監控。從而實(shí)現HMI對煙機的適應能力。

        (3)  現場(chǎng)操作站

        現場(chǎng)操作站采用MP 370產(chǎn)品，它通過(guò)串口或PROFIBUS-DP與PLC相連，該操作站的開(kāi)發(fā)軟件為ProTool。MP370可用來(lái)直接訪(fǎng)問(wèn)連接的PLC和外圍設備以讀、寫(xiě)數值，不必將附加編程單元或PC連接至PLC，就可以方便地監控、修改PLC程序操作數。并且SIMATIC HMI符號庫是一個(gè)包含來(lái)自生產(chǎn)領(lǐng)域圖形的綜合庫，該庫延伸了為項目產(chǎn)生大量畫(huà)面和逼真表現外表的可能性，畫(huà)面圖形包含大量的類(lèi)別范圍，例如：閥、電機、罐狀集裝箱、傳送帶、工廠(chǎng)建筑物、3DISA符號、冷卻和加熱系統等。使用畫(huà)面的編輯器，在任何SIMATIC HMI符號庫中的對象可以插入到當前的畫(huà)面，并且根據自己的需要進(jìn)行編輯，還可以制作配方畫(huà)面。該軟件完全基于面向對象操作的原則，與日常工作規程一致，容易理解。用戶(hù)可以充分發(fā)揮自己的想象力，使用軟件系統提供的點(diǎn)、直線(xiàn)、矩形、棒圖、趨勢曲線(xiàn)以及位圖等圖形元素以及文本、變量、軟鍵盤(pán)、消息等對象，并且創(chuàng )建自己的字體來(lái)設計自己監控畫(huà)面，如圖2所示。創(chuàng )建完自己的畫(huà)面后，進(jìn)行編譯，編輯器將其轉換為終端可以理解的形式，編譯成功后選擇Download將該文件通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接下載到終端。

圖2  監控畫(huà)面

5  結語(yǔ)

    采用上述方案，筆者設計了北京卷煙廠(chǎng)和遵義卷煙廠(chǎng)的干冰膨脹煙絲系統，實(shí)際運行狀況表明：該方案具有明顯抗干擾能力，操作簡(jiǎn)便易懂。從而使得裝置的安全性、可靠性得到了極大提高；對生產(chǎn)線(xiàn)的運行情況實(shí)時(shí)跟蹤，進(jìn)行數據采樣，較大的提高了工廠(chǎng)的信息化程度，并取得了較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。