西门子6ES7223-1PL22-0XA8产品

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 引言

    在大型通信台站中，其关键设备是发信设备，发信设备的自动化控制水平和性直接关系到发信任务的完成，而目前在大功率、强噪声、存在着微波辐射的通信台站中，发信设备大多仍采用人工操作并结合仪表监控，控制品质不高。随着工业过程控制技术和计算机网络技术的发展，在发信控制系统中引入的控制技术和计算机网络技术，实现发信设备的自动监控，对于提高工作效率，保证发信设备的、稳定运行，减轻值班人员的工作强度、改善工作环境具有十分重要的意义。本文主要讨论了如何运用PLC(可编程控制器)软件和组态软件来实现发信系统的监控功能。

    系统设计目标

    本发信系统的主要由两套发信机及其电源设备、调压设备、并机开关柜、调谐设备、天线、水冷系统等相关设备组成。发信工作流程图如图1。

    图1发信主要流程图

    发信系统的主要任务是实现对发信设备的工作状态进行实时监控、故障检测及保护，保证发信任务的完成。主要有以下自动监控功能：

    现场开关柜自动有序启、停以及自动按一定要求进行调压、调谐操作；故障监测与处理；开、关机过程显示及发信机参量显示；声、光报警及故障记录；应急处理。

    本系统主要采用“三地操控”模式，分别是设备本地操控模式、设备控制柜集中操控模式、中控室远程操控模式。

    设备本地操控模式是脱离PLC及网络而单启停设备，方便操作人员进行设备维修；设备控制柜集中操作模式是可相对集中的对相应控制设备进行监控，一旦网络出现问题，可继续集中监控；中控室远程操控模式为集中监控，可对现场所有设备进行监控，该方式为系统主要运行模式。这种操控设置可大大提升网络控制系统应对异常事件的能力。

    三种方式的级为：设备本地操控于设备控制柜集中操控和中控室远程操控，这样一旦巡检时发现问题可立即在现场进行有效、及时的紧急处理。

    系统硬件设计

    结合发信设备的工作特点及现场的具体情况，本着、、、开放的设计原则，整个控制系统采用二级网络，分别是现场控制级、管理级。监控系统框图如图2所示。

    图2控制系统框图

    管理级由由两台监控计算机组成（互为冷备），完成组态软件的设计和开发，实现对现场发信设备的实时监视和集中控制。

    现场控制级由一个现场控制主站和5个现场控制子站组成，均采用性高、维护方便且抗干扰能力强的PLC，实现设备运行参数（模拟量和开关量）的采集和对现场设备的控制。为了提高性，PLC主站选用冗余PLC，该冗余PLC控制器包括电源、CPU、及网络部分可以全部冗余。通过主CPU与备份CPU跟踪，可实现数据、程序跟踪，既两个CPU内数据、程序相同，当出现CPU故障、电源故障、网络故障时，PLC控制器自动切换到待机系统，系统可继续运行（采用热待机方式）。

    系统采用两层网络结构，以太网和PLC通讯网。

    管理级采用标准的开环总线以太网配置，监控计算机通过两对屏蔽双绞线连接到交换机上，实现与PLC主站进行通信。其网络标准为IEEE802.3；传输速率为10Mbps。通讯协议为TCP/IP。

    现场控制级采用PLC通讯网。PLC通讯网是通过光纤连接PLC控制器与PLC控制器的网络，在PLC主站和5个PLC子站之间实时地传递各现场设备的运行参数。

    系统软件设计

    PLC程序设计

    PLC程序设计采用模块化编程方式，整个PLC程序主要由PLC主站管理程序和5个PLC子站功能子程序组成。PLC主站管理程序的主要任务是接收来自监控计算机的操作指令，并根据监控计算机操作指令进行相关PLC子站功能程序模块的调用，完成相应控制功能。同时上传监控计算机现场设备的状态和参数；其它5个PLC子站程序主要完成对现场发信设备的控制和数据采集，采用模块化编程结构。

    整个PLC程序按功能划分可分为如下几个部分：

    ⑴命令识别与监控程序该程序主要对值班人员输入的操作命令进行识别，在识别后自动转入相应的操作程序执行。在发信机进入工作状态后，该程序同时还完成对发信机工作状态及系统自身工作状态的监测与监视，一旦出现故障，则转入故障处理程序进行处理。

    ⑵开机子程序、关机子程序该程序在收到开机命令或关机命令后被调用，主要完成设备开机指令或关机指令的产生与输出，并自动设备对指令的执行情况。如果某一设备没有执行操作指令，则产生故障信号上报管理程序进行故障处理。

    ⑶调压管理程序该程序在收到升压或降压命令后被调用。

    ⑷故障检测与处理子程序该程序在发信机进入工作状态后被调用，完成对发信机工作状态的检测和水冷系统冷却水压力、流量的，并在出现任何故障时，自动转入故障处理，使发信机退出。

    ⑸开关动作检测子程序该程序在开机过程中被调用，用于检测开关的动作情况，并在发生故障时，停止执行下面的操作，转入关机处理。

    监控计算机软件设计

    监控计算机的主要任务是并识别来自三方计算机的指令，然后根据指令，由操作人员发出相应的控制信息给PLC主站以控制发信设备的运行，并实时显示所有现场发信设备运行状态和主要设备运行参数的变化情况，同时将主要设备运行参数和设备状态参数上传给三方计算机。当故障发生时，记录故障的时间、类别等信息并在画面上弹出提示信息，提醒操作人员注意。监控计算机软件由人机界面软件和通信软件两部分组成。

    ①人机界面软件

    监控计算机采用组态软件作为人机界面软件的开发平台。工业组态软件是一种可以从PLC、各种数据采集卡等设备实时采集数据，发出控制命令并监控系统是否运行正常的软件包，组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表和历史数据库等，为软件提供了便利的软件开发平台。

    人机界面软件实现的主要功能有：

    控制操作；显示功能；数据管理；报警功能；日志管理功能；管理权限。

    ②通信软件

    通信软件的设计主要是应用VisualC++6.0集成开发工具完成，主要任务是处理数据格式的转换与监控计算机等三方设备的数据交互。数据交互方式采用DDE方式。

    结语

    整个监控系统结构清晰、功能分布明确，体现了性、性、开放性的技术优势，具体表现为：全系统的PLC控制，把复杂的逻辑控制交由程序去完成，硬件结构大大简化，改变了传统控制模式那种单列器件繁多、布线复杂的状况，进一步提升了控制系统的性；数据信息手段的现代化，了运行数据靠人工记录及数据的时效性、正确性都可能存在问题的现象，并可随时查询发信过程的各种实时数据和图表信息；资源共享，促进工作效率的进一步提高，为进一步推进精细化管理建立了良好的技术平台。

    本发信监控系统已在某发信台投入运行，其性能稳定，功能，了满意的效果。

  1、系统组成

    某电厂化学水处理系统基础设备具有良好的可控性，利用PLC和工业控制计算机对其进行实时监控管理，系统基本组成如图1所示。

    采用3台西门子公司的SIMATICS5—115U可编程序控制器控制现场的一次设备，程控系统分为3套，依次为＃1补给水处理单元、＃2补给水处理单元、＃3凝结水处理单元。

图1系统结构图

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    操作员站选用两台研华586工控机，软件开发平台选用美国Inbbtion公司的FIX5.5组态软件。FIX5.5是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动化软件，该版本在bbbbbbS或bbbbbbSNT环境下运行，采用了图形用户界面，相应其内部的图形处理是基于三代图形技术。

    数据通信系统采用SINECL2网，它把SIMATIC系列可编程序控制器以及工控机连成网络。SNECL2是令牌总线网，网络传输介质是双绞线或光缆。每个节点通过总线连接器连到总线网上，在本系统中，三台PLC之间以及与两台工控机之间都实现了数据通讯。

    该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置还具有冗余特性。 2、PLC及其程序设计

    2.1SIMATICS5-115U硬件组成及编程概要

    可编程序控制器SIMATICS5-115U采用标准的模块式结构，电源、CPU、各种I/O模件都插在一块母板上，并可以根据不同的I/O点数增加扩展母板，输入、输出模件和存储器的精细分级，使得这种装置具有较强的配置适应能力；通过通讯处理器和局部网，可方便地实现PLC之间及与计算机的通讯。

    SIMATICS5-115U的编程语言是STEP5，有3种表达方法，即控制系统流程图CSF，梯形图LAD和语句表STL。其中语句表STL接近于机器内部的控制程序，功能也比前两种方法丰富得多，因此在本系统实际编程应用中全部采用语句表STL。

    STEP5的大特点是采用了结构化编程方法，并提供大量标准功能块如乘法功能块FB242、通讯功能块FB244等，使得编程工作大大简化，而且所编程序条理清晰，易于读懂、修改和测试，这一优点尤其在编制大型复杂程序时能显现出来。

    要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个立的程序块，STEP5有5种块类型，即组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)，其中组织块(OB)用以管理用户程序，形成了操作系统和控制程序之间的接口，所有其它类型块在此被调用执行。功能块(FB)用于实现反复调用或者特别复杂的程序功能，这些功能块可以是系统以标准功能块的形式提供的，也可以由用户自己编制。例如标准功能块FB242就可以实现16位二进制乘法功能、FB244可以实现CPU与通讯处理器之间的数据传送，用到这些功能时可以直接调用这些功能块。

    2.2SIMATICS5-115U大型程序的设计

    以本系统＃1补给水处理单元的控制程序为例，在组织块OB1内主要有下面几条语句，完成各功能块的无条件调用。

    JUFB1(定义PLC1向两台工控机传送的数据)

    JUFB2(定义两台工控机向PLC1传送的数据)

    JUFB231(完成PLC1与两台工控机之间通讯的基本设置)

    JUFB232(完成PLC1与PLC2、PLC3之间通讯的基本设置)

    JUFB4(实现自动控制及无扰切换功能)

    JUFB3(气动门及电动门控制)

    JUFB10(实现模拟量处理功能)

    JUFB11(报警处理)

    在FB1、FB2内主要将需要通讯的数据分别写入某数据块如DB10的相应位，由此才能与通讯处理器中的变量一致。在FB231中调用两个STEP5本身提供的标准功能块FB244(发送数据)、FB245(接收数据)，再根据通讯处理器填写一些必要的参数如接口、作业号等，从而实现数据通讯功能。在FB232内按照通讯处理器分配的数据位，定义3台PLC之间需要传送的数据。在FB4内根据生产工艺流程要求及操作规范，充分利用其它功能块及I/O模块传送的数据，实现系统的自动控制及无扰切换功能；针对多个被控对象相似的特点，分别编制了几个有代表性的功能块FB20、FB30、FB40，例如在FB4内多次调用了FB20以便解决PLC内某程序步时间和工控机画面显示时间保持一致的问题，而且FB20内又调用了乘法功能块FB244。FB3根据FB4发出的自动程序步指令去控制气动门、电动门及泵等现场设备。FB10负责所有模拟量的处理，在此调用了开方功能块FB5。FB11根据FB10转换出来的数据，对模拟量进行报警处理，在此一定要注意模拟量和PLC内部数字量的对应关系，以保证模拟量显示和报警的准确性。

    3、工控机监控管理软件的设计

    工控机监控管理软件在FIX5.5软件平台下完成，FIX5?5是一个模块化的软件系统，包括十几种软件模块，在此主要介绍开发本应用软件时所用到的几种软件模块。

    (1)系统配置模块(SCU)：它主要完成网络、I/O驱动程序、数据库名称、系统启动参数及初始启动任务等配置。Inbbtion公司和三方厂商为PLC、I/O卡编写了300多种I/O驱动程序，如SIEMENS、OMRON、MODICON、ABB等公司产品的驱动程序，并提供I/O驱动程序开发工具包，供用户开发自己的I/O驱动程序。

    (2)数据扫描、报警和控制模块(SAC)：它用来实现现场数据的扫描、信号调理、数据格式和数据类型的转换，报警条件判别及实现遥控输出等功能，SAC将处理的现场数据送入实时数据库，或将遥控输出的数据送到I/O驱动程序，以便实现遥控输出功能。

    (3)实时数据库管理模块(DATABASEBUILDER)：它提供以交互方式建立实时数据库和在线显示/修改实时数据库的功能，它是系统运行的主要数据来源。用户需要在此做很大一部分工作，主要的是填写变量的标签名，从而将现场数据与数据库中的变量标签一一对应起来，以便在其它模块中调用此数据。在填写变量标签名时既要讲究规范性又要有技巧性，需要遵循FIX软件的语法要求，其次按照一定的分类标准定义标签名，以便在以后的数据查询及应用中提率。

    (4)绘图模块(DRAW)：FIX拥有一个直观的、基于对象的图形化用户接口(GUI)，它简化了图形开发过程。为了建立画面，可以用DRAW提供的工具箱(TOOLBOX)生成某些对象如阀门、泵、记录表等，并定义其动态特性，即对象基于现场数据改变状态、大小、颜色、产生旋转、移动等，例如阀门的开或关、泵的转或停，这些工作可以在一个对话框内完成，主要是将实时数据库中的变量标签与相应对象联系起来，从而使对象状态随着现场数据改变。为了减少图形开发时间，Inbbtion公司还提供了一个常用设备对象的图形库，其中有多种标准图形，可随时粘贴到用户画面中，同时用户可以把自己画好的常用图形保存到图形库中，以方便以后使用。

    (5)显示模块(VIEW)：它的主要功能是动态显示由DRAW建立的画面，可以在多幅画面间切换、改变画面形态、输入数据、实现监控等，这就是提供给用户的实际操作画面。

    4、系统功能

    系统具有上位机监控功能和模拟盘监控功能，两者互为热备用方式并列运行。在上位机画面上设有上位机手动、上位机自动、上位机监视3种工作方式，方式之间的切换是无扰动的。

    当系统需要由模拟盘监控时，上位机画面选择上位机监视工作方式。此时系统状态由模拟盘M/A转换开关状态决定，M/A置手动，可利用模拟盘按键在模拟盘上进行一对一手动操作。当M/A置自动时，系统可由自动程序实现水处理的自动控制。

    当系统需要由上位机监控时，可在上位机画面上选择上位机手动和上位机自动功能。选择上位机手动时，可在上位机画面上实现就地设备的一对一手操。选择上位机自动时，可在上位机画面上进行自动启停控制，自动控制程序与模拟盘自动控制功能相同。

    5、结束语

    在大中型生产系统中，单机使用可编程控制器的时代已经过去，其与工控机的结合以及计算机网络的应用，大大提高了生产现场的自动化控制水平和管理水平，这是必然的趋势。

  1 引言

    PLC控制油压车床是表壳等小五金加工开发的机电一体化集成设计项目。基于台达机电自动化平台的油压车床以其高刚性、、、率、高寿命、性能稳定、结构简单，操作方便，廉等优点广泛用于表壳加工行业。项目亦可用于小型轴、套类加工。该机床采用了性能稳定的台达ES系列PLC和DOP－A57CSTD彩色人机界面做为控制，使设备操作简单、直观，人机界面人性化的控制程序输入方式设计，转换程序简单快捷，使操作者发挥自如。自动化程度高，大量生产节省人力、物力，能够实现产品生产的化、化。自动化油压车床外形如图1所示。

    车床加工平台图    

图1自动化油压车床外形

    2 系统构成及工艺参数

    自动化油压车床主轴轴承采用进口P4级主轴轴承，主轴自动油润滑，保证机床、寿命长。主轴电机选用双速带刹车系统。程控液压推动多架保证加工尺寸准确、稳定。高度可调节，操作方便，效。精心设计液压系统，使机床空运转时，液压卸荷，节约电力，降低液压系统温度上升，延长油泵寿命；并安装温度、压力补偿装置，重复加工时非常稳定、。电控箱、液压箱、冷却液箱均置于机箱内，减少占地面积，使机床外观整体化。车床技术参数如下表1所示。

    表1车床技术参数
  

    3 油压车床操作界面设计

    基于台达机电自动化平台的油压车床操作界面是本项目区别于传统油压车床明显的标志，为小型机床运行带来人性化的透明操作功能。

    开机后，在人机界面初始界面图2上点击进入主菜单画面图3，根据工艺需要按加工工艺选择手动单步图4或全自动图5等进入不同的加工方式，选择手动单步情况下总共列有五种工艺程序流程，在选择下一个加工工艺时，工艺过程自动运行完成后，才执行下程。在单步运行情况下，当选择完单步程序锁定图3设置后，此时程序只能运行锁定的当前程序，其他四种程序不能运行，若要运行其他程序，请先解除程序锁定功能。

    泵电机具有自动保护功能，机器在30分钟内无任何动作，泵电机将停止工作，若要继续使用请先启动泵。主轴的高低速选择在全自动人机界面图5上操作完成。除手动外，其他程序的运行都是以外部启动按钮为给定信号的。当设备运行过程中，将主菜单人机界面如图2画面上点击运行监控画面触摸按钮，将画面切换到运行监控画面图6进行运行监控。    

图5全自动加工画面

图6 运行监控画面

    4 自动化加工系统设计

    4.1ES系列PLC的I/O接口

    （1）行程开关（开关量输入）定义：SL1—X11下托板前进到位；SL2—X12下托板慢进；SL3—X13下托板回位；SL4—X14上托板前进到位；SL5—X15上托板慢进；SL6—X16上托板回位。

    （2）阀件（开关量输出）定义：YV1—Y14下托板前进阀；YV2—Y15下托板慢进阀；YV3—Y16上托板前进阀；YV4—Y17上托板慢进阀。

    4.2工艺流程设计

    该机种具有五种单步固定工艺流程，用于五种不同规格产品的加工。    

图7托板延时设置画面（1）单步工艺流程1描述：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后开始慢进进行，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后执行下托板延时（图7）的设定值，时间到后YV1，YV2断电，下托板回原位。     

     （2）单步工艺流程2描述：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后执行下托板延时（图六）的设定值，时间到后阀YV1,YV2断电下托板回退，碰到回退到位限位SL3信号后上托板前进阀YV3得电上托板前进，上托板前进碰到上托板前进到位SL4限位后，下托板前进阀YV1再次得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后执行下托板延时（图7）的设定值，时间到后阀YV1,YV2断电下托板回退，碰到回退到位限位SL3信号后上托板前进阀YV3断电，上托板回位。 

    （3）单步工艺流程3描述：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后阀上托板前进阀YV3得电上托板前进，上托板前进碰到上托板慢进SL5限位后，上托板慢进阀YV4得电，上托板慢前进碰到前进到位限位SL4后阀YV1,YV2断电下托板回退，碰到回退到位限位SL3信号后上托板前进阀YV3，YV4断电，上托板回位。     

    （4）单步工艺流程4描述：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后阀上托板前进阀YV3得电上托板前进，上托板前进碰到上托板慢进SL5限位后，上托板慢进阀YV4得电，上托板慢前进碰到前进到位限位SL4后执行上托板延时（图7）的设定值，时间到后阀YV3,YV4断电上托板回退，上托板回退碰到回退到位限位SL6信号后下托板前进阀YV1，YV2断电，下托板回位。 

    （5）单步工艺流程5描述：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后阀上托板前进阀YV3得电上托板前进，上托板前进碰到上托板慢进SL5限位后，上托板慢进阀YV4得电，上托板慢前进碰到前进到位限位SL4后执行上托板延时（图7）的设定值，时间到后阀YV3,YV4断电上托板回退，下托板前进阀YV1，YV2保持前进位不动。

    （6）全自动工艺流程：开车启动，恢复原点，阀YV1得电，下托板前进碰到下托板慢进限位SL2后阀YV2得电下托板开始慢进，下托板慢进碰到前进到位限位SL1后执行下托板延时（图六）的设定值，时间到后阀YV1,YV2断电下托板回退，碰到回退到位限位SL3信号后上托板前进阀YV3得电上托板前进，上托板前进碰到上托板慢进SL5限位后，上托板慢进阀YV4得电，上托板慢前进碰到前进到位限位SL4后执行上托板延时（图7）的设定值，时间到后阀YV3,YV4断电上托板回退，上托板回退碰到回退到位限位SL6信号后下托板前进阀YV1再次得电进入下一个循环。

    4.3设备系统保护

    在人机界面内通过宏指令读出系统设定时间，分别赋值给不同的数据寄存器，如图8所示，运行过程中通过自定义输入时间年月日和系统本身时间进行监控比较，程序判断当系统时间过设定时间时，系统自动停止运行

    影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：    

    1)造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；    

    2)机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制；    

    3)现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。    

    影响执行机构出错的主要原因有：    

    1)控制负载的接触不能动作，PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；    

    2)控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；    

    3)各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统性。要提高整个控制系统的性，提高输入信号的性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽除故障，让系统、、正确地工作。