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产品描述
西门子一级授权代理商-模块总代理商代理
引言
随着PLC技术的不断发展，越来越显示其强大的控制功能，PLC和其他设备之间的连接已经从比较烦琐的传统I/O方式向越来越受欢迎的简洁的通信方式过渡，不仅为设计者节省了大量的硬件成本，能为远程控制，组网提供了可能，使控制系统加无缝地融为一体。
本文主要通过艾默生PLC和多台变频器组网通信（以MODBUS协议方式）为例，说明PLC和多台变频器网络控制的通信程序的设计方法。
一、 MODBUS协议简要介绍
Modbus协议由美国的MODICON公司提出，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控，它已经成为一通用工业标准。控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：IPC，HMI，PLC等；典型的从设备：各种仪表，PLC，变频器等。主设备可单和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询和从设备回应的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。Modbus协议同时支持RTU模式和ASCII模式，RTU模式对应的帧格式如下：(ASCII模式介绍省略)
2. 参数的MODBUS协议地址影射规则：变频器的功能码参数、控制参数和状态参数都映射为Modbus的读写寄存器。变频器功能码的组号映射为寄存器地址的高字节，组内索引映射为寄存器地址的低字节。变频器的控制参数和状态参数均虚拟为变频器功能码组。功能码组号与其映射的寄存器地址高字节的对应关系如下：F0组：0x00；F1组：0x01；F2组：0x02；F3组：0x03；F4组：0x04；F5组：0x05；F6组：0x06；F7组：0x07；F8组：0x08；F9组：0x09；FA组：0x0A；Fb组：0x0B；FC组：0x0C；Fd组：0x0D；FE组：0x0E；FF组：0x0F；FH组：0x10；FL组：0x11；Fn组：0x12；FP组：0x13；FU组：0x14；变频器控制参数组：0x32；变频器状态参数组：0x33。例如变频器功能码参数F3.02的寄存器地址为0x302，变频器功能码参数FF.01的寄存器地址为0xF01。
1 引言
现代船舶设备系统的日趋化、结构模块化。船舶机舱监测系统在远洋船舶中是一个的系统，其关系到远洋船舶、运行。它能准确地监视机舱内各种动力设备的运行状态及运行参数。运行设备发生故障时，能自动发出声光报警信号并进行报警打印记录。它还能定时地把有关运行参数进行打印制表。在自动化机舱中，设备的运行状态、运行参数值及故障报警状态都集中控制室的监视屏上，轮机人员不必到机舱去巡视，就能在集中控制室内能了解到所有设备的运行状态及其参数值，从而可以减轻轮机管理人员的劳动强度，改善工作条件，及时发现设备的运行故障，提高设备运行的性。
为此，本文介绍了基于PLC控制的远洋船舶机舱监测系统，并开发了一套组态环境下的监测软件。
2 系统介绍
远洋船舶设备由主机系统、净油机系统、油柜系统、空压机系统、舵机系统、锅炉系统、废油焚化炉、发电机组、应急发电机系统以及泵等设备子系统组成，每一个设备都是24小时不间断运行，例如主机，主机系统是船舶的心脏，保证主机在航行期间、稳定运行。在此期间，监测系统要求时刻监测主机系统的转速、冷却水温度、燃油进出口温度、滑油进出口温度以及主机排气温度等，这些参数涉及到4-20mA、600℃以上的温度信号和600℃以下的温度信号，信号种类繁多，增加了系统的复杂度。其系统组成框架如图1所示。
图1 机舱监测报警系统组成
图2 基于PLC船舶机舱监测系统框架图
系统监测软件采用以bbbbbbs平台，在组态王的开发环境下实现的。组态王具有可视化操作界面，丰富的图库、高度灵活的动画连接;拥有的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印变量导入导出功能，支持实时、历史数据的分布式保存强大的脚本语言处理，支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布方便的配方处理，丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块的功能特点。
本系统软件具有如下功能：
(1) 参数列表显示，按序或分组显示所舱参数条目。包括参数序号、名称、当前值、单位、上限值、下限值以及报警状态。 并可以翻屏连续显示。
(2) 参数图表显示，以虚拟仪表形式显示主/辅机有关参数。关于主机的排气温度、冷却水温度等;关于辅机的有发电机组有关的压力和温度等。
(3) 曲线显示，将有关参数分实时和历史曲线分别描述，其中实时曲线随着时间的推移在界面上描写出一条相应数值的曲线;而历史曲线能让操作员随时可以查看某一参数过去2天内的参数变化情况，即可以复现其2天内的工况。
(4) 报警查询功能是，当某一监测点发生越限报警时，系统自动弹出报警窗口，并能在该窗口中查询到该监测点的相关情况。
(5) 用户管理功能，本系统共设三类用户，分别是系统管理员用户、轮机长用户和操作员用户。其中系统管理员用户是给机务老轨等公司管理级操作使用的，其操作权限为大，可以设置轮机长用户和操作员用户，修改相关参数，如报警上下限;轮机长用户是给船舶老轨操作使用，其操作权限为其次，也可修改相关参数;操作员用户是给船舶一般的值班轮机员使用，其无法修改有关参数和设置用户，权限。
5 结论
本系统主控制器采用了西门子S7 200CN PLC，其紧凑的结构，良好的扩展性能，强大的指令功能，利用485标准的通信口进行信息传送, 并自行设计相应接口而组成的船舶机舱巡回监测报警系统充分应用了该微型PLC的硬件资源，发挥了其软件优势。输入输出采用差动方式，提高了抗干扰能力，同时，主机和多台终端可以全部并联在一对双绞线上进行多机通讯，节省了传输线，所以本系统小但功能齐全，稳定性好。为用户带来大的方便;在近两年的实际运行中未出现故障，为船舶的、的航运起到了非常重要的作用，同时也为航运公司带来了经济效益。
本文设计的船舶机舱监测报警系统适用于各种远洋船舶，经实际的运行表明，该系统性能稳定，满足远洋船舶的要求，有较高的推广。
1.概述
沥青搅拌设备主要用于高速公路的建设和维护, 是一种复杂的综合配套设备，立运转部件多，工艺流程复杂。特别是用于高等级公路的设备，对沥青、骨料、粉料的计量精度和温度要求高，设备由于在野外作业，工作环境恶劣，因此对该设备控制系统性能相对要求也较高。综合考虑上述因素，采取必要的设计措施，才能满足高等级公路施工的要求。
沥青混合料搅拌设备主要包括供料控制，温度控制，计量控制，除尘控制，成品仓控制等。其控制系统的任务是按照工艺流程顺序控制各部设备,按生产配方自动进行计量拌料。目前控制系统基本采用PC+PLC的控制模式，上位机PC主要用于下发控制指令进行生产监控与数据管理；下位机PLC负责全部的过程控制。
2.可编程序控制器（ PLC ）在搅拌楼控制中的应用特点
2.1 通用特点
PLC作为沥青混凝土搅拌设备控制的元件，其性能直接影响整机的性能，因此PLC选型应注意以下几点：
• 动态计量要求PLC运算速度快，扫描周期应在10ms以内
• 设备控制点多，要求PLC内存要大，要有一定余量
• 通讯速度要快，上位机画面刷新速度应大于5次/秒
• 选用模块化PLC，便于系统扩展.
• 在整机性能满足要求的前提下，尽量简化系统，降，提高整机的性能价格比。
2.2 特点比较
目前控制系统大多采用的西门子PLC，其中S7-400（S7-412）是大型PLC，CPU速度快，内存大，性能优异，但价格较贵。S7-300（S7-314C，S7-315）成本较低，但是性能有差距。
VIPA推出的300S系列PLC是兼容西门子S7-300/400 PLC的PLC，其特点是：CPU运行速度快、内存大（2MB）、通讯接口多（具有PROFIBUS-DP主站、MPI、内置以太网接口等,并且集成了高速模拟量输入,高速计数器等端口）、编程与STEP7兼容，程序修改可直接运行,其I/O模块和附件与S7-300可直接互换使用。
为了提高设备性能，降，我们选用了VIPA的可编程控制器,先后设计了集中式控制系统与分布式总线控制系统:
2.3集中式控制系统
选用VIPA-300S PLC，系统的组成为：
• 300S-CPU：VIPA 314-6CF02
• 300V数字量输出模板：VIPA 322-1BL00
• 300V数字量输入模板：VIPA 321-1BL00
• 300V模拟量输入模板：VIPA 331-1KF01
• 300V模拟量输出模板：VIPA 332-5HD01
2.4分布式控制系统
选用VIPA-515S 板卡式CPU为主站, 安装在控制室的工控机内：
现系统的组成为：
• 500S-CPU： VIPA 515-2AJ00
• 200V-DP模板： VIPA 253-1DP01
• 200V数字量输出模板: VIPA 221-1BF00
• 200V数字量输入模板：VIPA 222-1HF00
• 200V模拟量输入模板：VIPA 231-1BD53
• 200V模拟量输出模板：VIPA 232-1BD51
VIPA 200V从站：
采用200V I/O模块，安装在现场各控制箱中作为系统中的从站，对本单元设备进行采集与控制。系统采用PROFIBUS-DP现场总线通讯，实现沥青搅拌站过程控制。
3．PLC 的程序设计
VIPA PLC采用西门子STEP7编程软件进行编程，程序用梯形图和语句表方式编写。程序包括计量控制,温度控制,成品仓控制等。
3.1 计量控制
计量控制是搅拌站控制关键的部分，要求PLC A/D采集精度高,响应,称量控制准确. CPU-314ST中集成的4路AD单元, 采集速度可达170次/秒,精度为12位,可以满足工艺要求,我们利用其对石料、粉料、沥青等称量值进行动态采集,PLC根据生产配方对称量信号运算处理后，由输出模块自动控制石料秤门、粉料螺旋输送机、沥青泵等开启停止,进行计量控制以及搅拌控制等。
程序设计了6种石料计量、3种粉料计量、1种沥青计量、１种添加剂计量.为了提高计量精度,各计量程序中编制了落差自动修正功能,计量中即有静态修正又有动态修正控制; 为了提高油石比精度,沥青计量采用二次计量方式,先按设定重量的120%称量,待骨料、粉料称量完成后，经过二次运算，再按配方进行喷洒。石料计量采用双料门控制；粉料计量螺旋采用变频器调速控制，使计量级配加准确。
3.2 温度控制
• 沥青混合料温度控制是关键生产工艺。控温需要燃烧器，除尘器的联动配合。
• 石料采用燃烧器烘焙加热,温度高低由风门大小调节同时受骨料含水量等外部条件影响。PLC采用内置的温度调节功能块进行控温。
• 除尘器负压是燃烧器燃烧效率的关键因素之一，PLC利用内置 PID功能块对负压进行控制。
3.3成品仓控制
• 成品仓是沥青搅拌站的重要组成部分，成品仓控制主要是运料小车的卷扬控制，运料小车根据指令在规定的时间范围内将成品料运送至不同的仓位。
• 小车卷扬控制关键是小车的定位。功能的实现是利用 CPU-314ST中集成的4路高速计数单元配合编码器和变频器来实现。
3.4功能扩展与兼容
• 随着道路施工工艺的不断改进新，沥青搅拌站外围设备会不断增加，一体化控制要求PLC具有较强的可扩展性。 CPU-314ST单机架32模块的可扩容量为搅拌站外围设备的加入提供了便利的操作和的保证。
• 沥青搅拌设备控制的智能化和人性化要求日益，过去生产的搅拌站就面临着一个控制系统改造的问题，对于旧的采用西门子PLC的控制系统应用VIPA PLC改造快捷方便，减少了硬件动和软件动。
4．上位机软件设计
上位机选用FameView工业组态软件，采用太网方式与VIPA-PLC通讯（100MHz），运行在bbbbbbS 2000 / XP环境下。随着客户对搅拌站工艺要求的提高上位机组态系统一般要求具有复杂的画面功能，强大的数据处理功能和实时交互的配方报表，报警功能。上位机组态系统的功能实现依赖于与PLC的无障碍快速通讯。VIPA PLC的以太网通讯模式对实现上述功能提供了解决方案。
a) 主画面：生产流程监控和计量监控；
在生产过程中切换到其他控制画面。
b)控制子画面：供料控制，设备控制，加热控制等。
c） 生产设定：生产搅拌参数设定, 存储配方和调用配方，在此系统中设计了200个配方；可随意地以文件形式另存在硬盘或软盘中。
d) PLC状态监控：真实反映现场的I/O状态，利于故障的检查和排除；
e)数据管理：随时记录每一循环的称量数据，数据保存SQL Server 2000大型数据库，便于汇总查询和打印打印：根据数据报表的内容，可控制打印机进行实时逐行或逐页打印；
f)资料管理：主要是各种报警提示和维修保养相关的信息。
5．结束语
北京德基机械有限公司是生产沥青搅拌站的厂家，原控制系统采用西门子S7-400系列PLC。两个系统的运行速度我们也进行了对比，原S7-400系统运行时的扫描周期为7毫秒，采用VIPA-314ST CPU系统运行时的扫描周期为2毫秒，再者通讯方式由原来的MPI通讯（187.5KHz）改为以太网通讯（100MHz），既提高了通讯速度又降低了成本（省略了5611通讯卡），上位机的动态监控画面也因此显得加流畅。
由于本系统兼容S7-300系列产品，其I/O模块占有量较高，技术成熟，既使生产过程中PLC控制系统硬件发生故障，也可以立即查明原因换相应器件，大限度的缩小在线维修时间，采用VIPA-300S PLC不但降低了成本还提升了整套控制系统的性能，使全系统的运行加、、性能优异。
引言
钟罩式气体计量器是标定气体流量仪表的标准装置，是以钟罩内有效容积作为标准体积，当钟罩下降时，排出钟罩内的气体经测试管道通往被检表，比较钟罩内排出的气体与被检表指示的气体体积，求取仪表的精度。钟罩式气体计量检定系统主要有三种工作形式：（1）手动检测、直读式;（2）半自动检测（配有流量积算仪）;（3）全自动检测（计算机控制）完成对整个检测过程的自动控制。详细介绍全自动过程的实现方法。它采用计算机和PLC技术进行检测，脉冲数据采集选用、高性的光电双向编码器，来实现用气体计量器进体仪表的自动测量、记录、检定。
2 系统组成及工作原理
2.1系统组成
钟罩式气体计量装置自动控制系统有：标准装置、计算机、PLC可编程控制器、空气压缩机、光电双向编码器、电磁阀等组成。
2.2系统工作原理
该系统是利用钟罩式气体计量器，提供一个压力稳定的标准体积气源，采用光电双向编码器为钟罩量筒的位置传感元件、电磁阀为控制元件，通过程序设定来实现定量排气，并完成检测过程的自动控制，使之成为校验气体仪表的自动标准装置。
2.3 实现方法
（1）根据下表1输入理论仪表系数
表 1
（2）根据钟罩式气体计量器检定证书的实际高度所对应的标准容积值，测出提升脉冲数。
（3）实际测量仪表系数K
仪表系数K=（（H12-H11）＊Q1）/（（H2-H1）＊|F1-F2|（单位：升/个脉冲））
（H1、H2、H11、H12、F1、F2—、二次上升、下降高度及所对应的频率。Q1—钟罩标称容积。）
重复上述过程计算出10个仪表系数后取平均值，就是实际仪表系数K。
后根据公式：Q=K＊f （Q—标准容积;K—实际仪表系数;f——标准容积所对应的脉冲数）得出所需要的标准容积。
系统原理框图如图1。
图1 系统原理框图
3 硬件配置
3.1 光电双向编码器
光电双向编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成电脉冲信号的传感器。其原理框图如图2。为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号和零位信号。三个通道输出信号A、B、Z。顺时针旋转时，通道A输出波形前通道B波形90°;逆时针旋转时，通道A输出波形迟通道B波形90°;光电双向编码器每旋转一圈，输出一个基准脉冲，基准脉冲的波形对准通道A输出的波形。
图2 光电双向编码器原理图
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