6ES7222-1HF22-0XA8详细资料

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0.引言

随着化工自动化技术的不断发展，集散控制的思想越来越广泛地被广大自动化工程技术人员所青睐，并正在逐渐被应用于新建、扩建和技改项目中。但传统的集散控制系统一般由厂家生产，具有一定的专有性；另外传统的集散控制系统一般来讲其控制规模比较大，成本费用比较高；因此限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用。那么如何在中小规模控制系统中实现集散控制的思想呢？带着这一问题，笔者在阅读了大量技术资料的基础上对现有DCS和PLC的控制系统进行了总结对比，提出了在中小规模化工项目中用PC +PLC构成DCS的思想，并在贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改的技改项目中的储运工段成功地得到了应用。

1.用PC和PLC实现集散控制（DCS）的基本原理

集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：将流程工业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；流程工业的自动控制过程由各控制站相对立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由控制室的操作站来完成。操作站与各现场控制站一方面各自相对立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，大地提高了自动控制系统总体的性和性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。

现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制，因此它必需要能够自动采集全厂的各种工艺参数（如各种工艺介质的温度、压力、流量、粘度、组分，物位高度等）以及设备的运行状态（如阀门的开度、机泵的开停、设备震动、机械位移）等生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，后输出4~20mA标准模拟信号（或ON/OFF数字信号）去驱动各种阀门、电机等执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制；另外还要与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。因此它还需要具有标准化的通讯接口。目前的各种PLC均具有这样的功能，而且其容量弹性大，扩充方便，控制方案的组态简单易学，性能价格比优越，因此是中小型DCS的操作站的理想选择。

控制室的操作站实际上是一个人机界面，一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给操作站对控制方案进行调整，以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。对中小型DCS来讲，目前市面上比较流行的各种软件均能实现这样的功能，且对计算机的硬件和操作系统无特别要求，用普通的PC机加一套软件就可实现。

用PC机+PLC组成集散控制系统时，PLC承担了现场控制站的工作，PC机承担了操作站和工程师站的工作。在安装有PLC系统软件的PC机上可以离线（或在线）编辑PLC的控制应用软件（一般称为梯形图），控制应用软件下载到PLC后，PLC立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等。而操作站的各种功能都可以通过“实时软件”+“PC机”来实现，在安装有实时软件的PC机上可以方便对生产过程进行监控。

2.用PC和PLC实现集散控制（DCS）一例

2.1.工艺过程简介：

储运工段是贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改的技改项目中的重要组成部份，设计卸氨能力250吨/小时，罐区缓冲能力9000吨。氨在常温常压下为气体，易燃、易爆、有毒、有害；储运工段是总公司的高危区之一，生产是本自动控制系统应考虑的。

2.2.控制系统概况：

为提高生产的性，在本控制系统中对重要的工艺参数点采取了“3取2表决”的策略，并设计了21个自动连锁回路，对生产过程进行连锁保护；为保证生产过程的平稳运行和节能降耗，系统设计了6个调节回路。为便于监控和操作，在操作站设计了一幅流程画面总貌图，集中显示了与生产密切相关的一批工艺参数、设备运行状况态和报警信息；对其它化工单元操作过程设计了相关的局域流程画面，地显示了与其相关的各种详细生产信息；根据操作人员的习惯，在操作站设计了4组组画面，分别集中显示温度、压力、流量和液位信号；对6个调节回路分别设计了调节画面，实现对PID参数的整定、手自动模式的切换以及对调节阀门的手动操作；对21个主要阀门分别设计了弹出式开关画面，实现对生产过程的自控或遥控；对主要工艺参数设计了历史趋势图，为故障诊断和优化控制提供了数据。为确保生产，实现对紧急事故的应急处理，对6个调节器回路加装外部自动跟踪调节器，一旦出现控制系统故障，自动切换到跟踪调节器立于DCS来控制调节阀；对21个主要阀门加装应急处理按钮，立于DCS实现对阀门的强制开关。

2.3.硬件配置：

控制站选用OMRON的C200型PLC，配置了数字模块（OD211/ ID212）9块，模拟模块（AD003）4块，调节模块（PID03）3块；操作站选用DELL OPTIPLEX GX150计算机；工程师站选用COMPA型PC机。



2.4.控制站软件组态：

控制站的组态用OMRON的系统软件SSS作为技术平台，用梯形图作为编程工具，其组态内容主要有：

2.4.1.PLC内部地址的分配：

I/O地址的分配：PLC的I/O地址是PLC与现场检测设备、执行机构进行数据通信的的一一对应的寄存器地址，I/O地址的分配是对PLC进行进一步组态的基础；对OMRON-C200而言，I/O地址与所连接的I/O模块有关；连接到数字模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的安装位置和在该模块上的点号，连接到模拟模块、PID模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的单元号（不同的模块应通过模块的硬开关设置不同的单元号）和在该模块上的点号；比如在本系统配置中，现场的雷达液位变送器LT-101输出的4~20mA的模拟信号连接在单元号为3的模拟输入模块AD003的二点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：132；而阀门HV120的关闭状态信号（closed）连接到安装在的扩展机架二槽的数字输入模块ID212的十点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：01210；本系统中，共定义I/O地址142点。

操作站与控制站数据交换地址的分配：操作站与控制站的数据通信是通过读写PLC的内部寄存器来完成的，为了实现操作站与控制站的实时通讯，还为PLC配置足够的内部寄存器地址来存贮这些数据；比如，定义DM0232作为操作站与控制站交换LT－101的数据的内部寄存器，则PLC把采集到LT－101的液位信号经过预处理后存贮在DMO232，而操作站则到PLC的DM0232读取LT－101的数据来建立自己的数据库；本系统中，共定义此类地址184点。

中间地址的分配：PLC在运行过程中，还需要大量的中间寄存器来存放那些运算过程中的临时数据，为提高应用程序的可读性，也对这些寄存器进行必要的定义和注释。

2.4.2.为控制策略编写梯形图

自动调节：本系统中选用3个PID03模块组成6个调节回路来完成生产过程的自动控制，为了方便操作人员在操作站对控制过程的管理，PID03的SW2应设置为ON，并编写相应梯形图以实现PLC与PID03的数据交换，比如：调节回炉PIC111由单元号为5的PID03的二回路完成，当执行图2所示一段程序后，PLC中地址DM0060中的数据就被定义为调节回路PIC111的给定值。



三取二表决：为保证生产，常压罐的压力控制在规定的范围内，每升高（降低）到一定范围时，就启动（停止）相应的设备；为此，在现场用三块压力表来测量其压力，PLC中对三个压力进行比较，只有三块中的二块同时具备条件时，连锁才动作；在编写梯形图时，采用比较指令、再加上与、或、非等逻辑指令就可实现此控制策略。（梯形图略）

连锁保护：梯形图与电气连锁逻辑图非常相似，I/O地址确定以后，为连锁保护编写梯形图既操作简单又可读性强。为保护设备和生产，本系统共编写连锁回路21个。（梯形图略）

2.4.3.I/O模块的设置与校正：

梯形图编写完成以后，还对I/O模块进行必要的设置和校正，PLC才能正常工作；模拟模块应设置与现场设备相对应的输入信号种类和对输入信号的预处理方法，还应对零点和量程进行校正；PID模块除了对输入信号种类、输入信号的预处理方法进行设置外，还要对PID模块存储区的内容及其修改方式、调节回路设定值的修改方式、PID的控制作用及其控制方式等内容进行设置。

2.5.操作站软件的组态：

操作站的组态选用INbbbLUTION的系统软件FIX32作为技术平台：其主要内容包括：系统配置、建立数据库、绘制流程图、定义历史趋势和报表等。

系统配置在本系统中实际上就是在PC机上安装FIX系统，其主要内容是定义FIX系统的安装目录，安装接口设备驱动程序配置SA系统，配置报警系统，配置网络等。FIX提供有庞大的I/O接口设备驱动程序库，本系统配置控制站为OMRON的PLC，因此要选择安装I/O驱动程序OMR.drv和OMRON的PLC进行通讯。

建立数据库：数据库是SA系统赖以工作的基础，它由一系列数据点构成，每个数据点实际上就是一个功能块，FIX提供了各种功能块以满足不同的需要，这些功能块或对接口设备读写数据，或对数据进行运算和报警处理。在数据库中建立一个数据点就是定义一个功能块，其内容包括：功能块类型，数据点的位号、注释、零点、量程，接口设备，I/O地址，数据的格式，报警上、下限等。如：在数据库中添加一个AI模块，在其属性对话框中定义：“位号”为“LT-101”，“描述”为“缓冲球罐F0101A液位”，“接口设备”为“OMR”，“I/O地址”为“D：DM：232”，“数据的格式”为“12AL”，“零点”为“0”，“量程”为“17”，“单位”为“M”；则在数据库中便建立了一个数据点LT-101，它读取PLC中地址为DM0232的寄存器中的数据（0 -4095），并转换为0-17M的数据供FIX其它功能块和流程图调用。

绘制流程图：流程画面实际上是一个人机接口，操作人员就是通过流程画面来了解和控制生产过程的，所以流程画面既要信息，又要简单扼要。FIX系统提供了bbbbbbS风格的绘图工具和相关控件，可以很方便地绘制多种动态画面来满足操作人员的要求。比如：在流程画面中，为了形象地显示缓冲球罐F0101A的液位，只需在其图形的动态特性对话框中选中动态属性，定义其色的高度随“位号”为“LT-101”的数据的大小而变；为了准确地显示该液位的实际高度，可在该球罐图形旁边定义一个动态数据连接，连接到“位号”为“LT-101”的数据点；为了直观地显示各种阀门的工作状态，在其图形的动态属性对话框中选中动态颜色变化，阀门关显示静止的红色，阀门开显示静止的，阀门关出现故障显示闪烁的红色，阀门开出现故障显示闪烁的；为了快速控制阀门，把它的弹出式开关画面连接到其图形上，只需用鼠标单击其图形，即弹出开关画面，实现流程画面上的对象所见即所得。

定义报表：考虑到总公司已推行电子化办公，各种报表均设置为定时保存到文件，操作人员可以根据需要随时调用，并随着办公自动化的推行，与企业内部管理网连网，通过WEB页浏览和调用。

3.结束语

该控制系统投用2年多来，性能稳定、运行，界面友好，操作简单，维护工作量很小，受到了操作和维护人员的欢迎；投用后，根据技改工作需要又进行了2次扩容均未影响正常生产，实践证明PC+PLC构成DCS，系统配置灵活、软件组态简单，便于自行设计和调试，性能价格比优越，系统扩展容易且维护工作量小，是企业进行技术改造和中小型生产过程的自控系统

1 引言

在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的有效、便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。

2 PLC系统设备选型

PLC主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。

目前市场上的PLC产品众多，国外有德国的SIEMENS;日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC的选型应从以下几个方面入手。

2.1 确定PLC控制系统的规模

依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。

小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128点。一般选用微型PLC,如SIEMENSS7-200等。

中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENSS7-300等。

大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的PLC,如SIEMENSS7-400等,再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。

2.2 确定PLCI/O点的类型

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。

2.3 确定PLC编程工具

（1）一般的手持编程器编程。手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。这主要用于微型PLC的编程。

（2）图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。

（3）计算机加PLC软件包编程。这种方式是效率的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中PLC系统的硬件组态和软件编程。

3 PLC控制系统的设计

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

3.1 PLC控制系统的

硬件设计

硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的性、性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。

（1）PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。

PLC输入电路电源一般应采用DC24V,同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电和PLC至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。

（2）PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6次以下，应继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

当PLC扫描频率为10次／min以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。

对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的性、性。

对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。

（3）PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时考虑的问题。一般采用以下几种方式:

隔离:由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1隔离变压器，并将中性点经电容接地。

屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。

布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。

3.2  PLC控制系统的软件设计

在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。

（1）PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。

基本程序:既可以作为立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。

模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。

（2）PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的性。

程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。

在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。

彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。

（3）PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC编程遵循的原则。下面介绍几点技巧。

PLC各种触点可以多次重复使用，用复杂的程序来减少触点使用次数。

同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者RQ4.0）。

如果要使PLC多个输出为固定值1（常闭），可以采用字传送指令完成，例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。

对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。

模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC程序的编制。

4 PLC控制系统程序的调试

PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。

4.1 I/O端子测试

用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常;反之，应检查接线或者是I/O点坏。

我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。

4.2 系统调试

系统调试应按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。

把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行:

（1）对每一个现场信号和控制量做单测试;

（2）检查硬件/修改程序;

（3）对现场信号和控制量做综合测试;

（4）带设备调试;

（5）调试结束。

5结束语

PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。