西门子6ES7322-1BH01-0AA0支持验货

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1 引言
      从19世纪中叶台气力输送设备问世至今，气力输送技术在得到了发展和应用。而输送对象也从早期的谷物、面粉和信件发展到水泥、建材、化工、冶金、电力、矿山、铸造等行业。通过将气力输送工艺与当代自动化技术相结合，气力输送自动化系统得到了发展，该系统的广泛应用也为提高生产效率、减轻劳动强度发挥了重大作用。然而，随着实际应用要求的不断提高，当前的气力输送系统在系统设计与实际运行的过程中也逐渐暴露出诸如硬件设计理论依据不足、工艺参数不稳定、现场进出物料不畅、仓泵喷料等一系列问题。
      因此，为了解决实际生产中所凸现的问题并完善当前的气力输送系统，摸索气力输送系统生产运行的规律与工艺参数，从而为气力输送系统的现场应用提供可参照的科学依据与实验基础，建造一套能够模拟现场的气力输送实验系统就显得尤为必要。
      在自动化领域，DCS、现场总线、SA、PLC技术的蓬勃发展为自动化技术的发展注入了新的活力。该领域技术与传统生产工艺的结合，已使得生产工艺、产品质量得到了较大的改善与提高。本文以南京顺风气力输送有限公司的气力输送机械平台为基础，同时结合SIEMENS公司的PRODAVE数据链接库、S7-300系列PLC等软硬件方面的技术，经过二次开发，成功的构建了一套能够模拟现场的气力输送自动化实验系统，为气力输送自动化系统的设计与现场实施提供了大的帮助。

2 气力输送实验系统工艺及功能要求
      气力输送就是利用气流作为输送动力，在管道中搬运粉、粒状固体物料的方法。一个完整的气力输送系统通常由空气或气体源、把物料加入管内的设备、输送管道以及从输送空气中分出被输送物料的分离设备等组成。以常用的粉煤灰仓式泵气力输送系统为例，它主要由仓式输送泵、管道、气源、输送目的地（如灰库）和控制部分组成，如图1所示。

图1 仓式输送泵气力输送系统组成

      一个完整的气力输送工艺流程大体可分为仓泵装料阶段、仓泵充压阶段、物料输送阶段和管道清扫阶段。在卸料装灰阶段，打开进料阀和透气阀，灰斗中的物料在重力的作用下落入仓泵；然后，关闭进料阀和透气阀，并打开进气阀为仓泵中的物料加压，即仓泵充压阶段；当压力达到某一定值时，则打开出料阀，进入物料输送阶段，此时，仓泵中的物料在气力作用下经输送管道被输送到目的地；为了防止在下次进行输送时发生管道堵塞现象，当仓泵中的物料被输送完成以后，还要让空气流对管道进行清扫。这样就完成了一个流程的物料输送，如此循环，可不断的将灰斗中的物料送往目的地。
      作为一套气力输送实验自动控制系统，它不仅应当满足气力输送系统的基本要求，使得操作人员能够在监控界面上实时查看现场的仪表参数、设备状态，实现对设备的实时控制。而且还应具备实验系统所特有的在硬件与软件的灵活、可修改性、开放等方面的特点。
      在对气力输送实验系统进行软件设计时，除了要满足气力输送系统实验人员实时监控现场运行状态的需要外，还应具有对实验所用的压力、延迟时间、循环次数等工艺参数的设置功能；而且，根据实际需求，在监控界面上要能够容易地实现不同工艺流程之间的简单切换，或者实现工艺流程的随意组态；同时，为了以后对实验数据的分析，软件的设计还应具备实验数据的实时采集、存档以及数据的分析绘图功能。
此外，气力输送实验系统还应考虑经济、操作方便、界面友好等方面的因素。

3 气力输送实验系统构建方案
      气力输送实验系统的构建主要包括机械部分硬件、电气自动化方面硬件以及自控系统软件等几部分组成。气力输送实验平台的机械部分设备主要包括：空气压缩机、储气罐、输送仓泵、喂料机、除尘器、气动阀门、压力表、称重传感器、以及输送管道等。自控系统方面，通过比较，系统采取了目前比较常用且稳定性较高的工控计算机（IPC）——可编程逻辑控制器（PLC）系统集成模式。该模式下，IPC与位于其上的软件作为监控级，PLC作为现场控制级，两者通过实时共同完成数据采集与设备监控。在软件组成方面，为了节省成本，增加系统灵活性，软件采取了Visual Basic与PRODAVE相结合进行二次开发的方式，与SIMATIC Step 7编写的PLC软件一起共同实现系统的自动控制。
3.1 气力输送实验自控系统硬件配置与选型
      在PLC的选型上，气力输送实验系统选用了西门子公司SIMATIC S7-300系列中型PLC，由于该系列PLC基于模块化结构设计，具有高速的指令处理和浮点运算、方便的人机界面、自诊断等功能，因此，深受国内用户欢迎，应用广泛。
      气力输送实验系统设计时，根据系统的现场设备情况和气力输送工艺功能要求，通过对各被控设备与输入/输出信号的统计，然后分别对PLC所需的I/O点数和存储容量估算，实验系统的PLC模块组可按以下方式进行配置：482.6mm单机架通用导轨一个、PS 307 2A电源模块一块、CPU 312C一块、DO 16×DC24V/0.数字输出模块一块、DI 16×DC24V数字输入模块一块、AI 8×12Bit模拟输入模块两块。同时，还为CPU模块配置存储容量为64KB的微存储卡MMC，用于存储CUP的用户程序（所有功能块）、归档和配方、S7项目组态数据、操作系统新和备份数据等，参见图2。

图2 气力输送实验系统PLC模块配置示意图

另外，系统配置研华IPC 610工控机，其性能为Inbbb Pentium Ⅲ,800MHz CPU, 256M内存，40G硬盘，64M显存的显卡，三星19″，纯平面显示器，带多种通讯接口，易于扩展的ISA和PCI插槽，声卡及音响（作报警和提示用），配置满足系统要求。
3.2 气力输送实验自控系统软件设计
      气力输送实验系统的软件主要包括用于控制工艺流程的PLC软件、上位机软件、上位机和PLC相互联系的通讯软件、数据分析与作图软件以及系统所要求的其他软件。
（1）PLC 软件部分设计。S7-300系列PLC的软件设计工作是在Step 7 SIMATIC Manager中完成的，块操作是STEP 7 PLC程序的一大特色，软件程序功能是通过对功能块的不断调用实现的。因此，气力输送实验系统的软件设计可以通过对功能块编程来实现。
一个完整的气力输送工艺流程主要包括进料、输送、清扫三个阶段，以普通无压开泵气力输送方式为例，其工艺流程根据顺序可分为如下几个步骤：系统启动—开透气阀（透气阀开到位）—开进料阀（进料阀开到位）—开喂料机（料位满信号到）—关喂料机—延时T1（T1可设定，下T2、T3同）—关透气阀、关进料阀（透气阀、进料阀关到位）—开除尘器、开出料阀（出料阀开到位）—开一次气阀—延时T2—开二次气阀（料位下限到）—关一次气阀—延时T3—关二次气阀—关出料阀（出料阀关到位）—关除尘器—设定泵数S未到，进入下一个循环；否则，系统停止。

      根据上述工艺要求，该气力输送工艺的PLC软件组成可分为组织块OB1、功能块FB1、FB1的背景数据块DB11、共享数据块DB20、功能FC1、FC2、FC3以及循环中断组织块OB35几个部分。其中，OB1是程序循环执行的主体；FB1是气力输送工艺流程执行主体，气力输送的工艺流程可通过对FB1的编程来实现；FC1的作用是实时检测外界设备、仪表信号，并将检测到的信号传递给功能块FB1；FC2的作用是将工艺流程的执行结果传递给外界，以实现对外部现场设备的控制；FC3是为了和上位计算机软件实现通讯而建立的功能块，它和监控计算机共用共享数据块DB20中的数据；为了保证系统的稳定运行，程序中设计有中断组织块OB35。各功能块的调用情况如图3所示。

图3 气力输送系统PLC程序调用过程示意图

同理，按照以上方法，可以根据工艺要求对气力输送系统的普通无压开泵、一次气智能方式、有压开泵、一次气智能方式、普通无压开泵、流化、流化智能方式、有压开泵、流化、流化智能方式进行程序设计，通过建立不同的FB以实现不同的工艺和功能。
（2）软件部分设计。软件是人机交互的主要界面，是自动控制系统的重要组成部分，通常由软件与和PLC通讯的软件两部分组成。
Visual Basic上位机软件程序设计。由于Visual Basic采用可视化的编程环境，具有简单易学的特性，因此，在对实验室气力输送系统进行设计时，可以结合Visual Basic的编程特点并根据系统的工艺功能要求开发出符合实际应用需要的IPC软件。
      上位机与PLC通讯软件设计。当上位监控计算机需要与PLC通信时，通信软件的设计根据所采用PLC产品使用相应的通信协议，MPI（Muti-Point-Interface）便是集成在西门子公司的可编程序控制器、操作员界面和编程器上用于建立小型的通信网络的集成通信接口。为解决PC与SIEMENS PLC之间的通讯，西门子公司的PRODAVE函数包提供有一系列已经测试的DLL（动态链接库）或LIB（库）功能函数，为程序建立与S7-200、S7-300 系列PLC通讯提供了大的方便。
      PRODAVE的函数可分为基本函数、数据处理函数和电话服务函数（bbbeService Functions）。基本函数用于建立、断开和PC与PLC的连接，以及读、写PLC中的各种数据。数据处理函数用于PC中用户数据的转换和处理。电话服务函数用于PC通过电话线与PLC建立连接。另外，当利用MPI通讯口进行通讯时，要将PC Adapter的两端分别插在计算机的串行口和PLC CPU模块的MPI口通讯口上，PC适配器的波特率可根据情况设为187.5 kbps或者高。
      气力输送实验室系统中，利用Visual Basic编写的上位机软件在和S7-300 PLC进行通讯时，主要调用了load_tool、unload_tool、new_ss、db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write等函数。其中，load_tool的作用是检查通讯、对通讯参数初始化；new_ss用于上位机需要和PLC进行数据交换时，进行通讯检查并通讯连接;db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write分别用来对S7-300系列PLC的数据单元（WORD或BYTE）进行读写操作；unload_tool用于在退出系统以前断开和PLC之间的通讯连接，当需要退出监控系统时可以调用此函数。

      在对上述函数调用之前，需要在VB模块中作类似如下的声明，以调用相应的函数，例如，当在程序执行过程中调用load_tool函数时，可声明如下：
Declare Function load_tool Lib “w95_s7m.dll” （ByVal nr As Byte, ByVal dev As bbbbbb, adr As plcadrtype） As Long
      这样，当上位机执行到对load_tool的调用时，它会自动访问安装在操作系统上的w95_s7m.dll动态链接库，从而可以实现初始化通讯连接的目的。
下面给出了气力输送实验系统上位机软件程序运行时实现与PLC通讯检查并加载主监控界面功能的程序代码。
Public Sub bbbb_Load（）
Dim ss As bbbbbb
Dim msg As Integer
plcadr（0）.adr = 2
plcadr（0）.SEGMENTID = 0
plcadr（0）.RACKNO = 0
plcadr（0）.SLOTNO = 2
plcadr（1）.adr = 0
plcadr（1）.SEGMENTID = 0
plcadr（1）.RACKNO = 0
plcadr（1）.SLOTNO = 2
res = load_tool（1, “S7ONLINE”, plcadr（0））
If （res <> 0） Then
ss = “通讯失败，无法建立连接！”
msg = MsgBox（ss, vbExclamation + vbRetryCancel, “提示信息！”）
If msg = 4 Then Call bbbb_Load
Else： maincontr.Show
End If
End Sub
      上述代码执行时，用户启动上位机监控系统软件，软件检查是否有在线的PLC连接，如果在线连接成功，即上位监控计算机经由适配器与PLC的CPU模块通讯无误，那么系统将执行maincontr.Show语句，显示主监控界面。否则，将显示“提示信息”对话框，提示操作人员无法与PLC建立通讯，操作人员应当检查通信线路，然后重试建立连接，或者取消连接检查而直接查看监控画面。
      上位机软件中其它诸如数据采集、状态显示、实时控制等方面功能的实现与此类似，不再赘述。
（3）数据与分析软件设计。数据采集与分析是实验系统重要组成部分，是改进系统和完善工艺的理论依据和科学基础。为了满足工艺研究人员对采集数据多方面的查看与分析要求，对实验数据的处理与分析可借助于专门的工程软件MATLAB来实现。

图4 实验数据作图GUI对话框

图4是在GUI环境下开发的对采集数据进行作图的初始对话框，它主要由两个操作按钮和文字提示信息组成。使用时，操作人员可通过点击“上载”按钮来采集数据所在位置，然后，系统将自动绘制各采集模拟量的MATLAB图形，当操作人员点击“取消”按钮时，将关闭该对话框并返回。
上述的用户界面在MATLAB中保存为两个文件，它们分别时SF.m和SF.fig，其中SF.m为“上载”按钮的调用（Callback）函数，函数主要内容如下所示：
function pushbutton1_Callback（hbbbbbb, eventdata, handles）
Mpic
function pushbutton2_Callback（hbbbbbb, eventdata, handles）
close
其中，pushbutton1、pushbutton2分别是提示对话框中两个操作按钮的名称，而Mpic是被调用的又一M-file，作用是根据需要对采集到的各量绘制其MATLAB图形。作为示例，图5给出的是绘制仓泵重量随时间变化图形的M-file代码及趋势图。
bbbbb
x=load（‘E：/matlab6p5p1/work/数据/009.txt’）
t=1：360
plot（t,x（：,7）,‘.-k’）
title（‘Container Weight （Kg）’）
ylabel（‘DATA NO. 9’,‘fontsize’,12）
xlabel（‘TIME （S）’,‘fontsize’,10）

4 结束语
      根据上述的气力输送实验系统，我们以粉煤灰为输送介质，通过对有压、无压、流化等不同工艺流程进力输送，为粉煤灰气力输送系统的研究和现场工程实施提供了大量的参考数据和设计依据。同时，借助本文所构造的气力输送实验系统，并通过在该实验平台上的气力输送实验，我们完成了江苏靖江热电厂粉煤灰气力输送系统与上海外高桥热电厂烟气脱硫工程石灰石粉气力输送系统的设计，并在工程实际实施过程中为现场工作的顺利开展提供了大量的指导。
      通过将该气力输送实验系统与工业应用实际相结合，并通过在该实验系统上的多次实验，本文所设计的气力输送系统可以很大程度地改进目前在气力输送领域所存在的问题，优化当前的气力输送系统结构，并为以后气力输送的发展与应用提供新的思路，具有广泛的实际应用。

1 引言
      随着我国经济的高速发展，通畅的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车，提高行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。

2 隧道监控系统的主要内容和控制要求
      保证隧道行车的通畅、，根本上说就是要求保证一个良好的行车环境，以及必要时候能够对通行的车辆做出合理的诱导。故通常在长隧道或特长隧道内设置一定保证环境和便于交通诱导的机电设施，按功能划分可分为交通检测与诱导设施、通风检测与控制设施和照明检测与控制设施，相应为控制这些设施，使其服务于隧道行车，分别设置交通检测控制系统，通风检测控制系统，和照明检测控制系统。
2.1 交通检测控制系统
      交通导控制系统主要作用在于控制交通诱导设施，如车道指示器，交通信号灯，可变情报板，可变限速标志等，用来诱导隧道内车辆行驶在单一车道上，通过可变情报板上面发布相关行车信息，通过可变限速标志设定隧道车辆的通行速度，并在必要时候（如，隧道内塞车、能见度值过低、含量太高等等）封闭隧道。车道指示器、交通信号灯显示信息通过PLC程序控制输出继电器来控制，可变情报板和可变限速标志的显示值通过PLC的串行通讯接口输出来控制改变。此外，对于隧道内设置的车辆通行情况检测器（即车辆监测器，可以车速，车流量，车道占有率等等参数）检测的隧道车辆通行数据，同样由PLC扩展串行通讯接口编程，存于PLC内存储器中。
2.2 通风检测控制系统
      为监控隧道内行车环境，隧道内设置有风速仪、和能见度仪。通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合行车标准，达到既行车、同时节约能源的目的。各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制中间继电器实现控制。
2.3 照明检测控制系统
      照明检测控制系统的目标是在不断监测隧道洞外、隧道洞内光照度的前提下，调节隧道进出洞口加强段等照明回路，达到合适的隧道内光照度。避免使车辆驾驶员白天进入隧道和夜间离开隧道产生“黑洞效应”；避免使车辆驾驶员白天离开隧道和夜间进入隧道产生“眩光效应”（或称“白洞效应”），让驾驶员轻松适应进出隧道的光照度变化，减少交通事故，同时考虑节约能源。光照度等参数的采集由PLC模拟量输入模块完成，照明回路的控制则由PLC程序控制输出继电器来实现。

3 系统构成
      高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度。
SIEMENS S7-300是模块化的中小型PLC系统，其大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，简单实用的模块化和分散式结构使得其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性使得其具有很高的工业环境适应性。并且基于以SIEMENS公司为主开发的PROFIBUS现场总线标准，S7-300 PLC还具有组网便捷的优势。易于实现分布，易于用户掌握，易于组建分布式现场网络等特点使得S7-300成为各种中小规模控制任务的方便又经济的解决方案。
鉴于以上原因，S7-300系列大量应用于隧道监控系统中，作为监控系统现场区域控制机的部件。

3.1 PLC配置设计
      根据隧道长度，设备分布情况，以长1000米、2个行车道的隧道为例，隧道内每间隔250米设车道指示器（正反面各有红叉绿头）2套（2车道），隧道进洞口各设可变情报板、可变限速标志和交通信号灯各1套，每个隧道洞内设和能见度检测仪（VICO），光照度仪（LO），风速仪（TW）各2套，车辆检测器各4套，通风风机4组（1组为2台风机）。另外隧道供配电系统为隧道两头设变电所，从两端分别对隧道供电，故照明回路的电力供应分别从两端变电所供出，在两个变电所内分别设照明区域控制机1套，控制照明回路数为19路。据此统计隧道进口端的区域控制机（简称RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的区域控制机（简称RTU2/RUT5）的配置点数（略）；变电所内的照明区域控制机（简称RTU3/RUT6）的配置点数（略）。
考虑系统的完整性、可操作性及点数冗余量，各区域控制机PLC系统硬件配置如图1、2、3所示。

图1 RTU1/RTU4硬件系统构成图

图2 RTU2/RTU5硬件系统构成图

图3 RTU3/RTU6硬件系统构成图

3.2 系统网络配置设计
      PROFIBUS是性的开放式的现场总线标准，即EN50 170欧洲标准；且现已成为IEEE标准和中国国家GB标准，具有传输速率高、传输距离远、性高、响应速度快的优点。鉴于隧道电磁环境的现状，系统采用抗干扰能力强、传输距离大的光纤接口PROFIBUS网络。即每个区域控制器上设置PROFIBUS现场总线光缆OLM模块构筑整个系统的冗余环形光缆总线，为现场区域控制机之间，以及区域控制机与上位控制管理系统之间构筑了一个高性的数据高速公路，即使在火灾、灾难、鼠害等端情况下，也可保证整个系统的完整性和性。PROFIBUS光纤冗余网络结构见示意图4所示。

图4 PROFIBUS冗余环形光纤总线

4 程序设计
4.1 设计思路
      本程序采用SIEMENS STEP 7作为编程软件。根据各区域控制机所连接设备以及相应设备的工作方式特点，采用模块化编程的程序设计方法。各区域控制机内PLC程序框架如图5所示。设计过程如下：

图5 程序框架图

（1）将项目划分为若干子任务。每一个子任务在程序中对应一个功能块（FB）或功能（FC）。功能块含有某个系统的一些设备和任务的逻辑指令，相当于一个子程序。由组织块（OB1）中的指令控制这些功能快的执行。
（2）规范并设定各输入/输出量，确定其类型和地址。为方便程序的编写和调试，增加程序的可读性。这里使用符号地址编程，即在程序中以符号名识别专门的地址。程序中所有的变量、块和数据类型等都可以使用符号。符号名可以是不过24个字符的字串，可以有80个字符的符号说明。其中输入/输出均采用符号，而其他地址则视情况选择使用，以避免符号过多。输入/输出符号表如表1所示。

表1 建立符号地址表

（3）建立可读/写的全局数据块（DB），用于保存全局使用的数据。其中，DB1用于保存与上位机交互的数据，DB2用于区域控制机之间的交互数据，等等。程序中每一个FC或FB或OB都可以读写一个全局共享数据块DB。
（4）为各程序模块分配中间变量，定时器以及计数器等资源。
（5）根据风机、照明回路、车道指示器等设备的工作方式，确定各输出信号与输入信号的逻辑关系，并转化成梯形图实现。
（6）根据可变情报板、可变限速标志、车辆器设备的通讯协议，通过串行通讯模块CP340，采用ASCII通讯方式编写通讯代码，发送符合协议的指令信息帧，查询或发布信息，从设备会传的信息帧中提取有效数据，并定期检查通讯状态。
（7）编写PLC之间的数据交换程序模块，确定需要交互的数据，分配此数据的存储空间，并定期刷新。
（8）编制、调试、连接所要求控制任务的各部分功能（块）。
（9）规划从组织块OB1中调用各部分功能（块）的程序执行功能。
（10）现场安装接线各外部输入/输出点，整定、调试程序，试运行，运行。
4.2 注意事项
（1）在硬件配置中设置CPU参数，主要包括启动特点、性能、循环中断、诊断/时钟、保护等。
（2）通过硬件组态工具设置模拟量模块的参数。本配置中，风速仪、照度仪、VICO检测仪均为4线制4～20mA输入信号，如果系统包括车道指示器的电流变送器，则为2线制4～20mA输入信号。
（3）在硬件配置中设定各区域机中PLC的PROFIBUS地址和MPI地址，确认各站具有的地址。在需要交互数据的站与站之间建立数据连接，并将各站与上位机之间均建立连接，本配置中，站与站之间建立FDL连接（相对快速的连接），站与上位机之间建立S7连接（SIEMENS公司自主PROFIBUS应用层协议，适用于S7 300系列PLC与上位软件之间的信息交换）。
（4）在用户程序使用之前，符号在符号表下建立，并且用户程序的符号。也就是说，一个符号或地址在符号表中只能出现一次。
（5）除OB1以外操作系统还可以调用其他的组织块以响应某些事件。在本程序中，通过定时循环中断OB35设定每隔5秒采样一次风速、照度、COVI等模拟量数据。OB35根据程序设定的时间间隔反复执行，时间间隔在CPU模块参数中设定。
（6）确定各部分状态的先后次序及连锁关系，使各动作间严格确保相互约束和定时关系，以提高程序的性。
（7）灵活运用各逻辑指令，完成各部分功能的同时力求程序简洁。

5 结束语
高速公路的隧道监控工程是一个系统工程，构成复杂、数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，系统性要求高。既需要从车辆检测器以串行通讯方式大量交通数据，同时也需要以串行通讯方式向可变情报板发送大量信息，另外还要完成对风速、VICO、照度的模拟量的采集以及照明回路、车道灯等开关量信号的检测与连锁控制。通过采用PLC可编程序控制器，实现了所有数据采集发布以及控制功能，并提供优良的网络传输性能，整个系统性能优良。