天津西门子模块代理商交换机供应商

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可编程控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产领域得到了广泛的使用，西门子公司的PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列，S7系列是传统意义的PLC产品，其中S7-400是用于中性能要求的大型PLC，可以扩展300多个模块。S7-300／400可以组成MPI(多点接口)，PROFIBUS网络和工业以太网。 

1 S7-400的基本结构与特点 

1.1 基本结构 

S7-400采用大模块结构，由机架、电源模块(PS)、处理单元(CPU)、数字量输入／输出(DI／DO)模块、模拟量输入／输出(AI／AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI／DO模块和AI／AO模块统称为信号模块(SM)。机架用来固定模块、提供模块工作电压，并通过信号总线将不同模块连接在一起。S7-400提供了多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能模块。$7-400采用模块化无风扇设计，性能范围宽广的不同模块可以灵活组合，扩展方便。 

1.2 特点 

S7-400的特点有： 

a．运行速度高，存储器容量大； 

b．I／O扩展功能强，可以扩展21个机架； 

c．强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的MPI能建立多32个站的简单网络，大多数CPU集成由PROFIBUS—DP主站接口，可以用来建立高速的分布式系统； 

d．能通过钥匙开关盒口令实现保护； 

e．诊断功能强，新的故障和中断时间保存 

在FIFO(先入先出)缓冲区。 

2 S7-400的配置和工作原理 

2.1 S7-400的配置 

S7-400按冗余方式设计，主要器件都是双重的，可以在发生故障时继续使用备用的元器件。S7-400由两个子系统组成，每个系统有一块有容错功能的CPU414-4H，一块PS407电源模块。子模块用于连接两个处理器，放置在处理器内部，并由光缆互连。每个处理器上有S7I／O模块，控制器也可以有扩展机架或ET200M分布式I／O。 

功能总是冗余配置的，I／O模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置，具体说明如下： 

a．常规单通道单路配置。两个子系统只有一个有一套I／O模块(单通道)，它可以在一个控制器中，或者是分布式的I／O站。I／O模块只能被该子系统访问，读出的I／O信息同时提供给两个控制器。如果出现故障，属于故障控制器的I／O模块退出运行。 

b．单通道切换式配置。单通道切换式配置的I／O模块虽然是单通道设计，但是两个控制器都可以通过冗余的PROFIBUS-DP网络访问I／O模块。切换式I／O模块只能在ET-200M远程I／O站中。 

c．双通道I／O模块容错冗余配置。系统中有两套相同的容错冗余配置的I／O模块，每一个子系统都可以访问这两套I／O模块。 

2.2 S7-400H冗余控制PLC的工作原理 

S7-400H采用“热备用”模式的自动冗余原理，在发生故障时无扰动的自动切换。无故障时子单元处于运行状态，如果发生故障，正常工作的子单元能立完成整个过程的控制。为了保证无扰动切换，实现控制器链路中间的快速、的数据交换。两个控制器使用相同的用户程序，自动的接受相同的数据块，过程映像和相同的内部数据，例如定时器、计数器及存储器等。 

这样可以确保两个控制器同步的新内容，在任意一个系统有故障时，另一个可以承担全部控制任务。 

S7-400H采用“事件驱动同步“，在两个子单元的内部状态不同时，例如在直接I／O访问、中断、报警和修改实时时钟，就会进行同步操作。通过通信功能修改数据，由操作系统自动执行同步功能，不需要用户编程。 

S7-400H对控制器之间的链接、CPU模块、处理器、ASIC和存储器进行自检。在启动后每个子单元完成执行所有的测试功能。每个周期只执行部分自检功能，以减轻CPU的负担。 

3 S7-400H冗余故障分析及相应处理 

3.1 丙烯循环气压缩机控制系统 

聚丙烯装置丙烯循环气压缩机(PK301)的控制系统是一套典型的S7-400H PLC，其结构如图1所示。

 
图1 冗余控制系统

 
图2 PLC系统结构示意图

引言 

可编程控制器PLC(Programmable LogicController)具有性高、通用性强、编程简单、体积小、安装维护方便等优点，在工业控制中得到了广泛应用。 

在工业控制系统中，可能存在不同厂家生产的、多种型号的可编程控制器PLC。为了便于系统集成，一般采用基于OPC(OLE for ProcessContr01)规范的接口进行数据交换，为此，需要设计、开发面向PLC的OPC服务器。 

1 OPC服务器开发工具 

面向PLC的OPC服务器开发需要完成以下两个方面工作：一方面，需要根据PLC的通信协议实现上位机服务器软件与PLC的数据交换；另一方面，需要合理设计服务器软件的架构与接口，使之符合OPC技术规范。 

由于OPC服务器是基于COM技术的，这就要求程序设计人员非常熟悉COM技术，而精通COM技术是有一定难度的，因此，OPC服务器的源码级开发是相当复杂的，一般由的软件公司进行开发。 

为了便于OPC技术的推广和应用，国内外许多单位推出了OPC服务器快速开发工具包。这种工具包将微软公司的OLE／COM／DCOM技术和OPC的技术细节进行了隐藏，使用户开发工作集中在数据采集和处理任务上，从而简化了OPC服务器的开发。 

基于工具包的OPC服务器开发，主要任务是熟悉工具包的API接口函数，通过调用工具包的API接口函数实现OPC服务器的功能，为应用软件提供符合OPC规范的接口。 

2 OPC服务器设计与开发 

2．1软件设计 

基于工具包的面向PLC的OPC服务器开发的要任务是设计OPC对象与接口、OPC服务器界面，然后进行OPC服务器与PLC的通信设计，以实现OPC服务器与PLC的数据交换，具体的软件架构如图1所示。

3 设计实例 

3．1 PLC控制对象 

Denford公司的FMS(Flexible ManufacturingSystem)教学演示系统由一台数控车床、一台数控铣床、两台机器手和一条传送带组成，该系统可以通过数字I／O接口进行控制，各设备的I／O接口数如表1所示。 

由表1可以看出，该蹦S的控制器需要有13个数字输入口采集设备的状态信息，需要11个数字输出口发送控制命令。欧姆龙公司生产的CPMlA一30CDR—A—V型PLC有18个数字输入口和12数字输出口，满足该FMS控制的接口要求。为了满足该FMS控制系统快速重构的要求，其控制系统是基于OPC规范接口的，即按照图3所示的体系结构进行控制。因此，需要为图3所示的PLC开发OPC服务器。

引言 

由于当今的PLC拥有强大的优势、的工作性能和的功效，被广泛的应用于各行各业的自动化与现代化控制领域中，此外由于组态技术的产生和其与PLC控制的结合应用，使得应用PLC技术的控制领域不断向快捷与深层次的方向发展。 

1 粉碎机简介 

粉碎机是一种将较大尺寸的固体材料加工成较小尺寸的加工机械，按其种类主要可分为粗碎机、中碎机、细磨机、细磨机，其常用的加工方法主要有压轧式、剪断式、冲击式、研磨式等四种，另外为了保证粉碎机生产的与，其粉碎装置通常采用液压马达来驱动。目前粉碎机主要用于对冶金、建材、化工、矿山等多种行业的产品物料进行颗粒化或粉末化的加工与生产。 

2 组态与PLC结合的方案设计 

根据被控对象的工作过程，使用北京亚控公司的“组态王6.52” 版本的软件创建出对应的监控演示画面；其次对监控画面中各图素的变量参数进行设置，特别要注意各图素的寄存器类型名称必需与所设计程序中的I/O元件寄存器的类型名称要相同，并将各图素和其对应的变量参数进行动画连接；再次将组态王与PLC通讯的波特率选择为9600，选择奇校验方式且校验位数为7位，再通过RS232接口的数据线与三菱PLC建立实体连接；后使用FXGPWIN编程软件将所设计的程序传送到FX2N—48MR型的PLC中，之后将PLC的工作模式设置为运行状态，接着将创建的监控画面转换到VIEW模式，通过点击本画面中对应的按钮或开关就可实现对被控对象的实时监视与可控操作。 

3 应用实例 

3.1 粉碎机工作过程的简介 

液压马达带动粉碎装置运动，然后液压缸A伸出将物料推进粉碎腔，推完后缸A退回到原位，如再放入物料则继续伸出。粉碎后的物料落入压模槽中，当压模槽中的物料达到设定的重量时就停止进料即液压缸A停止伸出，此时液压缸B伸出对物料进行压缩，压缩完成后缸B退回到原位，接着液压缸C伸出将压好的物料块推出压模槽，然后缸C退回到原位时液压缸A方能继续伸出送料，如此循环。 

3.2 粉碎机的控制程序设计 

根据粉碎机的实际控制要求与工作过程以及PLC程序设计的基本要求与步骤，设计出对应的PLC控制程序。另外为了好的对程序进行设计与理解，对本程序中的I/O元件所对应的实际对象作了专门的注解说明，且程序中X与Y标号的元素含义是表示连接的某个实际的输入与输出元件。 

3.3 组态软件的使用 

3.3.1 根据组态软件的操作过程，先建立组态王新工程，然后完成设备新建的选型与配制即按照组态王新工程的安装提示在其设备的PLC选择栏中选择三菱FX2系列的PLC编程口和通讯用端口COM1，这就等于和实际的该PLC建立了连接，后根据安装提示完成其它内容的设置与选择。 

3.3.2 根据粉碎机的工作与控制过程，设计并创建其组态监控画面即从组态王图库中选择与本控制过程中元件名称相对应的图素，然后自行对所的选图素进行位置编排，具体设计画面见图1所示。本画面中的图素只表示对应实际元件的工作状态与过程，不表示实际元件的结构与物理连接，从而提高了画面设计的灵活性。 

3.3.3 根据设计程序中I/O元件的名称与标号，对本画面中的图素进行变量参数的设置与选型即给每一个图素定义一个对应的变量参数。另外将每个图素与其对应的变量参数进行动画连接，这样这些图素在本画面的VIEW模式下就可以对其进行操作了。 

3.4 应用实现 

在完成以上内容和其它相关的准备工作之后，根据方案设计先建立PLC与组态王的通讯连接以及其它参数的设定，接着将设计的控制程序写入到PLC机中，然后将PLC的工作模式设置为运行状态，再将组态监控的画面转换到VIEW模式（注：PLC运行后不能使用自身的监控模式，否则监控画面中的图素将操作无效），这样就可以对粉碎机的工作过程进行监视与可控操作了。此时按下监控画面中的开始按钮，就能看到画面中液压泵的图标色由红色变为，这表示泵启动；同时也看到PLC机上编号为Y7的输出端子指示灯被点亮，这表示实际的液压泵被启动，过一些时间后液压马达被启动，具体过程见图1所示。这样PLC依次执行各行程序，就能输出对应的操作，通过本监控画面就能很方便的对粉碎机的工作过程进行现场或远程的控制与监视，从而实现了较好的现代化控制。 

4 结束语 

通过将组态技术与PLC控制的有效结合，一方面工作人员能较好的对粉碎机进行监控操作，并较好的解决了实际工程应用中没有触摸屏可使用的问题，这大大的增加了对PLC控制方法的多样性。另一方面通过这样的应用结合，教师在教学过程中能很好的让学生掌握PLC与组态技术的具体使用方法与应用过程，还能较好的解决教学过程中内容抽象和无控制对象可展示的问题，终能将学生所学的知识进行融会贯通与应用提升。