杭州西门子中国授权代理商触摸屏供应商

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 一、HMI在PLC工控系统上的应用

下面以国内某大型浮法玻璃生产线冷端切割区主控系统为例，介绍HMI在PLC系统在工控系统上的应用。
2.1 系统概述：
        切割区为浮法玻璃生产线中一个重要工段，其中包括测量发讯、纵切、横切、掰断加速、掰边、纵掰纵分、输送辊道等众多生产控制设备。系统硬件上主要由主控制器PLC，现场设备控制装置，包括伺服控制器、变频器、模拟量信号及脉冲信号处理器等和HMI构成。作为整个控制系统的，切割区主控系统在正常生产时根据生产工艺要求协调各个单机控制子系统的工作，切割计划，实现整个生产过程全自动化。整个系统的控制部分由日本三菱FX-200系列PLC完成，此部分内容本文略，而系统的监控和交互式操作界面等任务将由HMI承担。主要有以下内容：系统参数的设定；动态画面的显示；故障报警与诊断。其中HMI选用深圳显控公司的SA-5.7型人机界面

2.2 HMI与PLC之间的通讯：
当HMI用于PLC控制系统时，HMI与PLC之间通过串口以Direct bbbb（直接连接）方式进行通讯。在该方式下，HMI根据要求直接读入PLC的数据或把数据写入PLC相应的地址中。由于内装通讯协议，因此无须编制通讯程序，只要所用PLC类型即通讯协议，运行时便可实现通讯。因此大大减少了PLC用户程序的负担。在系统设计时，直接控制部件与其对应PLC的输入输出（Ｉ／Ｏ）、寄存器（Ｒ）、中间寄存器（Ｍ）的地址，运行时HMI就能自动和PLC进行数据交换。直接读取或改写PLC相应地址的内容，并据此改变画面上显示内容。同时通过对HMI的触摸操作，可向PLC相应的地址输入数据

2.3 HMI监控主面：
整个HMI监控系统采用树型结构，由监控主画面及相应功能子画面组成。在监控主画面下端设有控制功能键，按动功能键可以依次进入相应子画面，执行所需的功能。在每一个子画面中可通过 上一页 、 下一页 功能键在同一功能组中进行画面切换，在任一子画面都可以通过 主画面 功能键退回到监控主画面。系统自动采集相关数据，将切割计划、测量脉冲、辊道速度等一些重要生产工艺参数显示在主画面上，便于操作人员的观察。监控主画面上还有生产过程的动态画面显示，在动态画面上以各种形式模拟出主要控制设备的运行情况，例如光电开关的动作、电磁阀的吸合、电机的运行停止等，直观、生动的反映出现场的过程，方便操作人员对生产情况、设备工况的了解。显控公司的HMI编程软件SamDraw3.1提供了丰富的控制部件，例如按钮部件、画面切换部件、指示灯部件、数据文本显示部件等等，实现上述功能只要根据需要选择相应的控制部件，定义好其属性即可。采用软件通用模式，所有控制部件的属性通过组态形式完成，以实现相应控制功能。使用SamDraw3.1内附的图库及作图工具来构造生产现场的模拟画面，简便易行。内容丰富的作图工具库，使得画面生动、丰富多彩。 而且SamDraw3.1还支持图片上传以及自定义图库功能，用户可以很方便的将本地图片生成为图库或控件，在以后的组态过程中可以很方便的调用。 <

此外，充分利用HMI的优势将原先布置在控制柜上的开关、指示灯尽可能地用HMI中的控制部件替代，这样做减少硬件设备，简化了现场设备间的接线，重要的是给设计和调试带来诸多方便

2.4 HMI参数设置功能：
主控系统中有多达近百个参数需要设置，根据控制功能将其分为联锁、横切、横掰、速度、掰边、纵掰及设备参数组，使整个系统的结构加合理。同时利用HMI触摸操作的特性使参数设置变得为直观和简便。在参数设定时，点击数字输入控件自动弹出系统的数字键盘进行操作。每个参数在部件属性中定义并分配了相应的PLC地址，当确认后输入的数据将存入PLC的地址中。操作完成后，按动ENT键，可消去数字键盘同时完成数字输入。此种设计模式可大化地利用画面的有效面积。同时每个参数都设有上下限限制，当输入数值，系统将拒绝接受并且不能退出键盘，待输入正确后方可退出。此外对重要的系统设备参数组，为起见，可以对参数设置画面设置访问权限，赋予操作人员不同的操作权限，增加系统的性

2.5 HMI报警功能：
在系统报警设计时，将故障信息在报警编辑器中编辑好，并在报警记录子画面中设置报警记录显示部件用于故障信息显示。系统运行发生故障时，HMI根据PLC传送的故障信号，将报警编辑器中对应的故障信息在报警记录子画面显示出来。同时监控主画面上的%26ldquo;故障%26rdquo;信号灯将闪烁，声响报警。此时操作人员可进入报警记录子画面，根据故障信息查找原因，及时处理。

结束语 ：
该系统投入使用后，受到用户的欢迎。系统具有、直观、简便等特点。监控、故障诊断和报警等功能的实现，大大提高了生产运行的性。实践证明，HMI在PLC控制系统中有着广泛的应用前景，必将在工厂自动化中发挥出越来越大的作用

    速度可以为温度压力以外的调机手段，它能对物料粘度进行控制和调节。通过速度的控制和调整，可以防止和改善制件外观，如：毛边、喷射

引言
面对水泥粉磨生产的不仅仅是产量问题。水泥的内部质量，生产成本，效率等等问题在目前国内外激烈竞争环境下显得尤为重要。目前我国水泥粉磨基础级控制技术日趋完善，但过程级控制起步较晚，这从一定程度上制约了水泥粉磨生产控制的发展，因此搞好过程级控制成为我们生产中为迫切的问题。

系统配置
南昌海螺水泥厂有两条￠4.2x11M 带辊压机的水泥粉磨系统，系统控制范围为：原材料入库、输送— — 水泥粉磨（I、II 线）— — 水泥出库及包装系统；（共计262 台设备, I/O 共计2516 点）。水泥粉磨控制系统介绍及配置
1) 辅助原料及水泥粉磨二线部分
配置一台IC693CPU374 控制站，采用Genius 方式扩展I/O，I/O 模块均采用VersaMax 扩展，对水泥粉磨二线及原料配料部分所有模拟量和数字量进行控制。其中，水泥粉磨二线一台辊压机S7-300(315-2DP)系统通过PROFIBUS-DP 与CPU374 控制站进行数据通讯。
2) 水泥粉磨及水泥库部分
配置一台IC693CPU374 控制站，采用Genius 方式扩展I/O，I/O 模块均采用VersaMax 扩展，对水泥粉磨及水泥储存（库）部分所有模拟量和数字量进行控制。其中，水泥粉磨一台辊压机S7-300(315-2DP)系统通过PROFIBUS-DP 与CPU374 控制站进行数据通讯。
3) 水泥库底及包、散装部分
配置一台IC693CPU350 控制站，采用Genius 方式扩展I/O，I/O 模块均采用VersaMax 扩展，
对水泥库底及包、散装部分所有模拟量及数字量进行控制。主要采用触摸屏TP270 方式操作。TP270
通过PROFIBUS-DP 与IC693CPU350 控制站进行数据通讯。

系统网络概述
本系统网络配置为二级：工厂级MIS 网络系统，过程自动化控制系统。系统网络工厂级MIS 网络系统，过程级网络系统工程师站，上位操作站、工程师站与下位之间及PLC 主站之间的通讯为工业以太网，下位Genius 总线，Profibus 总线，传输介质为屏蔽双绞线，通讯速度分别为38.4K/S～153.2K/S、9.6K/S～12M/S 间软件设定。

本系统不仅连入总厂MIS网，而且又和基础级的Genius、PROFIBUS 网通讯，另外各过程（管理）机间又要相互通讯。故此，服务器既连入工业以太网便于和粉磨系统通讯, 又连入基础级Genius 、PROFIBUS 总线网收集各PLC 控制器信息，过程级又由网桥通过光线挂在总厂MIS 网络上，便于实现总厂级管理，既共享厂级网提供的产，供，销等市场信息，又和总公司计划策略步调一致，实现了网络化生产管理。

控制系统的抗干扰措施
南昌海螺的自控系统主要设备为高速精密的弱电设备，各种控制电缆和信号电缆数量非常多，
系统易受到各种干扰。若不采取措施，其干扰，会严重影响系统的正常运行。因此，本自控
系统采用了如下几方面的抗干扰措施：
 系统现场GEIP PLC 控制站的所有数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块模块均
采用光电隔离，将现场各种信号与系统背板总线隔离。
 系统现场GEIP PLC 控制站的所有数字量输出信号均采用继电器隔离，实现每个数字量
输出通道之间的隔离，了数字量输出信号之间的相互干扰。
 系统现场GEIP PLC 控制站的所有模拟量输入/输出信号电缆均采用屏蔽电缆，其屏蔽
层在控制柜侧一点接地，了空间干扰。
 系统现场GEIP PLC 控制站的控制电缆、信号电缆与系统动力电缆应分开布线，保持一
定的间距。特别是大功率变频器的动力电缆能产生较强的空间高频干扰，应使用金属管穿线，
并将金属管良好接地。
 系统的供电电源采用UPS 电源，可防止来自电网上的高压、欠压、浪涌、尖峰脉冲干扰、
 系统现场控制站的标准机柜及相连接的其它电气设备应按标准要求做好接地连接。
 系统软件配置
 操作系统：bbbbbbs 2000 SP2 中文版
 数据库管理系统：SQL Server 6.5
 应用程序开发工具：CIMPLICITY ME，IFIX3.0
 Dlefhi server V6.0
系统功能
 顺控启、停机控制
 原料储存及输送工艺顺控
 水泥磨机工艺顺控
 水泥出库及包装工艺顺控
 自动控制调节
 粉磨喂料调节控制
 粉煤灰流量调节控制
 辊压机辊缝压力调节控制
 选粉调节控制
 水泥标准小仓仓重控制
 设备控制管理
设备控制管理是设备管理的重要环节，PLC采集设备的温度、压力、电流、振动等参数的瞬时数据和并分的轻、重故障判别信号送达上位机。
 生产过程控制
生产过程控制，包括生产任务的，水泥质量的判定，故障识别，工艺参数和水泥的数据跟踪，数学模型的实现。并对生产进行优化处理，对必要数据信息进行在线显示和归档处理。生产过程控制分为六个子模块，以下对它们分别讨论：
1) 网络接口模块
本模块负责网络通讯和数据收集，它由服务器实现。用Dlefhi 编程实现对磨机和公司MIS 网络
的数据访问。通过IFIX 对PLC 进行访问。数据统一送往SQL 数据库，便于集中数据管理。
2) 过程数据输入输出模块
本模块将负责过程工艺参数文件，供其他模块使用，并将粉磨系统传来的数据信息进行处理。
同时和工作站HMI 交换数据，并将数据送往PLC 控制器和其他模块。同时形成各种不同类型工作
报表，和数据归档文件存储于上位机，供后续的检索查询，同时打开控参数文件读取参数信息供其
他模块使用。
3) 生产命令及管理模块
本模块接受主控室工作站的命令信息，启动数据跟踪，并发送命令控制字给PLC 控制器。它还响应工厂级MIS 网络系统送来的信息。本模块是生产的开始，并贯穿于整个生产的全过程，它一般由水泥粉磨主控室的操作人员管理，同时在也可发命令请求信号，由水泥粉磨主控室的操作人员确认后，即可有效。命令是有级别的，有权限的，并带有加密机制，记录机制。
4） 异常控制管理模块
自动异常是程序自动识别的异常情况，它通过对现场信号的分析作出判断的。手动异常是操作人员在经验输入的调节信息，一般用于紧急情况。在异常发生时，程序向相关控制器和管理机发送异常信息，仅仅当主控室管理人员通过画面用键盘或鼠标输入异常解除信息，异常信号才消失。
5） 质量管理模块
质量数据跟踪完成生产计划显示，原辅物料质量信息传送和故障信息跟踪，质量跟踪由入磨头仓配料开始直到水泥送至水泥库为止。配料数据文件和实时数据库的信息形成配料跟踪文件并回送实时数据库。由数据库送往工程师站，并形成报表。
6） 水泥质量数学模型
水泥质量的控制思路根据现场实际工艺要求（包括品种，质量等要求），理论上根据入磨料流量、磨音控制混合料配比流量。根据风门开度、主收尘器差压、选粉机转速控制水泥比表面积。计算模块的任务是根据数据输入模块的实时数据和各种工艺参数，及水泥物理化学参数，由数学计算子程序计算出水泥细度，水泥强度，凝固时间等参数供控制模块使用并送往信息输出模块。

应用体会
GEIP PLC性能价格比高，硬件质量，系统网络抗干扰能力，和与三方工业设备和软件包通信，是我们放弃其它系统的而改变选择的重要原因之一。随着GEIP PLC 技术的不断革新和提高，用户将是直接的受益者，目前PLC 也不断受到其他基于计算机技术的控制装置及系统越来越多的挑战，受到PLC 技术本身软件方面急待新与发展的挑战，受到一种全新的工业控制结构— —不但控制分散化，而且网络也分散化的挑战，受到开放型模块化体系结构控制系统的挑战。PLC必然将会向完善其软件和硬件两个方向发展。GEIP PLC 在这方面走在了。

结束语
本系统自2003 年4 月建成投产经过调试投入运行以来，系统运行稳定使用效果良好，很好地发挥了它在生产上的管理，优化，协调等功能，对提高产品质量，和生产效率发挥了重要作用，同时也证明了本系统设计思路的成功。

汽轮机热工监视和保护装置以及由其所组成的信号报警系统和保护控制系统，是保护汽轮机运行的重要设备。随着机组容量的增大，汽轮机监视和保护就显得加重要，同时对汽轮机监视和保护装置的准确性和性也提出了高的要求。原有及早期设计的保护系统大多为继电器及硬件逻辑搭接的，它的系统性较差，维护量较大。因此，采用可编程控制器（PLC）对汽轮机热工监视和保护装置进行控制显得十分重要和必要。以下所介绍的为应用PLC控制的汽轮机保护系统。

2 汽轮机保护系统概述

汽轮机在正常运行过程中，需要根据用户用电量来调节负荷，为了防止调节系统因故障失灵，和汽轮机突然甩负荷时引起速危险，以备在机组出现某些异常时动作停机，防止发生事故。汽轮机设置转速、转子的轴向位移、轴瓦振动、机缸相对膨胀、汽轮机各轴承的油压和油温、凝汽器的真空度、发电机的主保护动作等参数的保护，在这些参数中的任何一个过所规定的允许值时，要求自动发出信号使磁力断路油门动作，泄掉油，切断进汽，进行强制停机，并且同时声光报警，记录停机原因，向DCS控制系统和调节系统发送联锁信号，联锁调节门、发电机和油泵，使整个系统回到状态，达到保护汽轮机的目的。

3 系统组成

汽轮机保护系统由现场设备部分、PLC控制系统部分、人机界面（触摸屏）和外围联络系统组成。现场设备主要包括：汽轮机本体监测系统（汽轮机转速、轴向位移、轴承瓦振动、汽缸相对膨胀等）、压力检测系统（检测润滑油压力、油压油、凝汽器真空度）、油温检测系统（检测各轴承回油的温度）、磁力油路遮断停机系统；PLC控制系统包括：冗余的PLC控制器、信号隔离继电器、驱动继电器和接触器；外围联络系统包括：DCS控制系统、汽轮机转速负荷调节系统。系统结构如图1所示。整体系统构成了现场数据采集处理、监视和现场设备控制。

4 硬件设计

由于汽轮机保护系统的重要性，决定了该系统在任何时候不容许出现误动作或拒动作，因此作为逻辑控制单元的PLC一般选用国内外品质高、稳定性好的产品AB-ControLogix系列产品。

系统采用双机热备冗余配置，控制部件（CPU）配置两套，分别安装在两个立的机架，两个机架的CPU通过光纤连接的模块热备运行，在任一套CPU及相关部件出现故障或错误时，会无扰动切换到另一套CPU，保证了系统的稳定运行。PLC的IO模块安装在立的IO机架，IO与CPU的通讯方式为冗余ControlNet网络。PLC的开关量输入输出点都选用继电器隔离，防止了现场的干扰信号对系统的不良影响，保证了系统能够长期运行。

图1 汽轮机保护系统结构图

人机交互单元选用Allen-Bradley 公司的PV1000 彩色工业触摸屏产品，在触摸屏上可以进行监视、操作和运行参数记录，触摸屏是系统的操作员站,人机对话简单方便、系统组态便于修改和扩充，并且触摸屏具有不死机可以长期稳定运行的优点。触摸屏与CPU的通讯方式也是通过冗余ControlNet网络。

汽轮机保护系统的PLC结构示意图如图2所示。由图可以看出，在保护系统投入正常运行后，如果一套CPU出现故障或一条通讯介质接触不良，不会影响保护系统正常运行。

图2 PLC结构示意图

5 软件设计

软件设计包括两部分：PLC控制保护逻辑和触摸屏监视、操作记录画面组态。PLC控制保护逻辑采用梯形图编写，保护逻辑程序选择连续性任务在全部时间内运行，使保护逻辑程序始终运行。保护逻辑程序主要包括各项保护投退部分，报警与显示部分，跳闸动作部分，事件记录和SOE记录等几个部分。

由于采用了触摸屏，保护投退由一个总保护开关，扩展为每一项保护设置立的保护开关，各分项保护开关在触摸屏上组态实现。各项保护投退相当于汽轮机保护系统的开环运行或闭环运行的选择钥匙，在保护退出时，汽轮机保护系统属于开环运行，此时保护对应的运行参数异常，保护系统只发出报警，不会动作跳闸；在保护投入时，汽轮机保护系统属于闭环运行，此时保护对应的运行参数异常，保护系统发出报警，同时动作跳闸，关闭主汽门。分项保护开关的设计，使得保护系统灵活，现场工作人员可以根据运行情况投入部分重要的保护功能，不满足条件的保护暂时不投入。

PLC采集到的现场汽轮机报警信号、跳闸信号分别在触摸屏报警画面和跳闸画面显示，取代了以前用大量光字牌显示报警跳闸的方法，大大减少了日常维护量。跳闸动作信号进行跳闸记录，为分析汽轮机跳闸原因提供了很好的依据。PLC保护逻辑与触摸屏之间通过对应的CotrolNet通讯协议进行实时通讯，从而保证了汽轮机运行参数在触摸屏上显示和进行事件记录，在触摸屏上进行的操作实时被PLC扫描，并在程序中执行。

SOE记录要求达到毫秒级别，需要在PLC中通过程序实现，并在PLC中记录，把记录结果在触摸屏上显示。

6 结束语

根据上述的思路和方法，由PLC控制的汽轮机保护系统已先后在沈阳新北热电厂、寿光巨能热电厂、通辽盛发热电厂等数十个用户单位的汽轮机设备上投入运行，结果表明系统的设计是合理的，系统在现场运行稳定，不仅提高了设备的自动化运行水平，减轻了现场人员的维护量，而且延长了汽轮机的运行寿命，有着明显的经济效益和社会效益。