福州西门子授权代理商通讯电缆供应商

福州西门子授权代理商通讯电缆供应商

摘 要自动焊接的应用越来越广泛，焊丝需求量也越来越大，同时要求层绕设备应适应各种规格的焊丝，且运动，自动化程度高。测控网络技术的应用为实现生产过程的自动化，提高产品质量和生产提供了。基于ModbuS协议的层绕机测控系统采用总线结构，RS一485串行总线通信，通过网络实时控制，提高了缠绕精度和自动化程度。焊丝主动导开技术的实现弥国内同类产品的不足。设备经现场使用，性能稳定，工作。

关 键 词 可编程序控制器;变频器;网络测控

测控网络技术的应用为实现生产过程的自动化，提高产品质量和生产提供了，Modbus通信协议具有侦错能力强、量大、实时性好等特点[1]成为目前自控领域使用非常广泛的通讯协议。通过此协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中控制和数据共享等。目前国外生产的层绕机自动化程度高，自动排线，主动导开放线，层绕质量高，但价格昂贵。国内研制出的层绕机自动排线不够稳定，且需人工干预，大多数为被动导开放线，缠绕质量不稳定，生产效率低，均未采用网络测控。针对储丝机构料位的控制方案以及基于ModbuS协议的层绕机测控系统，采用总线结构并通过网络实时控制，较好地解决了焊丝恒张力层绕控制和焊丝主动导开的技术难题，实现了焊丝的层绕线速度升降自适应，自动定长停车等功能，提高了焊丝的层绕精度和设备的成功率，且价格低廉。

1 测控网络的结构和功能
随着各种钎丝制品（如焊丝、电机和变压器绕组等）需求量猛增，迫切需求和自动化程度高的连续生产缠绕设备，提高生产率和产品质量，加快基于全数字交流伺服的缠绕技术的研究迫在眉睫。

1.1 测控网络的总体结构
基于M odbus协议的层绕机测控系统总体结构如图1所示，包括控制单元、收线测控单元、张力测控单元、导开测控单元、直线行走单元和人机交互系统。

1.2 各网络节点的结构和功能
控制单元PLC:对各单元所传来的数据进行处理，控制各单元的执行动作。

收线测控单元:利用编码器测出主轴电机速度，由PLC控制收线变频给定值。

张力测控单元:通过监测浮动辊所处位置即料位反映焊丝张力的变化情况，将料位分成9个状态，采用模糊控制对料位跟踪调整，使浮动辊处于位置。

导开测控单元:根据张力变化对导开电机进行控制，实现主动导开功能。

直线行走单元:采用台达伺服电机作为执行机构，保持焊丝缠绕角度。

人机交互系统:采用台达触摸屏对各种生产参数进行设置以及监测系统运行状况，发生故障作报警提示，RS一232接口连接方式。

2 通信系统介绍

Mobdus通讯协议广泛应用于工业控制领域，协议结构简单通用，大部分工控系统都支持这种协议。ModbuS标准定义了051模型7层上的应用层报文传输协议，它还将串行链路上的协议标准化，以便在一个主节点和多个从节点之间进行查询和应答。Modbus串行链路协议是一个主/从协议，该协议位于051模型的二层。位于0517层的MOdbus应用协议定义了简单的立于其下面通信层的协议数据单元（PDU），RS一485总线网络的Modbus协议映射在发起ModbuS事务处理的主节点构造Modbus PDU，然后添加附加域构造Modbus串行链路通信PDU。Modbus通信总是由主节点发起，主节点向从节点发出查询命令并处理响应，从节点在没有收到主节点的请求时并不主动发送数据，也不与其它子节点互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。

2.1 协议格式
Mdobus协议定义两种串行传输模式:RTU模式和ASCl模式，规定了报文域信息位（bits）在线路上串行传送方式，确定了数据信息如何形成报文和报文如何解码。本系统采用RTU模式。在消息中的每个SBit字节包含两个4Bit的十六进制字符，见表1。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下，可比ASCll方式传送多的数据[2] 。

该模式下消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输过程中，网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当个域（地址域）接收到，相应的设备就对接下来的传输字符进行解码，一旦有至少3.5个字符时间的停顿就表示该消息的结束。

2.2 检查码（CRC）
主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。错误域包含一16Bits值（用两个8位的字符来实现）。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长方法得出的。CRC域附加在消息的后，添加时先是低字节然后是高字节。故CRC的高位字节是发送消息的后一个字节。错误校验采用CRC一16校验方法图。
CRC 校验码计算如下:

2.3 通信程序编制及参数设定

2.3.1 人机交互系统
2.3.1.1 主画面
（1） 在操作面板上设有一个“重量CLR清零”按钮，此按钮按下，则已缠绕焊丝重量清零;
如果保持按下35以上，则累计重量清零（延时功能由PLC实现）。
（2）在主 画面上设有“预置重量、焊丝线径、已绕重量及累计重量”等数据。
（3）设有 “用户参数”（见表4）、“工艺参数”和“机械参数”三个子画面切换按钮。

2.3.1.2 分画面
（1） 机械参数:设置排线角输人，排线滞后角输人。
（2） 导开变频器给定频率补偿设定:可设置高料位导开频率补偿值、中高料位导开频率补偿值、中低料位导开频率补偿值和低料位导开频率补偿值等。
（3） 角度传感器报警和断丝报警停车。
（4） 焊丝比重设定。

2.3.2 变频器
变频器选用台达VFD一B系列，收线和导开电机各有一台变频器驱动，两台变频器与可编程序控制器遵守ModbuS通讯协议。变频器的参数设置见表5。

2.3.3 可编程序控制器
采用台达DVP一SX机型，该机为01点（4DI+ZDO+ZAI+ZAO）特殊主机，内建2位数的七段显示模块，直接对应内部寄存器。扩展模块为DVP06X一H模拟输人/输出混合模块。可编程控制器与变频器建立通讯程序见图2。

主节点访问从节点的程序流程见图3。

3 结束语
测控系统越来越走向分布式、网络化，基于Modbus的网络测控系统在层绕机上已实现，主节点与各从节点之间采用了RS一485串行通信总线，使测控网络的连线简洁，信号传输稳定，并采用模糊控制算法了良好的张力控制效果，大提高了缠绕精度和自动化程度。可用企业局域网对测控网络进行管理，通过网关连接到Internet网实现远程测控功能，生产过程控制系统与信息管理系统结合的管控一体化发展，实现企业综合自动化。设备现场运行良好，工作稳定，便于操作，具有广阔的市场前景

0.前言

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1][2]

在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RF Monolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3]。

无线数传模块是一种集成式的于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。

目些厂家推出了的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。

在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。

1.总体方案

该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向。其控制系统功能框图如图1所示。

在布线方便的情况下，按钮操作及摇杆操作的开关及比例信号可通过电缆直接输入到PLC的数字量及模拟量输入模块。这种方式结构简单、、性高，控制系统的硬件设计及软件编程为简化。但在实际工业现场中，布线受到诸多限制，尤其是对于移动型设备，采用有线控制方式人员操作不够方便灵活。由于我们研制的机械手需要在轨道上长距离运动，且操作距离较远，因此采用无线遥控操作的方式。为此我们采用无线数传模块作为通信模块，并设计了基于16位单片机的手持式操作器，改进后的遥控型机械手控制系统总体功能框图如图2所示。无线数传模块成对使用，在手持操作器端和机械手本体上的控制系统端各有一块，分别完成数据的无线发送及接收功能。在控制系统需要的时候，也可以双向收发，即同一端的数传模块在数据接收和数据发送功能中切换。此时需要注意，数传模块的发送与接收功能的切换需要一定的时间。

手持操作器根据操作员对按钮及摇杆的不同操作，通过IO口及AD转换进行，后的信息进行数字编码后形成指令，以ASCII码的形式通过串口发送到无线数传模块，无线数传模块再将指令以无线方式发出;机械手上的控制系统的数传模块接收到发送来的指令编码后通过串口总线传送至PLC，PLC对指令编码进行解码，分解出不同的操作指令，然后进行逻辑运算，根据不同的指令得到不同的需要执行的动作，再通过数字输出和模拟输出控制相应的继电器或阀动作，从而实现对机械手各关节的远程无线操作。通过信号电缆连接到PLC的按钮操作输入及摇杆操作输入保留在机械手本体上，作为备份或检修使用。同时，在PLC数字输入口和手持操作器上均设置遥控操作切换按钮，可以进入或退出遥控操作模式。PLC上的按钮操作应具有高的级。

由于摇杆操作采集的对象为摇杆的比例位置状态，它采用的是自动对中的设计的。因此在控制系统软件结构上，采用循环发送指令的方式。即进入无线控制状态后，手持操作器就定时地将采集到的状态发送出来，而不管此时有没有操作人员的操作输入。

2.通信模式选择

无线数传模块一般具备三种接口模式：TTL电平UART接口，可直接与单片机或其它芯片的串口管脚相连;标准的RS-232接口;标准的RS-485接口。其中232接口模式与485接口模式通过跳线进行切换。西门子的S7-200系列PLC具备一个或两个RS-485标准的接口，因此可以采用后两种方式，将PLC直接与无线数传模块的485接口相连;或者利用与PLC相配的PC/PPI电缆将PLC的485接口转换为232接口后，再与无线数传模块的232接口相连。

S7-200系列PLC的通讯端口支持多种通讯协议，此处可以采用的有两种。一种是西门子的PPI主-从协议，利用这种协议主站可以直接对从站，即控制系统中的PLC，发出指令，控制从站的各端口及功能。这种方式PLC的编程简单，不需要对原有从站程序进行修改。但是PPI协议不是一个公开的协议，在文献[4]中提到了一种通过串口侦听PPI协议从而利用主站编程控制从站的方式。另外一种通讯模式是自由口模式，利用自定义的PLC程序控制S7-200 CPU的通讯端口，使用用户自己定义的通讯协议来实现与外界的通讯。这种模式支持ASCII和二进制协议。自由口模式使用简单、灵活，但需要对PLC进行专门的编程。因为无线遥控所需数据量不大，通过比较，选择了自由口通讯模式，以ASCII码的形式在手持操作器和PLC之间传递命令和反馈信息。在PLC内编写了专门的无线控制程序，实现无线控制状态下的数据通信及对机械手的控制。

无线数传模块的功能仅为实现PLC与手持操作器的无线通信功能，对于PLC与手持操作器中CPU而言，通过无线数传模块的无线通信与通过串行端口直接相连的有线通信两种方式，在编程上是没有任何差别的。

单片机与无线数传模块的通信接口则可以选择三种接口模式中的任一种，既可以采用简单的直接相连;为提高稳定性，也可以采用232或485芯片进行电平转换后再与数传模块相连。为保持好的可扩展性，我们选择了RS-232接口标准。

3.手持操作器的设计

手持操作器的功能为通过处理器的数字IO及AD功能检测按钮及摇杆上的操作输入，并将转换后的数字信号进行编码后形成控制指令，通过无线数传模块发出。

XC166系列单片机是英飞凌科技（Infineon）的16 位微控制器产品，其优异的内核结构，的指令集，以及不断扩充新的产品线，使其广泛应用于汽车电子、工业控制和信息技术领域。该系列单片机具有丰富的接口模式，如14通道10位AD变换器，同步/异步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模块，79个IO引脚等，并可与各种设备组成通讯网络。同时，该系列单片机适应于恶劣的工业环境，工作温度可在-40～125°C。[6]针对我们所设计的手持操作器的功能，我们选择了XC166系列中的XC164CS型单片机。这样只需附加少的外围硬件，就可以实现所需的功能，同时，使该遥控器具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。

手持操作器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操作产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操作状态和进行一些功能状态显示;通讯功能，即定时地将采集到的控制指令按规定的格式编码后通过串口以无线的方式发送。

手持操作器由电池供电，XC166系列单片机及无线数传模块可以满足低功耗的要求。

4.数据性

无线遥控操作系统保证的高性和控制的性，避免发生失控和错误控制指令现象，本系统主要通过以下几方面来保证：

无线数传模块的高抗干扰能力和低误码率，前向纠错信道编码技术;

串行通讯协议校验，一般采用奇偶校验;

软件协议校验;通过软件编程，对发送的数据进行校验，可采用CRC校验、交互确认或多次发送对比的方式。在我们的程序中采用同一动作指令重复发送的方式，只有命令指令与确认指令相同，PLC才接受指令，否则忽略此指令。这样就避免了通信所产生的错误指令;

PLC的“软件”;在PLC程序中设置定时程序，当时未收到无线指令时，停止机械手动作，防止由于通讯中断而使机械手失控;

通过以上四个措施，可以有效地保证无线遥控的性，防止产生错误操作指令或机械手失控。

5.结论

通过试验证明，这种采用PLC和无线数传模块的遥控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的工业化产品，性高，，扩展性好，因此本方案具有较高的实用，简化了设计过程。但手持操作器中的单片机模块尚需进一步的工业化设计，以达到高的工业性要求，并实现总线通信、自检验等多功能。

本文作者点：通过设计一种新的架构体系，利用工业化的无线数传模块，将PLC控制与无线遥控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了成本、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求。

1．概述
随着时代的发展和科学技术水平不断的提高，工业工程逐渐走向大规模化、集成化。同时，越来越多的各具功能的工业产品充斥在我们设计人员的周围，如何好的利用这些多如繁星的产品，做到工程的优化，是设计人员一直努力的目标。本文结合实际，谈谈PLC在工程项目中的如何与其他产品巧搭配，使得整个系统经济、、。

2．项目背景
在中海石油炼化公司惠州项目离心鼓风机配套电自控系统中，系统配置如下：就地安置的低压电控柜六套，用来完成各自风机子系统的启停等功能；PLC远地自控机柜一套，选用S7-300系列，采集整个风机系统的温度、流量、油压等模拟量后通过上位机输出显示、报警。风机系统的温度采集点有很多，本项目中每套风机各有3个电机定子温度、2个电机支撑轴承的温度、风机的2个支撑轴承的温度和1个止推轴承的温度，温度点共计48个。若选择西门子8点模拟量输入模块，则共需要6块。（如图1）再加上轴震动度、油管压力、出口风压等模拟量输入，需要选用的PLC的模拟量输入模块的数量太多，成本高、安装难。那么，如何在保证甚至提高系统性能的前提下尽可能的减少扩展模块呢？

3．提出新思路
S7-300系列PLC的部分CPU配备了PROFIBUS DP主站/从站接口，所以我们可以利用PROFIBUS总线传输协议来批量的现场温度信号。PROFIBUS –DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。

我们知道，温度信号可以通过巡检的方式集中采集，所以根据实际情况，我选择陕西工业自动化工程公司研制生产的SS7-16型16路温度巡检仪共3台。但这种型号的温度巡检仪采用Modbus RTU协议（RS485口）进行通信，Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。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。它作为一种通用工业标准，已经广泛应用在不同厂商生产的控制设备所组成的工业网络中，实现集中监控。

两示意图分别是使用模拟量扩展模块和温度巡检仪采集温度信号的示意图，直观的比较两图不难发现，主—从站的结构形式具有以下优势：
1、节省硬件数量与投资。
2、节省安装费用。
3、节省维护开销。
4、用户具有高度的系统集成主动权。
5、提高了系统的准确性与性。
既然这种思路有很大的优势，那么我们就可以抛弃模拟量输入模块，用温度巡检仪取而代之，下面我们对其深入的进行分析。

4．列出两种方案
针对两种设备采用两种协议的情况，下位机需要增加一个设备来完成Modbus RTU协议转POFIBUS协议的工作。虽然改变了选型思路给我们带来了新问题，但工控市场上琳琅满目的产品能帮我们轻松的解决。针对Modbus RTU协议转POFIBUS协议的问题，容易想到两种方案。

方案一：利用CP341通信模块。
CP341模块是S7—3001400系列PLC中的串行通讯模块。该模块具有1个可选的串行通讯口（本项目选为RS485口）CP341模块可以同时与多台串行通讯设备进行通讯，如同时连接多个变频器、巡检仪等。其处理器可以特别方便和简单地进行参数化。如果采用RS422／485 Modbus RTU通讯方式，需要在发送的数据包中包括站号、数据区、读写指令等信息。供CP341模块所连接的从站设备鉴别数据包是发给哪个站的。以及该数据包是对那个数据区进行的读或写的功能。

使用CP341的好处在于这种通信模块与CPU同厂家，兼容性和性好。缺点在于此模块需要另付软件和硬狗的费用，对小型项目来说成本不低。

方案二：利用协议转换器进行协议转换

协议转换器就是网桥，或称工业网关，用于在链路层完成LAN之间或LAN与WAN之间数据包的存储和转发及不同物理接口之间的转换。如果以太网的网络类型不同（比如以太网以及令牌环），因为彼此不识别对方的帧格式传输方法，所以单纯依靠数据链路层协议是无法实现两个网络的相互连接因此这个问题在网络层上进行解决：方法是在不同的网络类型中分别置两个网关，网络与网络之间通过网关相连，因此网关起到协议转换的作用 。

近年来协议转换器产品的品质、性能日趋成熟，也多种多样，功能也十分强大，我们拿瑞典的“Anybus”为例说明如何在项目中使用。

根据本项目的要求，我们可以选择Profibus-DP Serial Gateway系列产品，通过配套的软件可以选择不同类型的串口（RS232/422/485/） Anybus Communicator提供了一种Modbus RTU主站模式。在这种模式下网关轮询一个或多个Modbus从设备并将从设备中的数据映射到网关内部存储区。用户可以选择使用预定义的标准Modbus命令，也可以利用网关的数据处理功能来定义通讯报文，这样网关和现场总线主站之间交换的仅仅是所选择的数据。这种功能很适合将温度巡检仪作为从站，然后利用网关依次对其采集到的数据进行读取。

比较两种方案，前者由于通信模块与CPU同一厂家，系统较为稳定。但由于需要购买软件和加密狗，使得成本偏高；而后者为经济，而且协议转换器体积小巧、使用简便，适合应用在某些特殊的场合。另外，在项目要求宽泛的情况下，我们可以采用与PLC同协议的从站设备，这样省去了协议转换这一程序，让系统加优化。

5．结束语
选择产品、设备的目的是使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。五花八门的硬件、模块就像一块块七巧板，不同的搭配组合会产成不同的效果。所以，当我们在拿到一个项目并开始考虑选择硬件时，可以多换几种思路，并将每一种方案思路落实在图纸上便于加清晰的比较、推敲。科技的进步有目共睹，产品的功能日新月异，在工业设计中已没有一成不变的方法，作为工业控制的一名技术设计人员，我们应该勤动脑、开阔思路，多快好省的解决问题。

目前常用的无料种炉设备为串罐式，如图1所示，用于高炉炉受料、给料以及布料，布料工艺性好，可实现多环或任意点布料。通常采用料流调节阀加布料溜槽的控制方式，来确保矿石、焦碳在炉内的布料。工作过程简述如下：

(1)  受料斗空，挡料阀关，上密封阀关，开始上料。

(2)  料罐空，料流调节阀关，下密封阀关。打开放料阀，料罐压力降至大气压。

(3)  打开上密封阀，打开挡料阀，由受料斗向料罐放料，放空后关闭挡料阀，关闭上密封阀。

(4)  关闭放散阀，打开一次均压阀，料罐充压，关一次均压，开二次均压至料罐压力与高炉压力相等或略高，开下密封阀。

(5)  料线达到设定值，开始布料过程：

● 提料尺，溜槽运动到设定位置，开料流调节阀到设定的γ角并启动给料滚筒，开始布料。

● 料罐空，停滚筒，关闭料流调节阀，关闭下密封阀，放探尺。本次布料结束，在承接(2)步，如此周而复始。

3  控制原理

高炉炉料经矿槽配料工艺后，入到炉上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗的料流调节阀按工艺要求开启到给定的开度（即γ角），炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，布料溜槽也按工艺的要求升到一定的倾动角度（即α角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行着匀速旋转（即β角）。这样炉料就可以均匀地布到高炉料面上了。

从上述控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三个角度，就能把炉料按任意的形式布到炉内。高炉布料模式一般有环型模式、扇型模式、螺旋型模式以及模式等几种。常用的是环型布料模式，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以高炉为圆心的数个圆环，使炉料均匀的布到炉内。在布料控制过程中料流调节阀开度（即γ角的控制）是至关重要的，只有控制好γ角，才能有效地控制好下料流量，进而准确的控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。由炉料流调节阀的实际开度返回值（采用光电编码器转换成实际角度），并接收炉控制系统发出的γ角开度大小和动作指令，经分析处理后转换成4～20ma的电信号控制直流电机。为了使系统既有较快速响应特性，又能达到较理想的准确度，采用pid调节和逻辑控制相结合的方法。

一、自控系统的硬件选择
污水处理主要是顺序逻辑控制，这正是PLC控制的优势所在。在此工程中，PROFIBUS主站选S7-300 PLC，分布式IO选用北京鼎实公司DS300B系列分布式IO。DS300B系列是可扩展模块。PROFIBUS通讯适配器CC-PB-1.0带有标准PROFIBUS-DP接口，开关量、模拟量模块通过冗余的CAN BUS进行扩展，多可以扩展16个模块。各种单的模块之间可进行广泛的组合以用于扩展。人机界面选用昆仑通态，并配北京鼎实公司的PROFIBUS转MODBUS桥接模块，使昆仑通态HMI连接到DP总线上。

二、总体控制要求及功能
污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围；在中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数（水质参数、流量、液位等）、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到中控室。功能如下：
（1）控制操作：
在控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
（2）显示功能：
用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
（3）数据管理：
依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化曝气池的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
（4）报警功能：
当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
（5）打印功能：
可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

三、系统构成及其布局
如果采用常规集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上，由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架，且现场环境恶劣、施工难度非常大。鉴于此，采用了PROFIBUS现场总线技术，根据工艺划分，系统共设了两个主站、两个子站、两个操作员站。主站采用CPU315-2DP，子站采用北京鼎实公司DS300B系列分布式IO远程模块，用于现场数据的采集和控制，并借助PROFIBUS（工业现场总线），方便控制网络系统的建立。其自控系统见附图

控制级主要功能是接收管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，将现场状态输送到管理层。根据本厂工艺流程和总平面布置，结合马达控制MCC的位置和供配电范围，按照控制对象的区域、设备数量，以就近采集和单元控制为划分区域的原则，在曝气池旁中控室设主站PLC。在进水泵房、脱水机房设两座现场子站，主站与现场子站之间采用PROFIBUS-DP现场总线。现场子站采用北京鼎实公司DS300B系列分布式IO，每个DS300B由1个PROFIBUS通讯适配器模块和其它若干数字量、模拟量输入及输出模块组成。
进水泵房现场从站PLC－1监控范围为粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池等，其主要控制对象为粗细格栅间的粗细格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如PH、SS（浊度测量）等参数的在线检测。其I/O配置为：DI＝138、DO＝58、A1＝16 、AO＝4。
脱水机房现场子站PLC－2监控范围为脱水机房、储泥池，其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水机房的进泥泵、输送机、浓缩机、加药系统等设备。其I/O配置为：DI＝48、DO＝16、Al＝8。

曝气池主站PLC监控范围为厌氧池、曝气池、鼓风机房，主要完成对处理工艺参数的监测控制，如对溶解氧、污泥浓度、pH值、ORP值等参数的测控。对曝气设备、搅拌设备、排水设备及剩余泵等进行操作控制，以满足对处理出水水质的要求。其I/O配置为：DI＝184、DO＝60、A1=24。
5、系统软件
计算机操作系统采用Microsoft bbbbbbs 2000 Professional中文版操作系统。历史数据库采用Microsoft SQLServer 2000中文版软件。上位机软件采用Wincc5.1组态软件来实现。
2）MCGS组态软件实现了对整个系统的开关量、状态量、电量、模拟量的采集和处理，并显示在工作站的HMI上；对一些污水处理厂重要的物理量如各个进水泵的电流、频率、出口压力等都实时显示在工作站的主界面上，便于调度员及时掌握系统的运行情况。
3）数据库服务器上安装Microsoft SQL2000中文版数据库软件，用来储存整个污水厂重要的历史数据，通过MCGS与Microsoft SQL 2000的通讯来读取历史数据。单设计一个数据库服务器可以避免因为系统局部故障导致历史数据丢失现象的发生。
4）STEP7可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的6种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）进行编程。

6、结束语
通过应用北京鼎实公司DS300B系列分布式IO方案，在保证工程质量的前提下大大降低了硬件成本。此方案自控系统在该污水处理厂投入使用以来，运行至今系统稳定、。设备具有调试简单、操作方便、使用、、故障率低，污水处理效果好的特点，提高了劳动生产率，同时由于软硬件均采用模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试和维修。

1  引言

集散控制系统(dcs)是应用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理而对现场装置的控制分散的基本控制技术。集散控制系统的重要组成部分是组态软件。传统的工业控制软件重复使用率低开发周期长，很难满足工业自动化的要求。工业自动化组态软件的出现为解决实际工程中的问题提供了一种新的方法，它能够使用户根据自己的控制对象和控制目的任意组态，使自动化工程人员能够面向问题的设计。

控制组态软件要比传统软件作出进，使其不仅仅可以供控制人员进行一些控制的组态构建，还可以给操作人员进行培训，以及进行控制管理人员的培训。只要使其控制组态的模式和现场模式保持一致，就可以达到的目的，而不必在实际的dcs控制室进行试验和调试，这样可以减少投资，并减小和避免工艺投放风险。因此，开发结构合理、、简单实用的系统控制组态软件，具有很好的应用前景。

2  系统结构及其实现

2.1 控制组态概述

控制组态软件作为集成的图形编程语言，是针对dcs系统所开发的全中文界面的控制方案组态工具，它与dcs系统流程图组态软件联合完成对系统的图形组态，是新型dcs系统组态软件的重要组成部分之一，也是算法控制组态的部分。

本设计参考了电工iec61131-3提供的用于控制的4种编程语言标准：梯形图，结构化语言，方框图，指令助记符，采用了简单方便易于用户学习和使用的方框图形式的编程语言，使编程环境加，性化。

本文根据面向对象的设计思想，基于目前控制领域通用的bbbbbbs2000平台，采用visual c++6.0语言实现了程序设计。这样，不仅使人机界面加友好，而且能够好地利用bbbbbbs系统的资源，使组态软件的功能为强大。

系统的结构如图1所示。各部分的功能及实现方法叙述如下。

 图1  系统结构图

2.2 算法显示模块和控制算法组态

该软件向工程人员了一个图形化的控制算法组态平台，工程人员可以根据实际工业过程，选用合适的控制算法，用图形的方式，即选用算法显示模块，组成各种控制回路，然后将组态信息保存到组态文件中。控制算法组态的主界面如图2所示。

图2  控制组态主界面

图2 算法显示模块指的是对具体算法的抽象显示。在图形化组态界面上，每种具体的控制算法对应一种算法显示模块，以方框图的形式显示，用户只需用简单的鼠标操作就能将的算法显示模块添加到的控制回路中，或删除和修改参数，从而完成控制算法的组态。其在控制组态界面中的显示是带有输入输出端子的矩形，图3是一个加法显示模块的外观及显示说明：

图3  算法显示模块图

其中，模块在回路中的编号只有在进行过编译且用户确定后才正确显示，编译前不显示。而模块流水号只是在绘制过程中记录的全局的模块的id号，它由系统自动生成，用户不能修改。

设计控制组态软件的界面时，主要是实现组态用到的算法显示模块、连线和文本注释的绘制和显示。从共性的角度考虑，决定将对算法模块的实现用一个从cbbbbbb类派生的类cfunmod来统一实现和管理，在该类中设定标志变量对具体的算法显示模块类型进行区分，同时标记该模块的输入输出端子数目。连线使用从cbbbbbb类派生的类cbbbbline实现，包含对连线两端所连算法显示模块的标记。而文本注释则由另一个从cbbbbbb类派生的类ctext来实现，为普通注释时，记录字符串类型的注释参数，而与数据库中的点关联时，记录点名。在绘制回路的过程中，它们都是由基于各类的链表来操作和管理的。

为支持对算法显示模块和文本注释的参数配置，需实现属性对话框，这是很容易实现的。这样，通过鼠标双击算法模块，弹出属性对话框，用户填入相应的参数，点击确定保存即可。

2.3 控制算法库

控制算法库是整个系统运行的基石。系统中内置了若干种控制算法。为了保证控制算法的可扩展性和统一性，所有的控制算法实现了一个统一的接口，供算法运行模块调用。

具体来讲，是采用模块化设计的思路，将dcs的控制算法分解成若干个功能立的、能分别设计、编码和调试的算法模块，组成控制算法库。每个算法模块完成的功能既明确又单纯，从而使处理的问题局部化和简单化。算法模块作为控制组态软件结构中的基本元素，实际上就是完成一个特定算法功能的立程序。算法模块的接口简明而又统一，且能彼此隔离和立。从用户角度看来，控制算法库中的各种控制算法都是一样的，而且系统也是采用统一的接口对各种算法进行调用的，用户关心每个控制算法的具体实现细节。另外，用户使用时，只需对控制算法模块的参数进行修改，而修改算法模块的代码。

将各算法编成立的可反复调用的算法模块，对应每一个功能模块都有一个参数列表和输入列表，系统运行时，控制调度程序依据这些信息，顺序依次执行。

设计算法库时，先设计一个算法基类cfunction，其中实现一个虚函数fun，具体算法从该类中派生。在程序中，采用统一调用各算法模块的fun函数的方法实现对控制算法的调用，这样的接口简单明了。

2.4 虚拟信号发生器

信号发生器是一种应用为广泛的仪器，它通常作为标准信号发生器，用于电子电路的性能试验或参数测量。传统的信号发生器价格昂贵、操作复杂、不易开发、维护和升级，而使用基于visual c++编程工具，软件开发的虚拟信号发生器，具有简单、直观、操作方便等特点，而且可以通过调用或修改信号源函数中的不同的功能函数，得到不同的信号，如正弦波、方波、三角波等。

虚拟信号发生器即信号源模块又分为三个子模块，参数设置模块，信号发生模块，波形显示模块。如图4所示。

图4  虚拟信号发生器结构图

信号源数据的内容主要为波形数据、要发生波形的参数；其波形数据的来源主要有信号发生模块；波形数据的终点是信号发生以及发生波形及其参数的显示，以及提供给控制算法进行模拟运行。各子模块间的关系及所对应的数据流图如图5所示。

图5  虚拟信号发生器数据流图

信号源模块能够产生正弦波、三角波、方波等常用的波形，能够对要发生波形的各种参数进行方便灵活的设置，能够对正发生的波形进行实时显示。注意，模拟的信号采集频率与主控卡实际采集频率相同，这样才能保证对主控卡实际运行的模拟等准确。

在此信号源模块中，用户可设定两种模式：自动和手动。自动时，采用系统提供的一些标准输入信号类型。手动时，用户可随时直接设置逻辑和控制变量的值。这是在线系统的运行的必要条件。

在此模块中采用了多线程技术，参考主控卡的采集周期，定时运行信号发生函数改变模拟输入点的值。设置了手动改变数据的按钮，用户在手动模式下改变模拟输入点的数据时，直接调用此按钮的相应函数，执行此改变。

3  模拟运行

先对用户组态的信息进行检查，看是否数据连接类型不匹配，是否回路断开等，同时，对于图形化组态平台来说，如何根据控制回路图的拓扑结构建立起控制组态信息的数据流是很重要的，也就是需对回路中的算法模块执行顺序进行排列，上述内容都是编译过程中的工作。检查确定组态无误后，利用虚拟信号发生器产生的信号，作为控制回路算法模拟运行的输入信号，运行控制算法，实时显示数据，及报警，并输出波形。这是一个可调试的过程，用户观察结果判断对控制算法的组态是否满足要求，若不满足，则可“在线”调整算法功能模块的参数，甚至重新组态，和调试，直到结果满足要求。

在模拟时也采用了多线程技术。开辟工作者线程，进行控制算法的计算。为实现“在线”参数整定，在用户修改参数时，再开辟一个工作者线程，这样能提高程序的运行效率。

本软件平台采用johnson算法来解决循环有向子回路的排序，具体实施过程为：以当前正在进行拓朴结构分析的模块接口作探索出发点，用该接口的连线作为索引，沿该连线数据流方向深入，每深入一步，即将经过的模块接口进行标识，如果某一步达到了原出发点，则形成回路。因为在循环回路中，数据流在某个采用周期内不存在时间序列上的次序，因此需将回路人为断开，并按上述索引的顺序产生反映该循环回路特性的算法模块的执行顺序。需要注意的是，该有向循环回路与不属于该回路的其它部分则存在先后顺序关系，这正是特别处理循环有向回路的原因。

实际运行和数据访问根据控制组态信息通过tcp/ip下载到dcs系统的主控卡，并实际运行，这时组态软件实时的向主控卡询问各点信息(当前值信息和故障信息)，并写入实时数据库。而控制组态软件只是实时的访问实时数据库，从实时数据库点值信息等，再在控制组态的实际运行界面上实时显示，同时，可显示各回路的实际运行波形图。工程人员通过人机界面来监控各个控制回路的运行情况，可以在线进行参数整定。

数据访问模块主要是用来给算法实际运行模块提供一个简单、统一的数据访问接口。它通过ado访问实时数据库，读出算法运行模块需要显示的实时数据，实现实时显示和报警。

设计时，创建流套接字与主控卡建立网络连接，进行通讯，下载控制信息。

4  结束语

控制组态软件为建模人员了一个友好的用户界面，使建模人员在建模时不必对模块内部的控制、逻辑程序有很深的了解就可以方便的对其进行编写和修改，自动或手动改变各逻辑和控制变量的值，参与模拟运行和调试，从而实现了对系统运行的。采用的方式，模拟控制算法的运行和故障的报警，既可缩短工期又可降，还能降低硬件维护、培训和备品备件费用，具有很好的应用前景。