银川西门子授权代理商变频器供应商

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 FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了的一步，而目前，新型的DCS与新型的PLC都有向对方靠拢的趋势，新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。
一、区别要点
    1、DCS
    DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
    通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。
    （1）系统能处理多少I/O信息。
    （2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。
    （3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。
    （4）传输数据的完整性是怎样检查的。
    （5）数据公路的大允许长度是多少。
    （6）数据公路能支持多少支路。
    （7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。
    为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。
    为了保证系统的性。使用了复杂的通信规约和检错技术，所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解的和发送的数据一样。
    目前在DCS系统中，一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。
    2、FCS
    FCS的关键要点有以下三点。
    （1）FCS系统的是总线协议，即总线标准。
    一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定，就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通信传输为基本依据。但是由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。
    为了使现场总线的满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，原IEC标准，现场总线通信协议模拟的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需要的操作步骤
    实际情况是否如上述一致，回答是否定的。目前通过的现场总线标准含8种类型，而原IEC标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是平等的。其它7种类型总线，不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。他们能够形成系统，形成产品。而原IEC现场总线标准，是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。要实现这些总线的相互兼容和互操作，就目前状态而言，几乎是不可能的。
    通过上述，我们是否可以得出这样一种映象：开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性，换句话说，不论什么厂家的产品，也不一定是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。
    （2）FCS系统的基础是数字智能现场装置。
    数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通信规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线的控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。
    （3）FCS系统的本质是信息处理现场化。
    对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的，实际上，采用现场总线后，可以从现场得到多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。
    减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此。网络设计时应将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。
    减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做为选择。如果所选择系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。
    现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在。选用哪一个现场仪表上的功能，是系统组态要解决的问题。
    考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出多的那台仪表上的功能块。
二、典型系统比较
    通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可以实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。典型的现场总线系统框图如图1.从图1(a)中可以看出，传统的过程控制系统中，每个现场装置到控制室都需使用一对的双绞线，以传送4-20mA信号，图(b)所示现场总线系统中，每个现场装置到接线盒双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到控制室仅用一根双绞线完成数字通信。
    通过采用现场总线控制系统，到底能节省多少电缆，编者尚未做此计算。但是，我们可以采用DCS系统的电厂中与自动控制系统有关的所用电缆公里数看出，电缆在基建投资中所占份额。
    1、某电厂，2×300MW燃煤机组
    热力系统为单元制。每台机组设置一座集中控制楼，采用机、炉、电单元集中控制方式。单元控制室的标高为12.6m，与运行层标高一致。DCS采用WDPF-Ⅱ，每台机组设计的I/O点为4500点。
    电缆敷设采用俄EC元件，8个人用1.5个月时间完成敷设的设计任务。
    主厂房内每台300MW机组自动化的电缆根数为4038根。
    主厂房内每台300MW机组自动化电缆长度为350公里。
    以上电缆的根数及长度均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各辅助生产车间的电缆。
    电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约95t。
    其他电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台300MW机组约为55t。
    附件随桥架提供(如螺栓，螺母)。
    2、某电厂，4×325MW燃油燃气电站
    热力系统为单元制。DCS采用bbbEPERM--XP。每台机组设计I/O点为5804点。
    电缆敷设采用EC软件，12个人用2.5个月时间完成电缆敷设的设计任务。
    主厂房内每台325MW机组自动化的电缆根数为4413根。
    主厂房内每台325MW机组自动化装业的电缆长度为360km。
    每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其质量约为250t。
    3、电站的电缆可以分为六大类：
    高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其他电缆。若两台300MW机组同时做电缆敷设，自动化电缆的数量大约有8500根左右。其中热控电缆和弱电电缆将大于500根，及约占60%左右（以根数计量）。
三、设计、投资及使用
    上述的比较偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。
    比较的前提是DCS系统与典型的，理想的FCS系统进行比较。为什么要做如此的设？作为DCS系统发展到今天，开发初期提出的技术要求已满足并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不存在典型、理想的说法。而作为FCS系统，20世纪90年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求：兼容开放、双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前还不理想，有待完善。这种状态与现场总线标准的不能说没。过去的十多年，各总线组织都忙于标准，开发产品，多的市场，目的就是要挤身标准，合法的多的市场，现在有关标准的争战已告一段落，各大公司组织都已意识到，要真正市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测，不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必将成为世界现场总线技术的主流。
    具体比较：
    （1）DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路是系统的关键，所以，整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。
    （2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同的各种设备连入现场总线，达到的系统集成。
    （3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，有D/A与A/D转换。而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。
    （4）FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒2--5次，提高到FCS的每秒10--20次，从而改善调节性能。
    （5）DCS系统可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致病弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器，执行器等） 进行远方诊断、维护和组态。FCS系统采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS系统采用双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器，执行机构等）进行诊断、维护和组态。FCS系统的这点优越性是DCS系统无法比拟的。
    （6）FCS系统由于信息处理现场化，与DCS系统相比，可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜。同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积，有认为可以省去60%。
    （7）与（6）同样理由，FCS系统可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也省去了设计、安装和维护费用，有认为可以省去66%。

六面压机的对控制装置的要求 

六面压机为人造金刚石合成的关键性设备，它具有多规范、自动化程度较高的特点，过去采用继电器-接触器方式进行控制，其逻辑关系繁琐，所用继电器数量较多（四十多个），因而鼓胀率较高，常由于继电器动作失灵导致压块撞碎，甚至损坏锤，增加了原辅材料消耗，影响到设备正常运行。另外，六面压机对六只压缸的定位精度及同步性能也有一定的要求，过去的继电器-接触器控制方式存在着响应速度慢、动作迟缓、衔铁粘滞、接触不良等现象、使得六缸定位及同步性能变差，增加了硬质和金锤损坏的机会。所以，六面压机对控制装置提出了这样的要求：

1、性要高

2、六缸定位及同步控制性要好

针对以上二个基本要求，结合六面压机的工艺特点，我们利用PLC控制压机使之按以下的程序工作（如右图所示）：

PLC机型选择 

PLC机型选择的着眼点不外乎有这样几个方面：1、确定控制规模，即I/O点数；2、价格；3、售后服务是否，我们经过充分调研，以及考虑日后维修上的便利后，终确定选用中外合资无锡华光电子有限公司生产的SR-21PLC,这是一种性能价格比较高的小型PLC，大I/O点数达168点，大容量达1.7K~3.7K指令字，模块化结构，配置灵活，有多种I/O模块和特殊功能模块。该PLC指令丰富，有数据处理功能，能和上位机连接，组成工业局部网。与之相配套的外围设备也基本上能满足用户要求，有打印机接口、EPROM写入器，可接磁带录音机。

控制装置的配置

根据压机工艺特点和对控制装置的基本要求以及整个装置的成本所确立的配置原则，我们决定采用I/O点数80点这一规模的PLC,为了便于今后操作使用，还配置了编程器及打印机接口单元。

电路设计

我们将122~127六个定义号接上接近开关输入信号，分别作为右、前、上三缸活塞空程前进时是否越位以及充液时六缸（此时包括左、右、下三缸活塞）是否同时运行（即同步动作）的监测，其余的I/O接按钮，行程开关，外设时间继电器、接触器、220V交流电磁阀、指示灯等电气元件。在实际安装过程中，为了防止电磁干扰，所有输入线与强电导线严格分开；接近开关输入信号线用双绞线；PLC电源侧加装隔离变压器；所有电磁阀及接触器线圈两端并接R-C吸收器。由于考虑到成本及PLC对来自电源干扰抑制器。

软件设计及数据处理功能的应用

1、 软件设计：

为了叙述方便和节省篇幅起见，我们这里仅列出自动工程流程图。

分段工作程序与自动工作程序基本相同，只是在保压结束后不会立即自动卸压，需操作者掀压增压器卸压（即分段卸压）按钮后才卸压，然后直至程序结束。调整程序主要用于手动调整六缸活塞的位置。

2、 数据处理功能的应用

由于篇幅，我们这里仅举例说明SR-21数据处理指令在六缸同步监测及调整时防止多个按钮同时操作的用法，下面逐一说明。

（1） 监测程序模块

左图为监测程序模块的框图，框图中的延时是根据具体设备中六缸活塞运动响应快慢来设定的，时间短要求六缸活塞在充液时基本上要求同时开始运动，时间长则允许六缸活塞在充液瞬间是不会同时开始运动的，由于液压系统的调整、高压油路的长短，活塞的摩擦阻力，流量的大小等因素均可能影响到每只缸活塞响应速度的快慢，总会有少数缸的活塞运动出现滞缓运动的现象，当这种现象比较严重时，就可能会产生六缸压时六只锤不在线上的现象，从而导致故障发生。同步监测的目的就在于：当滞缓现象较严重时，能发出不同步报警信号，同时停止六缸活塞运动，让操作者及时做出相应的处理。

（2） 同步监测梯形图

梯形图如图所示，它是上面程序框图的具体应用。值得提出的事，梯形图中用772、773、774标志继电器作为compare（比较）的结果，当六缸活塞同步时，与常数63（BCD数）比较结果相等，标志继电器773建立，否则772获774间里，不同步报警。

（3） 调整防误操程序框图

这部分框图见下图。需要说明的事，这仅为上、前、右、下四缸活塞手动调整时的程序，其它一些调整动作属不同组，原理相似。这种防误操程序能有效的防止操作者在按某个按钮，也有防止其它组的按钮误按而造成设备故障。

    （4）防误操作梯形图

结束语   

实践证明，PLC在六面压机改造中的应用是的，所采用的数据处理功能使设计的监测及防误操作程序达到了预期的要求，PLC能在工况较恶劣的环境中使用，而不多考虑电压波动、电磁干扰，环境温度和湿度对它的影响，整个控制装置能稳定的运行。

随着ＰＬＣ的推广普及，ＰＬＣ产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的ＰＬＣ产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。ＰＬＣ的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择ＰＬＣ，对于提高ＰＬＣ在控制系统中的应用起着重要作用。

１　机型的选择

ＰＬＣ机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比的优化机型。

在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则选用模块式结构的ＰＬＣ。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机。其中机主要用于大规模过程控制、全ＰＬＣ的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了ＰＬＣ的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的ＰＬＣ模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台ＰＬＣ联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

２　输入／输出的选择

ＰＬＣ是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过Ｉ／Ｏ接口模块来实现的。

通过Ｉ／Ｏ接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过Ｉ／Ｏ接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。ＰＬＣ从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，ＰＬＣ都有许多Ｉ／Ｏ接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

２．１ 确定Ｉ／Ｏ点数

根据控制系统的要求确定所需要的Ｉ／Ｏ点数时?应再增加１０％～２０％的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，Ｉ／Ｏ点数也应有所不同。

表２列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的Ｉ／Ｏ点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

２．２ 开关量输入／输出

通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入／输出信号为２４～２４０Ｖ，直流输入／输出信号为５～２４０Ｖ。

尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。

在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

２．３ 模拟量输入／输出

模拟量输入／输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为－１０～＋１０Ｖ、０～＋１０Ｖ、４～２０ｍＡ或１０～５０ｍＡ。

一些制造厂家在ＰＬＣ上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号?如ＲＴＤ、热电偶等?。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或ＲＴＤ混号。

２．４ 特殊功能输人／输出

在选择一台ＰＬＣ时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准Ｉ／Ｏ实现的Ｉ／Ｏ限定?如定位、快速输入、频率等?。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使ＣＰＵ从耗时的任务处理中解脱出来。

２．５ 智能式输入／输出

当前，ＰＬＣ的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入ＣＰＵ或直接输出，这样可提高ＰＬＣ的处理速度并节省存储器的容量。

智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的ＰＩＤ调节器、ＡＳＣＩＩ／ＢＡＳＩＣ处理器、ＲＳ—２３２Ｃ／４２２接口模块等。表３归纳了选择Ｉ／Ｏ模块的一般规则。

表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则

３　ＰＬＣ存储器类型及容量选择

ＰＬＣ系统所用的存储器基本上由ＰＲＯＭ、Ｅ-ＰＲＯＭ及ＰＡＭ三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力６ｋＢ，中型机的大存储能力可达６４ｋＢ，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

ＰＬＣ的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表４的公式来估算。为了使用方便，一般应留有２５％～３０％的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表４同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法

４　软件选择

在系统的实现过程中，ＰＬＣ的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择ＰＬＣ产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

５　支撑技术条件的考虑

选用ＰＬＣ时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：

（１）编程手段

●便携式简易编程器主要用于小型ＰＬＣ，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器。

●ＣＲＴ编程器适用于大中型ＰＬＣ，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本。

●由于ＩＢＭ—ＰＣ已得到普及推广，ＩＢＭ—ＰＣ及其兼容机编程软件包是ＰＬＣ很好的编程工具。目前，ＰＬＣ厂商都在致力于开发适用自己机型的ＩＢＭ—ＰＣ及其兼容机编程软件包，并获得了成功。

（２）进行程序文本处理

●简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑；

●程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用。

●图形和文本的处理。

（３）程序储存方式

对于技术资料和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或ＥＥＰＲＯＭ存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。

（４）通信软件包

对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用ＰＬＣ的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。

６　ＰＬＣ的环境适应性

由于ＰＬＣ通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下地工作。尽管如此，每种ＰＬＣ都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。

一般ＰＬＣ及其外部电路（包括Ｉ／Ｏ模块、辅助电源等）都能在表５所列的环境条件下工作。

一、系统综述

    整个系统由控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。底盘测功机模拟汽车的工况，然后尾气取样系统对样气进行的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，控制单元实现对整个系统的自动控制。其中控制单元采用嵌入式系统作为控制单元，系统操作站为运行bbbbbbs CE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。同时工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。

    精简的bbbbbbs CE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，可以满足设备现场运行的需要。

打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：

mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）

    式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33 KPa时的密度；dco=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci —稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。

（二）控制系统的工作过程

    工控机通过CVS系统和分析单元的传感器测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。同时，触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。另外，配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。

二、系统硬件组成

    为了确保系统的准确性和性，本文选用了工控领域中稳定的bbbbbbs CE嵌入式操作系统作为工控机的控制。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。

（一）工控机

    作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbs CE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbs CE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。

    组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。

    硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：

    液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。

    触摸屏对外接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。

    采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、，而且触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。

（二）PLC

    本文选用SIMATIC S7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。

    PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。

（三）传感器与数据采集模块

    系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的流量计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：

    标准长径喷嘴流量计：BYW-S-80，4 m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定流量测量；

    数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴流量计压力测量，输出信号4 mA～20mA DC，24V；

    电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴流量计、后端压力差测量，输出信号4-20mA DC，24V；

    防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴流量计后端温度测量，输出信号4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；

    压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4 mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。

    数据采集模块：研华16通道A／D PCL-818数据采集卡。

（四）通讯模块

    系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。

三、系统软件设计

    本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器的测量数据判断目前的工作状态，然后将控制指令发送给各单元的PLC，同时生成交互式的人机对话界面。

（一）PLC编程

1．控制流程描述

    分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC控制CVS单元排气过程，将气囊中的废空；然后控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。

2．控制程序

    整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：

LD  SM0.1    ／／初始化，调用子程序0

CALL  SBR_0

S    M2.0，4  ／／设置程序执行标志位

LD    M0.1  ／／启用等待程序

A    M2.0  ／／M2．0设为1

LPS

LD    M8.1  ／／有复位请求

ALD

CALL  SBR_I／／调用子程序1

／／SBR_0：

LD    SM0.0

…．．    ／／初始化泵阀状态

CRET

，，SBR_I：

LD    SM0.0

LD    M3.0

…．．    ／／控制CVS工作流程

CRET

（二）触摸屏控制程序设计

    系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。

四、结束语

    整个系统满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地提高了我国汽车生产厂家生产管理水平