西门子模块6ES7214-2BD23-0XB8供应现货
1引言
DCS分散控制系统(又称集散控制、分布式控制系统)，是在单回路微机控制系统基础上发展起来的，其综合了计算机技术、通讯技术、CRT显示技术和过程控制技术，采用分层分级的结构形式和分散控制、集中操作、分级管理、分而自治的设计原则，解决了过去计算机控制危险集中、常规模拟仪表功能单一、过于分散和人机联系不方便的缺点。DCS的安全可靠性、通用灵活性、优良的控制和综合管理能力，使其在工业控制领域中得以广泛应用。
瓦楞纸板作为目前使用普遍的包装材料，广泛用于电器产品、日常用品等包装。在现代大规模工业自动化水平相对落后和工业、经济建设高速发展的我国，横切机和堆叠机等机组组成连续生产工艺过程。目前国内瓦楞纸板生产化处于相对落后状态。
本监控系统采用以可编程控制器PLC为基础的集散控制系统，将PLC作为现场采集控制站，利用Ethernet和Profitbus进行数据通信，完成了对广东肇庆嘉隆瓦楞纸板生产线的工况显示、生产操作、订单管理和出货管理，终实现了企业管理—控制一体化。
2系统总体结构及通信网络
2．1系统总体结构
嘉隆瓦楞纸板生产线监控系统采用如图1所示的分布式计算机监控系统。它分为3级结构：现场级、控制级和管理级。
级为现场级。由安装在现场的3个PLC子站辅与其它测量控制设备(如编码器、红外测量仪、变频器等)进行各种数据采集、生产线的现场控制。为现场采集控制器完成现场信号的输入输出，根据给定的工作程序进行数据处理、控制输出，并且将处理结果送操作站。PLC站采用德国VIPA公司的产品，包括一个CPU站和两个I／0站，其配备如下：
V200CPU站：主要包括CPU 288L、FM250、SM221和SM222等模块。主要用于粘合机和横切机各种状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和FM250等模块；主要用于过胶机和1号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站2：主要包括SM222、SM232和FM250等模块；主要用于2、3号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
第二级为控制级，配备5台工业PC机。其中包括1台主操作站，1台过胶机操作站和3台瓦楞机操作站。主操作站设置在车间控制室内，其它各操作站设置在生产线的相应部分，完成现场级检测、控制、保护功能的管理。由一台HUB将各操作站组成局域网。各操作站功能独立，又能互为备用。它对级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储，完成所有控制指令的收集和发布，以各种方式(如流程图、趋势图等)表达整个生产线的运行状态。对系统功能的组态、流程图的制作、保护值整定、控制模型修改等工作也是在这一级的操作站上完成的。
第三级为管理级，配备了多台普通PC机、打印机，以及一台数据库服务器。其中PC机作为管理终端设置在相应的管理部门，打印机负责定期打印生产情况报表备档，数据库服务器负责接收、存储从监督控制级送来的各种实时数据、历史数据。各部门的管理人员可以随时通过管理终端机观察生产线的运行状态和定单执行等情况。管理级可接受管理部门管理数据的输入，完成订单管理，出货管理等功能。
2．2通信网络
由于在分散控制系统中广泛采用了多处理机的结构，处理机之间的数据通信变得极其重要。
现场总线技术作为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向。Profitbus是唯一的全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)现场总线解决方案，是一种不依赖于厂家的开发式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工、过程和建筑自动化领域。在该监控系统中，现场级3个PLC站之间利用Profitbus进行数据通信，实现了纸板生产线状态数据的采集和控制信号的传递。
Ethernet以太网初是由Xeroex在20世纪70年代开发的—种连网传输方法，后来由Xeroex、数字设备公司(DEC)和Inbbb改进。这种灵活的技术可以运行在各种网络介质上，并在合理的开销下提供很好的容量。到目前为止，以太网是用于局域网的流行的逻辑拓扑结构。在该监控系统中，控制级操作站之间和管理级终端机之间采用Ethernet进行数据通信。实现了各操作站间的相互冗余备用以及管理数据的存取。
DCS各级之间的通信一直以来是工程技术人员关注的技术热点之一。该系统采用VIPA公司PC-CPU 288L自带的Ethernet端口很好的解决了现场级到控制级之间的通信问题。实现了现场实时数据向上输送和控制级信号的向下传递。由于控制级和管理级采用Ethernet，它们之间直接用集线器(HUB)相连，进行相互通信。
该监控系统中，将以太网(Ethernet)与现场总线相结合实现了PLC站之间、操作站之间、管理终端之间以及现场级、控制级、管理级之间的数据通信。
3软件设计
系统软件采用CONTROL LAB软件包，其层次结构如图2。
现场级V200 CPU站采用了快速可预测实时内核，其周期性工作的时间稳定性(Jitter-Time)可达2微秒(300MHZ CPU)。PLC和硬件模块及现场总线的数据交换均在实时任务中进行，保证了这类数据交换在操作系统中的延时不超过几个微秒。控制任务作为实时任务执行，其短工作周期可达0．01毫秒。
PLC监控程序采用图形化组态工具ControlChart编制，该工具是一种基于IEC1131-3流程图形语言的开发式控制软件，符合工业标准。工程师在控制级操作站上即可利用现成模块进行自由组合、在线观察和调试，极大地缩短了控制系统的调试时间。瓦楞纸板流水线的控制任务主要进行线上各机组运行速度协调。速度调节中粘合机作为主机，过胶机、修边机、横切机和堆叠机与主机同步运行。该监控系统速度控制流程图如图3所示。
ZJL、DJL、DDCL和SJCL分别对应纸浆量(瓦楞机)、堆积量、订单产量和实际产量，根据以上量的测量数值对粘合机和瓦楞机速度进行相应的调节。
在控制级和管理级软件基于bbbbbbS NT平台，采用易学易用的Visual Basic6．0进行编程，其中采用ActiveX、OPC、TCP／IP等国际通用技术和标准，用户可以极方便的与其他软件系统进行自由通讯和进行功能扩展。控制级操作站检测画面主要有总操作图、瓦楞机监测图、粘合机检测图、过胶机监测图、修边机监测图和横切机监测图。管理级终端包括订单管理画面和出货管理画面等。
4系统功能
在软硬件基础上实现的瓦楞纸板生产线监控系统功能如图3所示。监控系统功能分为监控和管理功能。监控主要是工况显示和生产操作，管理主要是订单管理和出货管理。
4．1工况显示
在控制级的操作站以及管理级的终端机中显示现场采集来的生产线状态数据，主要包括：生产中的纸板品种，尺寸规格；现时各机组生产速度、电机电流；瓦楞机原纸堆积量；粘合机出纸量、各段温度；现时的实切张数，订单的总张数，还欠实际张数；成品，不良产品的数量(不良品人工输入)原纸剩余长度等。显示方式包括数字、柱状图和趋势图等。在此基础上进行速度、电流、温度、堆积量等过限报警。
4．2生产操作
4．2生产操作
根据现场采集的信号，监控软件可以自动对生产线进行相应的控制，主要有：
(1)正常情况下，以粘合机作为主机进行全线单一速度的控制，其它机组能根据自身的工艺要求适应性的同步加速或同步减速。
(2)自动侦测瓦楞机纸板堆积量并能自动调节相应机组的生产速度，当堆积量超过上限时，自动增大粘合机以及其它相关机组的速度。在紧急情况下，可以对生产线进行紧急减速。
(3)根据管理人员输入的产品规格，在订单执行初期自动调节修边机、横切截的刀线，并能够在生产过程中自动调整。
(4)由订单的总张数和尺寸，自动运算出所需生产的总米数，各主要机台便能因自身的实际机组距离，生产出相应长度的楞纸。
监控软件设置了自动和手动两种控制方式，工作人员可以在手动方式下根据情况对生产线进行相应的控制。
4．3订单管理
订单管理是在生产操作功能的基础上实现，其主要功能有：
(1)管理人员可以在办公室终端机输入当日之订单，包括接单日期，订单号，客户类别，纸质，纸宽，交货日期等数据。根据纸质，纸宽打印各月份接单统计表。
(2)根据订单所要求的纸质，交货日期以及生产线状态，监控程序可以自动执行新订单。工作人员也可以根据情况，手动让系统执行新订单。
(3)实时记录订单的完成情况，根据订单完成情况，定期打印订单生产情况报表。
在数据库服务器中设置了用户权限，可保证定单数据的安全。
4．4出货管理
出货管理主要将已安排生产的订单以挑选方式排出作为出货定单。管理人员输入出货单之运费价格、车号、装车时间、装货规格品种、数量等，并列出当日或当日货运明细表。包括退货单的输入、更正和删除等。
5结束语
嘉隆瓦楞纸板生产线DCS采用3级结构，采用Ethernet与现场总线相结合的方式进行数据通信，大量采用冗余技术，实践表明，该系统开放性和容错能力高，系统重新定义容易，可扩展性和可维护性好。采用以实时内核为基础的系统软件，进行系统的功能定义和采集控制算法程序的编写，系统的稳定性相对较好。
1．s7-pdiag软件简单介绍
诊断消息用于指示操作人员系统当前的运行状态和故障的位置及原因。通常情况下取中的一个位信号作为触发信号，在中设置相应的报警文本，当信号为1时，表示有故障，弹出设置的报警文本，当信号为0时，故障消除，报警文本显示故障消除并归档，这样的报警消息由hmi扫描plc中故障位的状态，占用大量的通信负荷，同样通过符号表产生的消息同样由cpu扫描消息触发位信号，如图1所示，消息的类型为“scan”，扫描的间隔可以设定。
图1 由符号表产生的消息
采用与程序块调用等相关的报警消息由plc触发（例如调用sfb34、35或sfc17、18、107、108等发送消息，s7-400cpu支持sfb的调用）只有当故障触发时才发送报警消息，由于plc与hmi集成在一个项目下，plc中定义文本消息存储于hmi中，故障触发时只发送位状态而不发送整个文本消息，减少通信负荷，消息的类型为“alarm_x”(x:为s、8、8p等不同的子类型)，如图2所示：
图2 块调用产生的消息
s7-pdiag软件通过内部调用系统函数sfc17、18、107、108完成消息的传送（sfc107、108替代sfc17、18,与之相比带有通信资源管理功能）。
2．s7-pdiag软件诊断功能的种类
s7-pdiag包含三种诊断功能，分别是地址监控（address monitoring）、全局监控（bbbbbbmonitoring或general monitoring）和运动监控（motionmonitoring），下面分别介绍这三种诊断功能。
2.1 地址监控
地址监控功能监控一个位信号的状态变化，可以设定一个沿信号和电平信号，设置界面如图3所示：
图3 地址监控功能设置界面
在“initial diagnosticaddress”设置监控的地址，如m1.1,选择监控的信号，如沿信号和电平信号，如果激活“delay”功能，则需要设定相应的延迟时间，表示如果监控信号变化，将延迟设定的时间后触发，s7-pdiag在程序内部调用sfc64，时间格式为iec标准，例如t#1h19m12s100ms表示的时间值为1小时19分12秒100毫秒，配置的延时定时器的个数没有限制。在“meassage”栏中设定信号触发的消息和优先级，配置完成后点击“ok”键确认。
2.2 全局监控
全局地址监控功能监控一个表达式，如果表达式结果为1则触发消息，设置界面如图4所示：
图4 全局监控功能设置界面
在“initial diagnostic address”设置监控的初始地址，如m1.1,在“monitoringdefinition”中定义事件触发的条件，触发条件必须使用s7-pdiag语言编写，s7-pdiag语言包含下列基本指令：
and 与操作，例如表达式为 m1.1 and m1.2，如果m1.1与m1.2为1，表达式结果为1；
ondt 执行信号on延时，例如表达式为ondt（m1.1,t#2s），如果m1.1为1并延时2秒后表达式结果为1；
en存入下降沿结果，例如表达式为en（m1.1），m1.1产生下降沿时表达式结果为1，m1.1为1时，表达式结果为0；
ep存入上升沿结果，与en；
not 取反，例如表达式为not m1.1, 如果m1.1为0时表达式结果为1；
or 或操作，例如表达式为 m1.1 or m1.2，如果m1.1与m1.2其中一个为1，表达式结果为1；
srt置位复位延时，例如表达式为srt(m1.1,m1.2t#2s),如果m1.1为1（沿信号）2秒后，表达式结果为1，如果如果m1.1为1，表达式结果为0，2秒后表达式结果为1，如果m1.2为1（沿信号），表达式结果为0。
xor异或，例如表达式为m1.1 xor m1.2，当m1.1与m1.2不相表达式结果为1。
如果在一个表达式中使用多个指令，指令的优先级参考表1
表1： s7-pdiag 指令优先级
在“meassage”栏中设定信号触发的消息和优先级，配置完成后点击“ok”键确认。
2.3 运动监控
运动监控对用户编写的定位过程进行监控，运动监控有下列几种监控方式：
1）执行监控（bbbbbb monitoring）
当启动命令执行后，在设定的时间内没有到达定位的位置（限位信号），触发消息的生成。执行监控的设置界面如图5所示：
图5 运动监控－执行监控功能设置界面
执行监控界面中使用s7-diag语言预先设定触发条件并不可以修改，如图5中，如果m1.2为1（执行），20秒后m1.1（限位开关）没有到达，触发报警消息。
2）启动监控（startup monitoring）
如果启动命令发出后，在设定的时间内没有动作，则触发消息，这与用户生成的启动失败的报警过程相同，启动监控的设置界面如图6所示：
图6 运动监控－启动监控功能设置界面
启动监控界面中使用s7-diag语言预先设定触发条件并不可以修改，如图6中，如果m1.2为1（执行），1秒后m1.1（限位开关）为1（物体没有移动），触发报警消息。
3）定位监控（rebbbbbb monitoring）
当定位任务完成后并没有达到要求的位置，在设定的时间延时后触发报警消息，满足定位范围需要附加的限位开关，定位监控的设置界面如图7所示：
图7 运动监控－定位监控功能设置界面
定位监控界面中使用s7-diag语言预先设定触发条件并不可以修改，如图7中，如果m1.2为1（定位完成），m1.1（限位开关）不为1（辅助限位开关），1秒后触发报警消息。
4）连锁监控（interlock monitoring）
检测控制命令触发后连锁条件是否满足，连锁监控的设置界面如图8所示：
图8 运动监控－连锁监控功能设置界面
连锁监控界面中使用s7-diag语言预先设定触发条件并不可以修改，如图8中，如果m1.2为1（命令触发）1秒后，m1.1（连锁条件）不满足（为0），触发报警消息。
注意：
运动监控只适合用户编写的简单位置控制，所有监视通过行程开关、接近开关等来实现，西门子所有定位模块都包含上述故障监控，不需要使用s7-diag软件实现。
3．替代功能
使用替代功能可以在消息文本中插入故障触发时某一个过程值或在编译时生成替代文本。
3.1 插入过程值
在消息文本中可以插入一个故障触发时的过程值，如图8所示，在“record associatedvalue”定义一个过程值，如md12，在文本中使用@1x%显示格式@替代md12，显示格式可以参考s7_daig手册，例如6d表示以十进制显示，数值大为6位，u表示无符号十进制数，没有位数限制。例如输入的消息文本为“bbbbbbfailure,pressure value = @1x%6d@”，如果md12为123，在hmi显示的文本为“bbbbbbfailure,pressure value =123”。
3.2 文本替代值
如果监控一个fb块的形参，这个fb块又在其它的fb块中作为形参多次调用，这样在初始的fb块定义的消息文本只能作为一个模板，无法表示其它多次嵌套调用该fb而生成的消息文本，在消息文本模板中使用$$替代符号$$，例如“u2”表示在编译时使用作为形参的fb名称替代u,2表示fb被调用2次（两个单元），详细替代符号参考s7_daig手册。
4．配置一个消息
下面以例子的方式介绍消息的生成。
1）在lad/stl/fbd程序编辑器，点击需要监控的地址，按鼠标右键，选择“special bbbbbbproperties”->;“monitoring”进入消息配置界面，如图9所示：
图9 监控设置界面
在“template”中选择监控的类型，点击“new”键进入消息配置界面（参考图3～图8），按照模板提供的选择配置消息，配置完成后点击“ok”键确认。按上述的方法配置所需的消息。
2）选择block文件夹，点击“options”->; “configure processdiagnostics”命令进入过程诊断配置界面如图10所示：
图10 过程诊断配置界面
点击菜单“options”->;“customize”设置编译选项，如图11所示：
图11 过程诊断编译设定界面
选择“using auxiliarynetworks”配置附加程序段选项后，如触发故障，可以在hmi中显示引起故障的程序和原因，如果故障原因带有m和q将会被输入替代，参考如下程序：
a m1.1
a i1.1
= m1.2 //监控点
a i1.2
= m1.1
如果m1.2为1触发报警消息，在hmi显示故障程序为：
a i1.2
a i1.1
= m1.2
如果没有选择该选项，则在hmi显示故障程序为：
a m1.1
a i1.1
= m1.2
在“default settings”栏中设定故障检测和初始状态检测需要调用的功能块和相应的报警数据块，如图12所示：
图12 缺省设置界面
设置完成后点击确认键推出。
3）点击“options”->;“ exclusion addresses”或terminationaddresses配置排除地址（exclusion addresses）和终止地址（terminationaddresses）。
排除地址和终止地址都是作用于附加程序段（auxiliarynetworks）的，如果在排除地址设置中选择某个地址，例如i1.1,如果故障触发时，在hmi显示故障程序中将不在显示i1.1。
选择生成附加程序段后，所有的故障程序在hmi中将直接显示输入地址，如果在某段程序中不需要显示附加程序段，则可以使用终止地址，例如选择m1.1，当m1.1为1时，故障触发，在hmi显示的故障程序为。
a m1.1
a i1.1
= m1.2
4）编译过程诊断，选择菜单命令“process diagnostics”->;“compilecomplebbby”，生成相应的诊断程序。
5）在ob1中调用fb44(按照缺省设置)，fb44内部自动调用fb45，fb44的调用示例如下：
call fb 44 , db44
pdiagzyklus:=#ob1_scan_1 //ob1的开始信息。
5．显示一个消息
在相同的项目中插入simatic op站双击该站，打开protool项目。选择面板类型后，点击“ok”键完成项目的创建，在protool中的“controllers”中建立面板和plc的通讯连接。
点击菜单命令“system”->;“proagent”将配置的诊断信息添加到hmi系统中，如图13所示：（在protool中需要安装proagent软件，否则在菜单“system”下没有“proagent”项。proagent软件可在protool/pro 欧洲版的cd中 找到）
图13 hmi proagent设置界面
配置完成后点击“ok”键确认。
在画面中加入消息显示窗口，如果触发故障事件，用户配置的消息文本将显示在消息窗口中。
如果需要可以插入“detail view”窗口，在该窗口中可以显示故障的触发时间（故障程序）；“unitview”显示s7-pdiag提供的udt_unit和 udt_s_unit信息；“motionview”显示s7-pdiag提供的udt _motion的信息，udt的数据格式不能修改，画面的功能这里不再详细介绍。