西门子6GK7243-1GX00-0XE0使用方式
1.引言
沥青混凝土搅拌设备是筑路行业重要配套施工设备,该设备工艺复杂,体积庞大,无论从对生产企业技术人员的技能培训讲还是从施工单位对设备的认知方面考虑,单纯的幻灯演示和文字说明已经不能满足需求,沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统就是在这样的背景下产生的.不同的沥青混凝土搅拌设备生产企业由于产品开发理念的不同对模拟演示系统的设计要求也会有所区别,所要实现的主要功能还是一样的,建立模拟演示系统所依赖的自动化技术和产品还是相通的.目前用来实现模拟演示系统的自动化产品主要有可编程控制器,触摸屏(HMI),电脑和相关配套编程与组态软件.基于VIPA500SPLC的沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统所依赖的PLC实现了和电脑的一体化,使整个硬件系统更集成,这种集成化设计是模拟演示系统的次尝试,也是VIPA500S PLC在推出市场后的应用.
2系统工作原理与硬件组成
2.1 系统工作原理
模拟演示系统是在不通过其它低压电器搭建控制电路的前提下,主要由电脑、HMI、PLC三部分通过MPI、串口、以太网通讯协议互相联通,交换数据来实现模拟演示工业生产现场操作.
2.2 硬件组成
根据目前沥青混凝土搅拌设备行业控制系统组成现状,模拟演示系统硬件组成基本可由下图表达,新功能的扩展只要在总线上挂接就可以了.该图是以北京德基沥青搅拌设备控制系统为蓝本做出的模拟演示系统硬件组成图.
2.2.1 电脑系统
包括电脑主机,显示器,打印机.其中电脑主机可采用商业机,也可为工业控制计算机.鉴于工控机具有较强的防护等级,如较高的抗震,抗干扰等功能,工业现场多采用.因为模拟演示系统系统是在实验室放置,也可考虑商用品牌机.根据模拟演示系统资源占用实际情况,电脑核心配置如CPU等一般与市场主流配置接轨,其中留有较大扩展空间,如引入视频控制,远程监控等功能,这些功能的加入对CPU和内存都有较高的要求.
显示器按工业现场实际需要配置,目前流行单显和双显两种模式.多显示器模式在沥青搅拌设备行业还不多件.双显配置直观,简洁,该配置模式在行业应用广泛,本文所述模拟演示系统即采用双显模式.
2.2.2 人机界面(HMI)系统
HMI初是作为替代传统按钮,指示灯而使用的,到现在已经扩展了打印,报警,报表等功能.其在工业自动化控制中正在起着的作用.在沥青混凝土搅拌设备控制系统中,HMI更多的是作为冗语控制系统.也就是HMI系统相对独立,它是电脑控制系统的备用系统.根据沥青搅拌工艺控制要求的不同,HMI选型标准也不一样,行业控制需求不外乎生产操作,状态显示,数据设定等.随着沥青搅拌设备控制系统的智能化和人性化发展,视频和数据处理功能也开始应用到现场控制中.
2.2.3 可编程控制器(PLC)
模拟演示系统使用的PLC和工业现场设备中应用的PLC有所不同,主要是从控制功能考虑选型.本文所述模拟演示系统选用的是德国VIPA500S PLC. 确切的讲VIPA 500是一种新型的板卡式的CPU,它需要插接在电脑主板上,通过DP/MPI通讯协议和外挂通讯模块如DP353连接,实现整机组态.因为模拟演示系统不需要实现对外部设备的实际控制,我们只选用VIPA500 CPU,而不外挂任何其它模块.这种设计模式大大简化了模拟演示系统外部硬件电路.
2.2.4 其它
短信模块和视频模块是作为新的事物引入到沥青混凝土搅拌设备控制系统的.短信模块包括短信交换器模块和移动通讯卡(手机号码卡);视频模块很简单,根据视频采集要求选用普通的视频摄像头即可.
2.3 软件组成
2.3.1 电脑操作系统
根据组态软件安装和编程软件安装要求选用中文WIN 2000操作系统.版本为WIN2000 professionalSP2以上版本
2.3.2 PLC程序设计软件
因为本文模拟演示系统所对应的主机控制系统多采用的是SIEMENS低压和自动化产品,在模拟演示系统PLC选型时考虑了程序开发周期问题,根据性价比选择了VIPAPLC.VIPA PLC和SIEMENS PLC软硬件完全兼容,程序开发软件仍使用STEP 7.
2.3.3 PC组态开发软件
本文所论述的模拟演示系统对应PC组态软件为杰控的Fameview7.0
2.3.4 HMI组态开发软件
模拟演示系统HMI产品选用的施奈德XBTGT5000产品,对应组态开发软件为Vijeo-Designer
3 程序设计
3.1硬件组态
如图2所示,该组态是通过STEP 7组态实现的.从图中可以看出硬件组态只添加了CPU318-2和组件CP343-1.其中总线上挂接的DP300通讯模块在该项目中没有应用.从图中可以看到VIPA500硬件组态和普通西门子硬件组态存在一定的区别,下面分项加以解释.
VIPAPLC和西门子PLC软硬件兼容是相对来说的.就I/O模块同系列的VIPA和西门子可以互换互通.就软件组态来说还需要一定的规则.因为PLC硬件设计原因VIPA 500S系列PLCCPU在硬件组 态时对应西门子S7-300系列的CPU318-2.双击MPI/DP项设置MPI地址为2.此地址可以随意设定,不能和MPI通讯伙伴的地址一样.
VIPA500S板卡式CPU在概念上我们可以把它当作一块以太网卡,上位机组态和500S的通讯是通过以太网通讯协议联通.作为一个网络,各个站点的网址就必须要设定.双击硬件组态画面中的CP343-1组件弹出如图3的网络设置画面.我们需要做的只是在子网区域添加一个”ETHERNET”,将IP地址和子网掩码填写上即可.图中IP地址设定为192.168.201.3
PLC的IP地址设定后电脑IP地址同样需要设定.设定方法为双击本地连接,进入本地连接属性对话框如图4所示.双击”internet协议(TCP/IP),在弹出的对话框中选择手动输入IP地址和子网掩码.在本系
统中IP地址设定为192.168.201.2
到此硬件组态基本完成.
3.2模拟演示程序设计
带有冗余控制的沥青混凝土搅拌设备的PLC程序设计一般分为两部分，相对应与本文论述的模拟演示系统分为电脑控制和自动控制。这里我们以自动控制为例说明程序设计过程。
3.2.1 电机启动模拟程序设计
电机启动程序设计中一般要加入接触器触点联锁条件，而VIPA500没有I/O模块配置，外部输入点无法接入。为了实现电机的模拟启动，程序设计可采用内部M继电器来与原接触器触点并接实现.如工业现场应用空压机启动对应输入变量为I20.0,其对应数据块为DB10.DBX0.0.在模拟演示S7程序中空压机机启动部分增加了内部继电器M100.0,那么只需将M100.0和I20.0并接即可实现M100.0与DB10.DBX0.0的对应.
3.2.2 生产计量模拟程序设计
生产计量的模拟是整个模拟演示系统的关键。该部分程序无法在源程序上修改完成，需要重新编程。为了保持原有程序结构的清晰可以考虑在原有项目程序中新增一FC功能，在主程序OB1中调用该功能以实现模拟称重信号的输出。
称重模拟信号的输出在演示系统共分为四种，包括：骨料秤信号，粉料秤信号，沥青秤信号，添加剂秤信号。其中骨料又细分为6种，粉料细分为3种，沥青分为2种，添加剂分为一种。随着公路施工的要求的不断提高，有可能还会出现五个秤甚至更多秤的模拟。
称重模拟信号可以根据称重时间，卸料时间，称重误差等生产参数来调整，要避免生产中频繁出现某种物料计量超差或计量超时现象。
紧急停机时会出现秤里存料现象，秤的清空需要由HMI组态按钮来实现。按钮的配置是根据按钮触发的变量在程序中的调用来决定的。按钮对应变量可以对整个计量程序复位，也可以单独对某一种物料复位，如骨料秤。本文所述模拟演示系统在HMI组态时新增了”PLC复位”按钮,该钮对真个PLC计量复位.
3.2.3 燃烧器控制的模拟设计
基于VIPA500PLC的模拟演示系统在模拟燃烧器控制时能够实现风门的开度控制如鼓风门，引风门开和闭，开度百分比值随风门开闭而增加减小。除尘器出入口温度值，溜槽温度值随风门开度而程比例变化。干燥筒负压和除尘器压差也按一定函数关系发生变化。
4 上位机监控组态设计
上位机监控组态设计分为PC监控组态设计和HMI监控组态设计。
4.1 PC监控组态设计
PC监控组态设计可以有两种方式实现，种，独立的监控组态设计。即充分利用组态软件所提供的函数功能，实现二次开发，以达到模拟演示效果。Fameview组态软件支持bbbbbbbb脚本函数，bbbbbbbb脚本函数支持71种以上功能的实现,包括画面表现,数据库操作,报表输出等等.能够大限度的的模拟工业现场生产过程，适合给客户演示。
第二种模式是基于VIPA 500PLC，即上位机和PLC通过通讯实现监控组态模拟，前面第三章的程序设计即考虑了此组态方式。这种组态方式可以大量的借鉴沥青混凝土搅拌设备在工业现场实际应用的组态设计，只做较少的修改即可。
短信的组态.短信息服务作为智能化生产的一部分,在沥青搅拌控制行业开始崭露头角.由模拟演示硬件组成图可以看到,短信服务的原理是通过手机发送短信息给短信处理模块(相当于另一部手机),短信处理模块通过串口和上位PC机通讯,将需要处理的信息反馈回发送短消息的手机.
短消息在上位机组态内容是选择通信方式,传送速率设定和短信服务中心号码设定.如下图所示,其中串口我们选择COM1,波特率默认为38400,短信中心号码不同地区有所不同,可咨询当地运营商.
短信组态第二步就是组态短信息内容.短信内容可以是当前生产数据如,当前产量,当前沥青温度等;短信内容也可以是历史生产数据,如过去某天的产量或温度,电机电流值等.
4.2 HMI组态设计
HMI组态设计因HMI硬件性能而不同,这里以施奈德XBTGT为例,由于HMI组态软件功能所限,该型号组态方式必须基于VIPA 500PLC.相对与PC组态HMI组态更简单,只是增加了几个外部生产控制按钮,如”开始生产”,”停止生产”,”PLC复位”等
HMI视频应用是比较新的事物,该应用打破了传统视频控制的模式.传统视频应用需要多台监视器和视频交换器,而HMI这些都不需要,所需要的只是多设定几个视频画面即可.
HMI视频还可以录制,拍照并保存.组态设计时添加视频画面,图5所示视频画面为单窗口单画面型,也可以在单窗口中显示多个画面,这可以根据需要来设置.
视频、图象文件的保存路径需要在组态设计时设定.支持视频的XBTGT有外接存储卡,视频,图象文件默认保存在存储卡内.组态时鼠标双击项目的”数据定位”选项,
将数据文件选项对应的设置设为”第二驱动器”即可.
5 结论
基于VIPA 500SPLC的模拟演示系统硬件配置简单,软件编程和组态任务小,开发周期短.能够实现工业现场生产工艺流程和工况的模拟演示.该系统已经在北京德基沥青混凝土搅拌设备销售演示和公司员工业务培训中广泛的应用.
在整个电力自动化市场中，大部分的关键监测、控制产品都以国产为主，国产设备的技术、性能、水平、均体现出明显的优势，比如：高压及超高压变电站现地控制装置、继电保护设备、线路和机组同期设备以及绝大部分中低压测控设备。而水电站测控设备长期以国外PLC为主。传统的PLC是作为通用工业控制器而设计的，没有考虑水电厂应用的特殊性，对于水电厂监控系统中要求的时钟同步、事件顺序记录功能无法实现。在使用过程中发现了一些问题，如：开出回路太简单，无相应安全措施，在强干扰情况下有时会产生误动；通信扩展能力差；在实现复杂控制过程时，使用梯形图等语言显得非常烦琐；控制流程调试不方便等等。伴随着电厂单机容量的日益增大，控制过程越来越复杂，对电厂计算机监控系统提出了更高的要求。主要表现在：需要功能更强、速度更快、容量更大的PLC产品，以完成大型的控制项目；实现网络化及更强的通讯能力；要求控制更加可靠，性能更加稳定；提供多样化的更方便的编程语言等。传统的PLC已无法满足日益复杂的实际应用的需求。
国电自动化研究院多年来一直致力于电力系统自动化，特别是水电站自动控制的研究与开发工作，产品已在葛洲坝、龚嘴等多家水电站获得成功应用，并在水利、风电、水处理等其它控制领域得到广泛应用。MB系列iPLC是在多年在自动控制方面的成功经验，深入研究了当前主流PLC产品的优点及不足之处，并积极关注PLC的新发展趋势，应用一系列新技术开发的新一代硬件平台，是对传统PLC功能的有针对性提升。
MB系列iPLC继承了传统PLC的长处，又弥补了传统PLC的一些不足，采用了大量先进技术，充分体现了本院多年来在水电站监控系统的研究成果，是多年工程经验的集中体现。该产品集智能、可靠、开放、灵活于一体，适合多种复杂控制领域的应用。MB系列iPLC采用了嵌入式软件、硬件技术和现场总线技术等技术开发的。针对不同的应用开发了MB80型大型PLC、MB60型中型PLC、MB40型小型PLC及MB20型微型一体化PLC等四种不同类型的PLC，分别应用于大型水电站、中小型水电站及辅机、闸门等不同的应用场合。本文将从MB系列iPLC体系结构、系统配置、技术特点、工程应用实例等几方面介绍MB系列智能可编程控制器及水电厂的应用。
2MB系列iPLC体系结构与系统配置
2.1 体系结构：
MB系列智能可编程控制器采用LAN/FieldBud系统体系结构（如图1所示），提供标准的以太网接口完成与上微机系统的通信，通信规约采用开放的、标准ModBusTCP规约。CPU模件和I/O模件之间采用现场总线作为内部总线及扩展总线，现场总线特有的高可靠性和对现场环境的适应能力，使得MB系列PLC系统配置的灵活性和可靠性也大大提高。图1以双CPU双以太网热备冗余、单CPU双以太网和单CPU双以太网三种典型的应用。为水电厂的应用提供灵活的系统配置方式，适用于更加广泛的现场应用。
2.2 系统配置：
MB系列iPLC提供三种系统配置，包括单CPU单以太网模式、单CPU双以太网冗余模式、双CPU冗余模式，多种灵活的系统配置模式可以更好地适用多种不同的实际应用。提供了多种类型模件包括电源模件、三种不同类型的CPU模件、串口通信模件（提供8个标准的RS232/RS485）、开关量输入模件、SOE模件、开关量输出模件、模拟量输入模件（电流型和电压型）、温度量模件等。
3 技术特点
3.1 编程与调试
MBPro编程和调试软件是针对MB系列iPLC开发的，支持MB系列所有型号的PLC。提供了梯形图、流程图等编程语言，具有系统配置、数据库组态、数据库在线查询、梯形在线监视、流程在线调试及梯形图在线修改功能。
可视化流程图编程技术：
采用了“所见即所得”技术设计的流程图编程语言是一种可视化的编程语言，非常适合复杂的顺序控制过程，它与设计单位设计的控制流程非常类似（如图2所示）。当控制流程设计完成时，即意味着编程的结束，编程过程简单易学。用这些语言编写的程序之间可互相调用，使得程序编写更加灵活方便，能满足多种复杂工况的要求。
流程图方式组态显示和操作；
顺控流程调试图形化显示，支持单步执行方式；
对流程可以进行加锁、解锁；
支持流程执行异常陷井处理；
预编译顺控流程，确保流程正确执行。
网络编程与调试：
MB系列iPLC使用统一的编程和调试环境MBPro编程和调试软件。提供10/100M以太网作为编程与调试接口，提供程序下载和联机在线调试功能。通过以太网支持远程编程与调试，满足在远方控制中心（如梯调中心）对现地控制装置控制流程的修改、在线维护。远程编程与调试功能为电站实现无人值班、甚至关门运行提供了技术保障。
3.2 通信网络
以太网通讯接口：CPU模件集成10M/100M以太网接口，支持Modbus/TCP规约，支持双以太网冗余配置。
串口通讯功能：MB系列iPLC提供了串口通讯模块，并可自由配置模块的数量。每个串口通讯模块提供8个串口，每个串口均支持RS-232/RS-485接口标准，并且全部支持编程。
现场总线网络
MB系列iPLC采用现场总线网络，具有通讯速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好等特点，并且具有很好的扩展性，易于实现模块的灵活配置，且对于现场环境及安装要求都不是很高，为系统扩展及远程控制都提供了方便。
3.3 高可靠性设计
（1）全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障开入模件的光电隔离和软件滤波功能；
开出回路密码锁设计，开出模件的反读、校核及执行继电器的联合控制保证在任何情况下不会发生误动；
温度量模件先进的每路独立横流源设计大大提高了采集速度和抗干扰性；
模拟量模件飞度电容的设计方法保证了内部电路和外界干扰的隔离，大大提高了采集精度，大限度地降低了模拟量漂移。
（2）双机热备冗余设计
MB系列iPLC提供了双机热备冗余方案。无需用户编程，监控模块之间实时自动备份数据，一旦一个监控模块瘫痪，另一个监控模块可单独运行，不会对控制系统产生影响。
全金属机械结构
MB系列iPLC具有全模块式的插装结构，全部采用SMT表贴工艺；模块无硬件设置，即插即用；对外可使用CableFast端配板接线方式，控制机柜内不再有凌乱的配线，维护更加方便。MB80系列采用全封闭结构，抗电磁干扰性及防尘、防潮、防震能力都较强；模块插箱有模件类型编码，可防止不同类型模块误插。
满足一系列电磁兼容性
为了提高PLC系统的可靠性、在设计过程中遵循了电磁兼容性，通过设计开发中的针对性的设计。MB系列iPLC的电气技术指标及电磁兼容性如下：
环境温度：-10℃~60℃；
浪涌抗扰度：4kV（共模）/2kV（差模）<