6ES7231-0HF22-0XA0厂家质保
1 前言
某钢铁厂造型生产线一直以来使用美国TEXAS INSTRUMENTS 公司的MEDEL 560PLC系统，采用模拟盘操作显示（系统框图见图1）。由于该系统为上世纪80年代的产品，已经严重老化，没有备件更新。生产线急需进行改造。
图1、系统框图
根据现场情况，拟设计一套控制系统对生产装置进行控制。新系统要求有数据采集和存储、流程显示及控制、连锁、报警报表,安全维护等功能。稳定可靠，监控画面符合操作习惯。
2 现场总线选择
在现场总线领域内,近十年来,世界上出现了多种有影响的现场总线.现已成为德国和欧洲标准的PROFIBUS现场总线,是一种开放的、不依赖于生产厂家的通信系统,是一种比较成熟的总线.
此造型生产线系统工艺复杂，I/O点较多且位置分散，其中数字I/O信号184点，模拟信号64路，这些信号分布在整个车间，控制并监测着每部机器的正常运行。基于上述原因,我们在此生产线技术改造工程中采用了PROFIBUS-DP过程现场总线技术,实现了生产过程的通信、分布式控制、上位机的集中监控及可视化等功能.
3 PLC控制系统设计
PLC选型根据通用性、标准性、可靠性等原则，并考虑高的性能价格比，故新建系统采用德国SIEMENS S7-400PLC作为数据采集控制系统，上位机采用WINCC5.0作为组态软件。
SIEMENS公司是国际上的大公司，其PLC系统成熟、性能稳定、价格适中、备件方便，是一款性能价格比比较高的PLC系统。SIEMENS S7-400PLC系统采用工业PROFIBUS局域网形式，结构安全、稳定、可靠、可扩充性强。本设计考虑PLC和扩展单元之间PROFIBUS连接，PLC和总站之间使用ETHERNET连接。这样的设计使得PLC系统相对独立，而操作站与其他网络的连接较为灵活。
3.1系统设计
控制系统网络结构图如图2所示。
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图2 系统网络结构图
系统网络结构分为二层，即下层控制网和上层管理网。
下层控制网采用双芯屏敝电缆，适合PROFIBUS，满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯，为PROFIBUS-DP现场通讯网。
上层管理网分为TCP/IP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的网卡连接，主要实现工程师和操作员站之间文件管理。
3.2软件及组态设计
操作员站OS和工程师站ES均采用微软中文版bbbbbbS 2000和Internet explorer6.0，使得除工程师组态以外的所有信息、界面均实现汉化。
操作员站另加载了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NETProfibus-S7、PDM等监控软件。
硬件组态也是一种图形化的组态方式，十分方便。对某一过程站而言，实际带有若干ET200远程I/O，组态画面中，就在该过程站后的PROFIBUS-DP网络线上拖放几个IM153模块形成几个ET200远程I/O接点（本系统根据实际需要选用7个从站）。硬件组态中的所有模块，都可以从S7提供的元件库中找到相应型号、定货号的模块，将其拖放至与实际安装相对应的位置即可。
硬件组态配置完成后，下载到相应的过程控制站。这样，就使得实际硬件安装模件和硬件组态相一致，从而，I/O模块上的每一点的点号地址就得以确定。
系统欲留网络接口可以同公司局域网连接，相关信息画面通过IE浏览的方式在局域网上实现信息共享，为管理层提供必要的信息。
4 上位机及组态软件选型与设计
上位机选用DELL计算机，DELL 21"平面直角CRT并配打印机。组态软件选用 SIMATIC公司WinCC5.0组态软件。
主站部分主要软件流程图如3所示。
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图3 主站软件流程图
系统主要特性为：
⑴图形用户界面（GUI）
WinCC5.0允许用户使用易于理解和配置的工具为他们的应用程序快速开发定制的屏幕。
⑵分布式的历史数据系统
分布式的历史趋势数据系统允许用户动态地为趋势图的每支笔指定不同的历史文件数据源。这种特性允许操作员在同一
个趋势图中查看本地WINCC的历史数据和SQL Server的历史数据。
⑶动态引用地址
用户可以更改对数据源的引用，以便使用同一个标记名称定位多个数据源。
以PC机为基础和标准的操作系统;可选不同容量规模;所有SCADA功能（开放的系统内核）：图形系统，报警信息系统，变量存档，用户档案库，报表系标准接口，编程接口;各种PLC系统的驱动软件。该软件全面开放，易于学习、使用，利于开发应用、维护管理。
5 结束语
经实践证明，采用PROFIBUS-DP和Ethernet组建的工业网络控制管理系统实现了分布式控制，可大大降低现场连接工作量和费用，提高信号的传输精度与灵活性。采用SIEMENSS7-400PLC以及WinCC5.0实现了控制手段的更新和控制效率的提高,使人机交互可视化以及生产管理与控制的一体化，给系统的安装、调试和设备维护带来方便。
在过程自动化控制发展初期，工厂经理有两个基本选择：集散控制系统（DCSs）或者可编程逻辑控制器（PLCs）。功能相似，两者却有很大的不同，各有其优缺点。后，不管选择哪一个，您总是要付出一定的代价。
集散控制系统
集散控制系统是一个对过程系统各方面进行控制的精细、单一的微处理器网络系统。
通常这些系统非常复杂和昂贵，并且使用专有的硬件和软件,包括控制语言，只有其制造商才能为其提供售后服务和技术支持。一旦系统安装使用，很难适应随时间而产生的工艺要求的变化。它们能够处理大、复杂的过程处理，使得它们被主要用于连续的过程工业, 例如能源电力、石油和天然气、水和污水处理以及纸浆和造纸等连续过程工业。
可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器（或称为PLCs）是一种小型但运行速度很快的计算机，用于控制诸如过程系统中的设备等单个或多个实际应用的工艺流程。其取代了过去每次更改工艺流程或产品后必须手动重新布线的硬接线继电器，克服了以往继电器耗费高且效率低的缺陷。使用PLC后，您仅需对其重新编程即可完成整个操作。实际上早期的PLC使用的是能反映继电器电路图的梯形逻辑（Ladder logic）语言，传统的工程师能够很容易地读懂他们。
DCS系统是刻板的,PLC系统却很灵活。DCS系统是大型、自封闭的系统，而PLC系统则是模块化、可伸缩的系统，从而能够为中小型的过程处理尤其是诸如食品饮料、人员安全以及生命科学等批量和离散生产部门的工艺系统提供上佳的解决方案。因为采用模块化组件，PLC系统通常较便宜，至少在工程初期如此。当工程师把所有组件构造成系统后，其价位可能与DCS相差无几甚至有时超过DCS。
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混合型控制系统的构想
在过去十年中，历史悠久的DCS和PLC公司都转向共同称之为“混合型控制系统”的领域，在此领域他们可以尝试把DCS系统的强大功能、复杂性和PLC系统的灵活、开放性以及低价位结合起来。为此，DCS公司已经减少其系统所占用的空间，而PLC公司则已开始集成其组件以制造更完善的系统。 许多尝试已获得商业上的成功，这些“混合型系统”却永远不能完全达到 混合控制系统的初构想。例如，DCS 混合控制系统 就无法制造足够模块化的系统以供OEMs和终客户使用，也不能提供足够的可伸缩性和灵活性来处理大小不同的应用规模。高速顺序控制或离散量处理的速度（有时以几十毫秒计）对于DCS 混合控制系统 来说是太快而难于调节，从而使得包装、金属锻压或简单的马达控制很难实现甚至无法控制。存在批量、连续及离散环境的混合 工业或者要求高速顺控的大型连续加工工厂仍需要另一个控制系统用于其离散领域，从而产生了许多额外开销、集成问题、培训和维修费用增加等问题。而许多尝试开发混合控制系统的历史悠久的PLC系统无法提供真正的系统性能，缺少系统服务, 例如不能统一定义变量和系统报警/事件管理等。
不论是来自传统的DCS技术还是PLC技术，大多数此类系统不能与信息层紧密集成为一体。不能避免因采用多个数据库导致的成本增加，而将信息层和控制层的紧密结合可以有效地控制和优化产品并提高了运营绩效。将可视性引入工艺流程操作不仅经济更加简单。
采用混合控制系统的构想，可以紧密地把信息层和控制层结合
现在，GE Fanuc推出的Proficy Process Systems，一个采用混合控制系统构想的系统，是一个既拥有集散控制系统的强大动力和高效能又具有可编程逻辑控制器的灵活性、开放性和价格优势的自动化控制系统。通过将Proficy软件固有的分层结构置入过程控制系统，使得产品的优化，分析及生产管理的层次更加简单清晰。
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与GE Fanuc公司携手解决过程控制的需求可使您在当今竞争激烈的全球经济中占有一席之地：
• 成效。运用GE Fanuc的过程解决方案，您可以改善系统性能、提高产量并降低总体成本。
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自1969年世界上诞生了台可编程逻辑控制器（PLC）以来，可编程控制技术在工业控制领域便一路高歌，取得了极为广泛的应用。在这过去的30多年里，计算机技术、电子技术、网络通信技术以及自动控制技术的飞速发展，使得工程师们在工业应用中对于控制器的功能需求也远远超越了当初的“顺序逻辑控制”的简单期望。
来自于奥地利的贝加莱（B&R）工业自动化公司便是敏锐地捕捉到这一技术需求的变化，早在1994年便在全球个推出了基于定性实时多任务操作系统(Real Time multi-tasking Operation System)的可编程计算机控制器（PCC—Programmable Computer Controller），时至，仍然代表了这一创新技术的发展趋势，成为新一代自控工程师的新宠。
我们知道，常规的PLC大多依赖于单任务的时钟扫描或监控程序，来处理程序本身的逻辑运算指令以及外部的I/O通道的状态采集与刷新，整个应用程序采用一个循环周期，但事实上在一个控制系统中，往往有一些数据量是实时性要求很高的，但也有很多大惯性的模拟量是没有太高实时要求的，如果采用同样的刷新速度其实是对资源的浪费，循环顺序扫描的运行机制也直接导致了系统的控制速度严重依赖于应用程序的大小，应用程序一旦复杂庞大，控制速度就必然降低。这无疑是与I/O通道高实时性控制的要求相违背的。
而贝加莱PCC系统的设计方案则完美地解决了这一问题，与常规PLC相比较，PCC大的特点就在于其引入了类大型计算机的分时多任务操作系统理念，并辅以多样化的应用软件设计手段，由于分时多任务的运行机制，使得应用任务的循环周期与程序长短无关，而是由设计人员根据工艺需要自由设定，从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，这种控制周期是可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求而做相应设定。
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传统PLC运行模式
贝加莱PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式
基于这样的运行平台，PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块，这样给便应用软件的开发带来了极大的便利，因为工程师可以方便地根据控制项目中各子系统的不同功能要求，如数据采集，报警，PID调节运算，通信控制等，开发相应的控制程序模块(任务)，在分别编制和调试之后，可一同下载至PCC的用户程序存储器中，在多任务操作系统的调度管理下，并行协同运行，因为这些模块既相互独立运行，而数据间又保持一定的相互关联，由他们共同实现项目的控制要求。在这多个任务中，根据不同任务对实时性能的不同需求，设计人员可以指定不同的优先等级即确定的循环周期，从而实现确定的分时多任务控制。即便某个任务处于等待状态，别的任务也可继续执行。
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这种多任务的运行机制，采用大型应用软件的模块化设计思想，还带来了项目开发效率上的提高，有着常规PLC无法比拟的灵活性。因为多任务的思想使得各个任务模块的功能描述更趋清晰简洁，用户可以自行开发自己独有的而又具有通用性的独立功能模块，并将其封装以便于日后在其他应用项目中重新使用。各个不同的任务甚至可以由开发小组的不同成员分别编制，不同的开发人员基于共同的约定，可以灵活选用不同编程语言，这就意味着不仅在常规 PLC上一直为人们所熟悉的梯形图，指令表等符合IEC6113-3规范的通用语言可以在PCC上继续沿用，用户还可采用更为高效直观的语言，比如ANSI C 和Automation Basic，从而实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。所有这些编程语言，PCC都采用“符号变量”来标识外部I/O通道及内部寄存器单元(例如用户可用motor_run来代表某开关量输出通道，button_down代表某开关量输入通道)。这样，软件开发人员毋需熟知 PCC内部的硬件资源分布，而只须集中精力于项目本身的工艺要求，即可迅速编制出结构清晰功能明确的控制程序来。
PCC在硬件上的特点，还体现在它为工业现场的各种信号和应用设计了许多专用的接口模块和功能模块，如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生、脉冲编码，称重、超声波信号等等。它们将各种形式的现场信号十分方便的接入以PCC为核心的数字控制系统中，用户可按需要对I/O通道进行数十点、数百点至数千点的扩展与联网。在PCC模块内部，CPU的数据总线与IO总线分离，并配置有独立的I/O处理器，特有的时间处理单元（TPU）在不增加CPU负荷的前提下，高速处理无论简单或复杂的定时任务，其基准计时频率可高达6.29MHz，目前被广泛应用于测频测相及PWM等极高精度的时间处理场合中。而其所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离，模拟量输入端也都经过了RC滤波处理，具有很好的抗干扰能力，其整体硬件平均无故障时间MTBF高达50万小时。
PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的另一显著标志，作为构成现场分布式控制的主要供应商之一，贝加莱PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。除开放式现场总线的网络方案之外，PCC还提供了多种网络协议，用户不仅可以采用贝加莱的独有网络协议，也可以方便的与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信(如Siemens，AB， Modicon等)，在一些特殊情况下，PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动（Frame drive）工具。特别值得一提是Ethernet POWERbbbb网络协议，这是2001年贝加莱公司在竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候，便在全球次推出并实用化了真正意义的实时工业以太网络，这也是全球个开放的安全级（SIL3）实时工业以太网。2007年初该公司又已经发布其实现了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERbbbb的消息。由于具备这样的技术优势，PCC常常能解决许多常规PLC所望尘莫及的通信难题，轻松实现与各种不同产品，不同通信协议的高效互联。
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目前，B&R公司的PCC主要由2005系列、2003系列以及X20 CPU系列构成，由于在网络通信方面的开放性和结构上的模块性，三种系列的PCC在构成控制系统的规模上，往往是十分灵活可塑的。也正顺应了PLC、IPC及DCS技术相互融合的发展潮流，贝加莱的PCC控制器携其DCS系统APPROL目前在越来越多的工业应用领域中，日益显示出了其不可低估的发展潜力。
PCC 作为一种可编程计算机控制器，它是专为在工业环境下应用而设计的，是一种新型的定性分时多任务PLC，它不但具备传统PLC的所有功能，融合了新的IT网络技术和可选的语言编程环境，具有更强大的数学运算能力、网络通信能力、抗干扰能力和控制能力，从而代表了PLC今后发展的方向，具有更高的可靠性、更丰富的功能和更广泛的适应性。
一、前言
以往的油石超精机床是采用继电器进行控制的，控制部分元件较多，体积庞大，接线复杂，且可靠性不高，经常出现故障。近年来，机床行业的自动控制水平在逐步提高。现决定对油石超精机床进行改造升级，用PLC取代传统的继电器顺序控制，工作周期变短，使工作更可靠，编程简单，诊断方便，抗干扰能力强。
二、电气控制要求
油石超精机床的工作原理是把加工工件放在两个导辊之间，工件会匀速向固定的方向运动，超精头在气压下振动的来摩擦工件表面，提高工件的光洁度和圆度等。手动调整好机械的各项指标，用旋转开关把工作方式调节到自动，按下自动启动按钮，PLC开始运行，在程序控制下，冷却启动后导辊开始在变频器无级调速控制下旋转，开始加工工件。
机床配有紧急停止和警示功能，一旦发生机械故障用户可以方便地按急停按钮来停止机床动作；由于过载等原因出现问题，会点亮报警灯来提醒操作者。
三、系统硬件设计
1、主电路的设计
导辊采用变频控制，PLC控制继电器的吸合作为变频控制正转的条件，而导辊调速采用电位器进行模拟控制；冷却泵由PLC控制接触器KM的通断来实现起停；油石的上升和下降由PLC控制电磁阀来实现。
2、PLC系统购置
根据系统的输入、输出点的要求，选用20点的三菱PLC即可以满足要求。
四、系统软件设计
1、零件加工可以方便的进行手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成机床调整或手动加工；类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动按钮，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。系统流程图如图1所示。
机床控制系统中，手动部分占用6个输入点，用于零件自动加工前的调整或手动加工；自动控制部分涉及6个输入点，用于零件的程序顺序加工。
自动控制部分的输入、输出点的分布如表1所示
输入设备 输入地址 输出设备 输出地址
过载保护QM X000 报警灯HL Y000
紧急停止SB1 X001 导辊启动KA Y001
复位SB2 X002 冷却启动KM Y002
自动启动SB3 X003 油石上升YV Y003
自动停止SB4 X004
接地保护 X005
自动控制的程序如图2所示，为了避免启动时的电流冲击，用延时0.5 s来避开冷却泵与导辊电机启动。
2、故障检测与报警电路
一旦机械部分或控制电路发生故障，报警灯会被点亮，油石抬起来避免误动作造成损失；故障解除后，可按复位钮清除报警。报警的程序如图3所示。
五、
PLC有丰富的指令集，编程非常灵活，控制相当方便。用PLC对超精机床进行升级改造后，系统的硬件结构简单，自动化程度高，加工效率高，维修方便，可靠性大大提高。
通常,电脑只有一个串行口，在调试PLC和触摸屏控制系统时，往往需要经常拔插通信电缆,这样容易损坏通信端口，调试效率也很低。
我们自制了一个转接合，调试时按图1接线,如果把开关S打到PLC端，则PC和EC20通信；如果把开关S打到HMI端，则PC和触摸屏通信，免去了反复拔插的麻烦。
转接合是由早期打印共享器内的25刀双投开关改装而成,图1中S实际上是9刀双投开关。图2是通信电缆表。
图1接线适用于PLC和触摸屏是RS232 通信情形。
这个方法同样适用于调试其它品牌的PLC和触摸屏，可供同行借鉴。
1.引言
由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改;由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。
2.小丸包衣制粒机系统组成
小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。药粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向上流过，当流速达到一定速度时，颗粒(药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能完全充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制药过程。
图1 小丸包衣制粒机系统组成
3.系统主要控制要求
小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。
(1) 产品温度控制
通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。
(2) 进风风量的控制
控制精度为±40m3/h。
(3) 雾化压力的控制
即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。
(4) 密封压力的控制
产品容器必须与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。
(5) 滤袋的抖动控制
抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。
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4.控制方案的选择
4.1 两种不同方案的比较
小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1:
在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求佳的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，环境良好，采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。利用公用PC机即可作人机界面。
4.2 PLC硬件配置
根据前面对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行可靠、编程简单，具有可观的经济性和更强的适应性，完全可以满足上述控制要求。
4.3 人机界面组态软件
组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程,组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示:
图2 控制系统的构成
5.系统硬件设计
控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了中央处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的中央处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出地址分配如表2所示。
图3 PLC外部接线图
图4 主程序框图
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6.系统软件设计
6.1 PLC程序设计
主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。
6.2 人机界面组态
组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二极管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示。
图5 设备控制画面
7.结束语
由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行可靠稳定，受到广大用户的好评。