本文對工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的主要問題進(jìn)行了探討。文中，以動力站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)為例對該系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置原理、系統(tǒng)集成與通訊，以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)等，均作了具體的分析和設(shè)計(jì)，尤其針對PLC與第三方設(shè)備的通訊問題，提出了通過智能通訊接口技術(shù)的解決方案，并通過WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了動力站系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

在工業(yè)控制中，PLC技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，然而隨著越來越多的設(shè)備的接入，系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，如何確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案及配置原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及如何確保PLC與各設(shè)備及子系統(tǒng)之間的集成與通訊，是我們必須面對的問題。特別是后者，當(dāng)有第三方設(shè)備接入時(shí)，由于通訊協(xié)議各自不同，硬件接口也可能不同（如RS232、RS485等），如果不整合成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入PLC，PLC就可能要插多個(gè)通訊接口板，而且要編多個(gè)通訊軟件，由于PLC編寫其它協(xié)議的通訊軟件的能力很差，則會大大降低系統(tǒng)的性能⑴。

本文以某動力站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改造工程為例，就該具體項(xiàng)目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案、配置原理系統(tǒng)集成與通訊，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制的實(shí)現(xiàn)，提出具體的解決方案，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到減少生產(chǎn)成本，降低能耗，提高設(shè)備的使用效率和使用壽命和提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文的看法和做法或許對一般工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

1. 系統(tǒng)分析

某廠用動力站是負(fù)責(zé)給各生產(chǎn)車間供應(yīng)空壓用氣及實(shí)現(xiàn)水循環(huán)冷卻的部門。通常它由它包括空壓站、真空站及換熱冷凝站構(gòu)成。動力站監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是監(jiān)控設(shè)備種類繁多、監(jiān)測和控制點(diǎn)位多。

這就不僅要求我們要保證所選擇PLC要具有通訊能力強(qiáng)、配置靈活、編程方便的特點(diǎn)，同時(shí)也要具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，便于系統(tǒng)以后進(jìn)行必要的擴(kuò)充，基于此，我們選擇西門子S7－300系列產(chǎn)品構(gòu)建本控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行。

SIMATIC S7-300是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，其技術(shù)特點(diǎn)是：

1)配置靈活： 配有8種不同檔次的CPU模塊,及多種功能模板，用戶可根據(jù)不同的控制要求，選擇不同的模塊組成各種規(guī)模的控制系統(tǒng)。

2)擴(kuò)展功能強(qiáng)：單機(jī)架配置時(shí)，最多裝8個(gè)模板，256個(gè)I/O點(diǎn)；多機(jī)架配置時(shí)，最多1024個(gè)I/O點(diǎn)；若使用PRIFIBUS-DP分布式系統(tǒng)，最多可連接65536個(gè)I/O點(diǎn)。

3)通信聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)：多點(diǎn)接口MPI可用S7-300 CPU與PG/PC、HMI以及其它SIMATIC S7/C7/Win AC自動化系統(tǒng)通訊，最多可連接32個(gè)MPI節(jié)點(diǎn)，并可利用MPI、PROFIBUS和以太網(wǎng)組網(wǎng)等。

4)編程方法靈活：編程器可通過兩種接口（MPI、DP）接入，對幾個(gè)CPU進(jìn)行操作，并可使用STEP7或STEP7-Mini對S7-300進(jìn)行硬件組態(tài)和編程；程序形式有梯形圖（LAD）、語句表(STL)和SCL編程語言等模式。

2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們將動力站房自控系統(tǒng)分為設(shè)備控制層和集中監(jiān)控層兩級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

設(shè)備控制層由3個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，它們是空壓機(jī)子系統(tǒng)（五臺空壓機(jī)）、真空站子系統(tǒng)（五臺真空泵及空壓、真空冷卻水系統(tǒng)）及換熱冷凝子系統(tǒng)。在此，每個(gè)子系統(tǒng)各選用一臺西門子CPU315-2DP模塊化中型 PLC作為主控制器， 各PLC通過國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線Profibus-DP與自己系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備相連。PLC程序在上位機(jī)的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU315，并存儲到CPU315中⑵。CPU315可自動運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上所有的I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。

在集中監(jiān)控層中，本系統(tǒng)采用 IBM計(jì)算機(jī)作為中央監(jiān)控站，通過現(xiàn)場總線接口卡 CP5611使監(jiān)控計(jì)算機(jī)與各子系統(tǒng)的PLC通信，并預(yù)留通信接口接入上層以太網(wǎng)⑶。這樣就組成了一個(gè)能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，系統(tǒng)運(yùn)用了雙機(jī)冗余，將另一臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過同樣的現(xiàn)場總線接口卡CP5611與現(xiàn)場總線相連，若其中一臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，另一臺可繼續(xù)運(yùn)行 。

圖1

系統(tǒng)的配置原理

空壓機(jī)子系統(tǒng)是動力站房自控系統(tǒng)中最復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)，通常包括多臺，甚而不同品牌的空壓機(jī)和干燥機(jī)，筆者目前設(shè)計(jì)的工程就由3臺Atlas公司的空壓機(jī)、2臺壽力公司空壓機(jī)及5臺干燥機(jī)組成。所以本文以空壓機(jī)子系統(tǒng)為例，概述系統(tǒng)的配置原理。

1. 空壓機(jī)子系統(tǒng)的控制要求

1）每臺空壓機(jī)設(shè)定出氣電動閥及排氣電動閥；2）預(yù)置每臺空壓機(jī)各段的壓縮空氣溫度及壓力；3）預(yù)置各臺空壓機(jī)組的冷卻水進(jìn)出口溫度；4）系統(tǒng)要根據(jù)出氣罐壓力控制空壓機(jī)的起/停、加載/卸載以保證出氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)，同時(shí)還要做到均勻優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能運(yùn)行。

2． 模塊配置原理

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該空壓機(jī)子系統(tǒng)共要處理 44個(gè)24伏開關(guān)量輸入信號（DI）， 30個(gè)開關(guān)量輸出信號（DO），52個(gè)模擬量輸入信號(AO)。故選用一臺S7 315-2DP 的CPU模塊（模塊上自帶5個(gè)AI點(diǎn)，24個(gè)DI點(diǎn)，2個(gè)AO點(diǎn),16個(gè)DO點(diǎn)）；5塊8點(diǎn)模擬量輸入模塊SM 331；1塊32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊SM321；1塊16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊。

另外，每臺空壓機(jī)內(nèi)部還有80個(gè)開關(guān)量輸入信號和10個(gè)模擬量輸入信號需要讀取，選用5臺TF400 DDC控制器與各臺空壓機(jī)通訊讀取他們的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)集成與通訊

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化系統(tǒng)對大范圍信息共享的需求愈加強(qiáng)烈，對工業(yè)控制系統(tǒng)的開放性提出了越來越高的要求，因而不同廠家的設(shè)備集成與通訊也就成了目前工業(yè)控制中遇到的最廣泛的難題⑷。

在本項(xiàng)目中PLC要與Atlas公司的空壓機(jī)、壽力公司空壓機(jī)及干燥機(jī)進(jìn)行通訊，但由于設(shè)備各自的通訊協(xié)議不同，硬件接口也有所不同（有RS232、RS485等），因而如果采用傳統(tǒng)的集成方法，就要在PLC上插多個(gè)通訊接口板，而且要編寫多個(gè)通訊軟件。然而，由于PLC編寫其它協(xié)議的通訊軟件的能力卻很差，這無疑給我們進(jìn)行系統(tǒng)集成造成了極大的困難。

因此，本項(xiàng)目中提出了采用智能通訊口（PB-OEM2-SD總線橋）的解決方案。智能通訊口是一種嵌入式Profibus總線橋技術(shù)，以O(shè)EM方式提供Profibus-DP的從站通信接口。用戶不需要了解Profibus開發(fā)技術(shù)，不需要購買Profibus開發(fā)系統(tǒng)，每臺需要聯(lián)網(wǎng)通訊的第三方設(shè)備只需各采用一個(gè)智能通訊口與PLC的Profibus-DP接口連接，就可將不具備Profibus通訊能力的現(xiàn)場設(shè)備接入Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其硬件連接圖如圖2。

圖2 PLC與第三方設(shè)備的通訊

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 初始化智能通訊口OEM2，完成PROFIBUS站號、ID號、I/O數(shù)量、數(shù)據(jù)交換長度等設(shè)置。

2）修改OEM2智能通訊口的GSD（設(shè)備文件清單）文件DS _06FA.GSD,并將它復(fù)制到：\Siemens\Step7\S7data\gsd目錄下；

3）更新Step7軟件中的設(shè)備目錄（Update Catalog）；

4）將現(xiàn)場第三方設(shè)備作為Profibus的一個(gè)從站集成到系統(tǒng)中。

采用本方案，大大簡化了系統(tǒng)集成的難度，并具有很好的兼容性及擴(kuò)充性，不同廠家，不同通訊協(xié)議的設(shè)備都可通過智能通訊口直接集成到標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP現(xiàn)場總線上，并且新增加設(shè)備不會影響原有的設(shè)備及程序，只要在PLC上增加新的點(diǎn)位并作簡單的設(shè)置即可。

系統(tǒng)的組態(tài)與實(shí)時(shí)監(jiān)測

本系統(tǒng)采用西門子公司推出的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。WINCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本（）語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。

用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等。為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。

我們共設(shè)計(jì)了33幅畫面。包括系統(tǒng)登入畫面、狀態(tài)流程畫面、空壓機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)顯示畫面、操作參數(shù)顯示與設(shè)定畫面、工程參數(shù)顯示與設(shè)定畫面、歷史趨勢曲線畫面、歷史報(bào)警畫面等。

用戶可通過WINCC工作站直觀地對現(xiàn)場所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)自動控制和操作，系統(tǒng)提供了故障自動報(bào)警、設(shè)備操作權(quán)限保護(hù)、設(shè)備操作自動記錄及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)自動記錄等功能，使得系統(tǒng)的檢修維護(hù)和故障處理也變得簡單、快捷。整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測性能應(yīng)當(dāng)說是比較理想的。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于S7-300系列PLC的動力站實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，作者為陳義清、張英。）