本文對工業自動化過程控制系統設計所面臨的主要問題進行了探討。文中，以動力站實時監控系統為例對該系統的系統結構、系統配置原理、系統集成與通訊，以及系統實時監測的實現等，均作了具體的分析和設計，尤其針對PLC與第三方設備的通訊問題，提出了通過智能通訊接口技術的解決方案，并通過WINCC監控組態軟件實現了動力站系統的實時監測與控制。

在工業控制中，PLC技術是目前應用最廣泛的技術之一，然而隨著越來越多的設備的接入，系統的規模越來越大，如何確定系統的結構方案及配置原理，設計系統，以及如何確保PLC與各設備及子系統之間的集成與通訊，是我們必須面對的問題。特別是后者，當有第三方設備接入時，由于通訊協議各自不同，硬件接口也可能不同（如RS232、RS485等），如果不整合成一個統一的標準進入PLC，PLC就可能要插多個通訊接口板，而且要編多個通訊軟件，由于PLC編寫其它協議的通訊軟件的能力很差，則會大大降低系統的性能⑴。

本文以某動力站監控系統的技術改造工程為例，就該具體項目的系統結構方案、配置原理系統集成與通訊，以及實時監測和控制的實現，提出具體的解決方案，以實現整個系統高效運轉，從而達到減少生產成本，降低能耗，提高設備的使用效率和使用壽命和提高項目經濟效益的目的。本文的看法和做法或許對一般工業自動化過程控制系統的學術研究和工程實踐具有一定的參考價值。

系統結構方案

1. 系統分析

某廠用動力站是負責給各生產車間供應空壓用氣及實現水循環冷卻的部門。通常它由它包括空壓站、真空站及換熱冷凝站構成。動力站監控系統的特點是監控設備種類繁多、監測和控制點位多。

這就不僅要求我們要保證所選擇PLC要具有通訊能力強、配置靈活、編程方便的特點，同時也要具有強大的擴展功能，便于系統以后進行必要的擴充，基于此，我們選擇西門子S7－300系列產品構建本控制系統，以實現整個系統的高效、安全運行。

SIMATIC S7-300是模塊化中小型PLC系統，它能滿足中等性能要求的應用，其技術特點是：

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

2)擴展功能強：單機架配置時，最多裝8個模板，256個I/O點；多機架配置時，最多1024個I/O點；若使用PRIFIBUS-DP分布式系統，最多可連接65536個I/O點。

3)通信聯網能力強：多點接口MPI可用S7-300 CPU與PG/PC、HMI以及其它SIMATIC S7/C7/Win AC自動化系統通訊，最多可連接32個MPI節點，并可利用MPI、PROFIBUS和以太網組網等。

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

2. 系統設計

我們將動力站房自控系統分為設備控制層和集中監控層兩級結構，系統網絡結構圖如圖1。

設備控制層由3個獨立的子系統組成，它們是空壓機子系統（五臺空壓機）、真空站子系統（五臺真空泵及空壓、真空冷卻水系統）及換熱冷凝子系統。在此，每個子系統各選用一臺西門子CPU315-2DP模塊化中型 PLC作為主控制器， 各PLC通過國際標準的現場總線Profibus-DP與自己系統的現場設備相連。PLC程序在上位機的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU315，并存儲到CPU315中⑵。CPU315可自動運行該程序，根據程序內容讀取總線上所有的I/O模塊的狀態字，控制硬件設備。

在集中監控層中，本系統采用 IBM計算機作為中央監控站，通過現場總線接口卡 CP5611使監控計算機與各子系統的PLC通信，并預留通信接口接入上層以太網⑶。這樣就組成了一個能完成組態、運行、操作等功能完整的控制網絡系統。為了保證系統的穩定性與可靠性，系統運用了雙機冗余，將另一臺監控計算機通過同樣的現場總線接口卡CP5611與現場總線相連，若其中一臺監控計算機發生故障，另一臺可繼續運行 。

圖1

系統的配置原理

空壓機子系統是動力站房自控系統中最復雜的一個系統，通常包括多臺，甚而不同品牌的空壓機和干燥機，筆者目前設計的工程就由3臺Atlas公司的空壓機、2臺壽力公司空壓機及5臺干燥機組成。所以本文以空壓機子系統為例，概述系統的配置原理。

1. 空壓機子系統的控制要求

1）每臺空壓機設定出氣電動閥及排氣電動閥；2）預置每臺空壓機各段的壓縮空氣溫度及壓力；3）預置各臺空壓機組的冷卻水進出口溫度；4）系統要根據出氣罐壓力控制空壓機的起/停、加載/卸載以保證出氣壓力穩定在設定的范圍內，同時還要做到均勻優化運行及節能運行。

2． 模塊配置原理

根據統計，該空壓機子系統共要處理 44個24伏開關量輸入信號（DI）， 30個開關量輸出信號（DO），52個模擬量輸入信號(AO)。故選用一臺S7 315-2DP 的CPU模塊（模塊上自帶5個AI點，24個DI點，2個AO點,16個DO點）；5塊8點模擬量輸入模塊SM 331；1塊32點數字量輸入模塊SM321；1塊16點數字量輸出模塊。

另外，每臺空壓機內部還有80個開關量輸入信號和10個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通訊讀取他們的內部數據。

系統集成與通訊

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

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

因此，本項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，以OEM方式提供Profibus-DP的從站通信接口。用戶不需要了解Profibus開發技術，不需要購買Profibus開發系統，每臺需要聯網通訊的第三方設備只需各采用一個智能通訊口與PLC的Profibus-DP接口連接，就可將不具備Profibus通訊能力的現場設備接入Profibus現場總線系統，其硬件連接圖如圖2。

圖2 PLC與第三方設備的通訊

具體實現步驟如下：

1) 初始化智能通訊口OEM2，完成PROFIBUS站號、ID號、I/O數量、數據交換長度等設置。

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

3）更新Step7軟件中的設備目錄（Update Catalog）；

4）將現場第三方設備作為Profibus的一個從站集成到系統中。

采用本方案，大大簡化了系統集成的難度，并具有很好的兼容性及擴充性，不同廠家，不同通訊協議的設備都可通過智能通訊口直接集成到標準的Profibus-DP現場總線上，并且新增加設備不會影響原有的設備及程序，只要在PLC上增加新的點位并作簡單的設置即可。

系統的組態與實時監測

本系統采用西門子公司推出的WINCC監控組態軟件對系統進行組態。WINCC集成了SCADA、組態、腳本（）語言和OPC等先進技術，為用戶提供了Windows操作系統環境下使用各種通用軟件的功能。

用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

我們共設計了33幅畫面。包括系統登入畫面、狀態流程畫面、空壓機內部數據顯示畫面、操作參數顯示與設定畫面、工程參數顯示與設定畫面、歷史趨勢曲線畫面、歷史報警畫面等。

用戶可通過WINCC工作站直觀地對現場所有設備進行監視，實現自動控制和操作，系統提供了故障自動報警、設備操作權限保護、設備操作自動記錄及設備運行數據自動記錄等功能，使得系統的檢修維護和故障處理也變得簡單、快捷。整個控制系統的實時監測性能應當說是比較理想的。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基于S7-300系列PLC的動力站實時監測與控制系統設計”，作者為陳義清、張英。）