PLC與工控機(jī)應(yīng)用分析

1系統(tǒng)組成

某電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備具有良好的可控性，利用PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

采用3臺(tái)西門(mén)子公司的SIMATIC S5—115U可編程序控制器控制現(xiàn)場(chǎng)的一次設(shè)備，程控系統(tǒng)分為3套，依次為#1補(bǔ)給水處理單元、#2補(bǔ)給水處理單元、#3凝結(jié)水處理單元。

操作員站選用兩臺(tái)研華586工控機(jī)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用美國(guó)Intellution公司的FIX5.5組態(tài)軟件。FIX5.5是一種能完成數(shù)據(jù)采集及控制、報(bào)警、圖形數(shù)據(jù)顯示等功能的完整工業(yè)自動(dòng)化軟件，該版本在WINDOWS或WINDOWSNT環(huán)境下運(yùn)行，采用了圖形用戶界面，相應(yīng)其內(nèi)部的圖形處理是基于第三代圖形技術(shù)。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用SINEC L2網(wǎng)，它把SIMATIC系列可編程序控制器以及工控機(jī)連成網(wǎng)絡(luò)。SNEC L2是令牌總線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)是雙絞線或光纜。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線連接器連到總線網(wǎng)上，在本系統(tǒng)中，三臺(tái)PLC之間以及與兩臺(tái)工控機(jī)之間都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該方案配置體現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即控制功能分散，操作管理集中?？刂乒δ芊稚⒁馕吨到y(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快和系統(tǒng)危險(xiǎn)分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置還具有冗余特性。

2 PLC及其程序設(shè)計(jì)

2.1 SIMATIC S5-115U硬件組成及編程概要

可編程序控制器SIMATIC S5-115U采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊式結(jié)構(gòu)，電源、CPU、各種I/O模件都插在一塊母板上，并可以根據(jù)不同的I/O點(diǎn)數(shù)增加擴(kuò)展母板，輸入、輸出模件和存儲(chǔ)器的精細(xì)分級(jí)，使得這種裝置具有較強(qiáng)的配置適應(yīng)能力;通過(guò)通訊處理器和局部網(wǎng)，可方便地實(shí)現(xiàn)PLC之間及與計(jì)算機(jī)的通訊。

SIMATIC S5-115U的編程語(yǔ)言是STEP5，有3種表達(dá)方法，即控制系統(tǒng)流程圖CSF，梯形圖LAD和語(yǔ)句表STL.其中語(yǔ)句表STL最接近于機(jī)器內(nèi)部的控制程序，功能也比前兩種方法豐富得多，因此在本系統(tǒng)實(shí)際編程應(yīng)用中全部采用語(yǔ)句表STL.

STEP5的最大特點(diǎn)是采用了結(jié)構(gòu)化編程方法，并提供大量標(biāo)準(zhǔn)功能塊如乘法功能塊FB242、通訊功能塊FB244等，使得編程工作大大簡(jiǎn)化，而且所編程序條理清晰，易于讀懂、修改和測(cè)試，這一優(yōu)點(diǎn)尤其在編制大型復(fù)雜程序時(shí)更能顯現(xiàn)出來(lái)。

要完成復(fù)雜任務(wù)，可以把整個(gè)程序分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的程序塊，STEP5有5種塊類型，即組織塊(OB)、程序塊(PB)、順序塊(SB)、功能塊(FB)和數(shù)據(jù)塊(DB)，其中組織塊(OB)用以管理用戶程序，形成了操作系統(tǒng)和控制程序之間的接口，所有其它類型塊在此被調(diào)用執(zhí)行。功能塊(FB)用于實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)用或者特別復(fù)雜的程序功能，這些功能塊可以是系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)功能塊的形式提供的，也可以由用戶自己編制。例如標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB242就可以實(shí)現(xiàn)16位二進(jìn)制乘法功能、FB244可以實(shí)現(xiàn)CPU與通訊處理器之間的數(shù)據(jù)傳送，用到這些功能時(shí)可以直接調(diào)用這些功能塊。

2.2 SIMATIC S5-115U大型程序的設(shè)計(jì)

以本系統(tǒng)#1補(bǔ)給水處理單元的控制程序?yàn)槔?，在組織塊OB1內(nèi)主要有下面幾條語(yǔ)句，完成各功能塊的無(wú)條件調(diào)用。

JU FB1 (定義PLC1向兩臺(tái)工控機(jī)傳送的數(shù)據(jù))

JU FB2 (定義兩臺(tái)工控機(jī)向PLC1傳送的數(shù)據(jù))

JU FB231 (完成PLC1與兩臺(tái)工控機(jī)之間通訊的基本設(shè)置)

JU FB232 (完成PLC1與PLC2、PLC3之間通訊的基本設(shè)置)

JU FB4 (實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及無(wú)擾切換功能)

JU FB3 (氣動(dòng)門(mén)及電動(dòng)門(mén)控制)

JU FB10 (實(shí)現(xiàn)模擬量處理功能)

JU FB11 (報(bào)警處理)

在FB1、FB2內(nèi)主要將需要通訊的數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入某數(shù)據(jù)塊如DB10的相應(yīng)位，由此才能與通訊處理器中的變量取得一致。在FB231中調(diào)用兩個(gè)STEP5 本身提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB244(發(fā)送數(shù)據(jù))、FB245(接收數(shù)據(jù))，再根據(jù)通訊處理器填寫(xiě)一些必要的參數(shù)如接口、作業(yè)號(hào)等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。在 FB232內(nèi)按照通訊處理器分配的數(shù)據(jù)位，定義3臺(tái)PLC之間需要傳送的數(shù)據(jù)。在FB4內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)工藝流程要求及操作規(guī)范，充分利用其它功能塊及I/O模塊傳送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制及無(wú)擾切換功能;針對(duì)多個(gè)被控對(duì)象相似的特點(diǎn)，分別編制了幾個(gè)有代表性的功能塊FB20、FB30、FB40，例如在 FB4內(nèi)多次調(diào)用了FB20以便解決PLC內(nèi)某程序步時(shí)間和工控機(jī)畫(huà)面顯示時(shí)間保持一致的問(wèn)題，而且FB20內(nèi)又調(diào)用了乘法功能塊FB244.FB3根據(jù) FB4發(fā)出的自動(dòng)程序步指令去控制氣動(dòng)門(mén)、電動(dòng)門(mén)及泵等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。FB10負(fù)責(zé)所有模擬量的處理，在此調(diào)用了開(kāi)方功能塊FB5.FB11根據(jù)FB10轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)模擬量進(jìn)行報(bào)警處理，在此一定要注意模擬量和PLC內(nèi)部數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證模擬量顯示和報(bào)警的準(zhǔn)確性。

3工控機(jī)監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)

工控機(jī)監(jiān)控管理軟件在FIX5.5軟件平臺(tái)下完成，F(xiàn)IX5?5是一個(gè)高精度模塊化的軟件系統(tǒng)，包括十幾種軟件模塊，在此主要介紹開(kāi)發(fā)本應(yīng)用軟件時(shí)所用到的幾種軟件模塊。

(1)系統(tǒng)配置模塊(SCU)：它主要完成網(wǎng)絡(luò)、I/O驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)及初始啟動(dòng)任務(wù)等配置。Intellution公司和第三方廠商為PLC、I/O卡編寫(xiě)了300多種I/O驅(qū)動(dòng)程序，如SIEMENS、OMRON、MODICON、ABB等公司產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序，并提供I/O驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包，供用戶開(kāi)發(fā)自己的I/O驅(qū)動(dòng)程序。

(2)數(shù)據(jù)掃描、報(bào)警和控制模塊(SAC)：它用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的掃描、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，報(bào)警條件判別及實(shí)現(xiàn)遙控輸出等功能，SAC將處理的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，或?qū)⑦b控輸出的數(shù)據(jù)送到I/O驅(qū)動(dòng)程序，以便實(shí)現(xiàn)遙控輸出功能。

(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊(DATABASE BUILDER)：它提供以交互方式建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和在線顯示/修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，它是系統(tǒng)運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)來(lái)源。用戶需要在此做很大一部分工作，最主要的是填寫(xiě)變量的標(biāo)簽名，從而將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量標(biāo)簽一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，以便在其它模塊中調(diào)用此數(shù)據(jù)。在填寫(xiě)變量標(biāo)簽名時(shí)既要講究規(guī)范性又要有技巧性，首先需要遵循FIX軟件的語(yǔ)法要求，其次按照一定的分類標(biāo)準(zhǔn)定義標(biāo)簽名，以便在以后的數(shù)據(jù)查詢及應(yīng)用中提高效率。

(4)繪圖模塊(DRAW)：FIX擁有一個(gè)直觀的、基于對(duì)象的圖形化用戶接口(GUI)，它簡(jiǎn)化了圖形開(kāi)發(fā)過(guò)程。為了建立畫(huà)面，可以用DRAW提供的工具箱(TOOL BOX)生成某些對(duì)象如閥門(mén)、泵、記錄表等，并定義其動(dòng)態(tài)特性，即對(duì)象基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)改變狀態(tài)、大小、顏色、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等，例如閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)、泵的轉(zhuǎn)或停，這些工作可以在一個(gè)對(duì)話框內(nèi)完成，主要是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量標(biāo)簽與相應(yīng)對(duì)象聯(lián)系起來(lái)，從而使對(duì)象狀態(tài)隨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)改變。為了減少圖形開(kāi)發(fā)時(shí)間，Intellution公司還提供了一個(gè)常用設(shè)備對(duì)象的圖形庫(kù)，其中有多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖形，可隨時(shí)粘貼到用戶畫(huà)面中，同時(shí)用戶可以把自己畫(huà)好的常用圖形保存到圖形庫(kù)中，以方便以后使用。

(5)顯示模塊(VIEW)：它的主要功能是動(dòng)態(tài)顯示由DRAW建立的畫(huà)面，可以在多幅畫(huà)面間切換、改變畫(huà)面形態(tài)、輸入數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等，這就是提供給用戶的實(shí)際操作畫(huà)面。

4系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有上位機(jī)監(jiān)控功能和模擬盤(pán)監(jiān)控功能，兩者互為熱備用方式并列運(yùn)行。在上位機(jī)畫(huà)面上設(shè)有上位機(jī)手動(dòng)、上位機(jī)自動(dòng)、上位機(jī)監(jiān)視3種工作方式，方式之間的切換是無(wú)擾動(dòng)的。

當(dāng)系統(tǒng)需要由模擬盤(pán)監(jiān)控時(shí)，上位機(jī)畫(huà)面選擇上位機(jī)監(jiān)視工作方式。此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)由模擬盤(pán)M/A轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定，M/A置手動(dòng)，可利用模擬盤(pán)按鍵在模擬盤(pán)上進(jìn)行一對(duì)一手動(dòng)操作。當(dāng)M/A置自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可由自動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)水處理的自動(dòng)控制。

當(dāng)系統(tǒng)需要由上位機(jī)監(jiān)控時(shí)，可在上位機(jī)畫(huà)面上選擇上位機(jī)手動(dòng)和上位機(jī)自動(dòng)功能。選擇上位機(jī)手動(dòng)時(shí)，可在上位機(jī)畫(huà)面上實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備的一對(duì)一手操。選擇上位機(jī)自動(dòng)時(shí)，可在上位機(jī)畫(huà)面上進(jìn)行自動(dòng)啟?？刂疲詣?dòng)控制程序與模擬盤(pán)自動(dòng)控制功能相同。

5結(jié)束語(yǔ)

在大中型生產(chǎn)系統(tǒng)中，單機(jī)使用可編程控制器的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，其與工控機(jī)的有機(jī)結(jié)合以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，大大提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制水平和管理水平，這是必然的趨勢(shì)。