1  引言

        PLC(Programmable Logical Controller)通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現(xiàn)代計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它有體積小、功能強、程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，維護方便等優(yōu)點，使它的應用越來越廣泛，已經被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一。PLC既能實現(xiàn)開關量信號的邏輯控制，又能實現(xiàn)與計算機等智能設備之間的通信，而且還具有較強的數(shù)據處理能力。當選配相應的模擬量I/O模塊后，就可以實現(xiàn)對生產現(xiàn)場模擬量I/O信號的處理和生產設備的連續(xù)控制。

2  系統(tǒng)結構

        筆者在北京卷煙廠和遵義卷煙廠的干冰膨脹煙絲系統(tǒng)中采用了分布式計算機控制系統(tǒng)，由西門子的SIMATIC系列PLC S7-4143DP、WinCC過程監(jiān)控軟件以及MP370作為人機界面操作站。系統(tǒng)下位機采用S7-4143DP型PLC構成雙機冗余控制系統(tǒng)。上位機采用WinCC開發(fā)監(jiān)控應用程序并構成冗余監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用授權的方式區(qū)別工程師和操作員，日常操作和系統(tǒng)維護的分離使系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。由下位機完成所有的系統(tǒng)控制程序，上位機完成工藝流程參數(shù)顯示、報警、統(tǒng)計、打印等功能。現(xiàn)場監(jiān)控采用MP370系列圖形化終端，該終端通過專用串口通信線或PROFIBUS-DP與PLC相連。該結構既利用了PLC的可靠性和抗干擾能力強等優(yōu)點，又利用了工業(yè)軟件豐富、顯示功能強和輸入方便等優(yōu)點，并且系統(tǒng)具在良好的可擴充性。對于惡劣環(huán)境也有較強的適應能力。網絡及硬件示意圖如圖1所示。

3  硬件設計

        它的硬件構成主要有PLC、分布式的ET200S工作站、P+F現(xiàn)場總線、網絡、操作員與工程師站組成。為了使系統(tǒng)具有高可靠性，硬件組成采用冗余設計，PLC選用S7-4143DP，分布式工作站ET200S直接掛接西門子饋電器，饋電器的輸入輸出點可直接通過接口與ET200S的IM151模塊進行通訊。在檢測元件較多的單臺設備上采用了P+F總線系統(tǒng)，可利用P+F總線模塊對接近開關、光電管的輸入、輸出信號進行采集，各模塊之間通過P+F總線電纜連接。兩塊CPU之間通過專用的MPI網絡實現(xiàn)CPU之間的冗余。CPU和分布式工作站ET200S以及P+F網關之間通過PROFIBUS-DP總線相連構成通訊網絡的冗余。CPU與操作員站、工程師站之間光纖連接，網絡由四塊光纖收發(fā)器與二條光纖構成，構成光纖的主環(huán)與副環(huán)，若主環(huán)某一點出現(xiàn)故障或斷線，則會立即啟動備用的副環(huán)，自動形成一個新的邏輯環(huán)路。上位機有工作站和服務器組成，監(jiān)視系統(tǒng)的運行情況。

圖1  系統(tǒng)結構示意圖

4  軟件設計

        (1)  PLC程序設計

        STEP7編程軟件基于Windows95/98WindowsNT/2000，是為S7-300/400 PLC配置和編程的標準軟件包。通過STEP7用戶可以進行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調試，在線診斷PLC硬件狀態(tài)，控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。STEP7的編程語言梯形邏輯圖、語句表、功能塊圖都集成在一個標準軟件包中，并且可以互相轉化，編寫簡便，易于掌握。

        (2)  WinCC監(jiān)控軟件

        WinCC是基于32位操作系統(tǒng)的面向對象的應用軟件，是一個較為實用且與SIMATIC產品無縫連接的組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)控制界面設計、硬件組態(tài)、標簽歸檔、報警歸檔、打印歸檔與用戶管理。另外WinCC擁有完備的工業(yè)圖形庫，如閥門、反應罐、模擬傳統(tǒng)顯示儀表、管道等，方便了工程師設計監(jiān)控系統(tǒng)的過程畫面。而且該軟件的WinCC冗余插件REDUNDANCY允許用戶同時運行兩臺并行的WinCC單用戶系統(tǒng)或服務器PC實現(xiàn)相互監(jiān)控。WinCC能夠在生產過程中危急情況的初發(fā)階段進行報告，這些信號既可以在屏幕上顯示出來，也可以通過聲卡用聲音表現(xiàn)出來。WinCC支持用幫助功能和操作指南來消除故障。某一WinCC工作站可專門用于過程控制以使那些重要的過程信息不被屏蔽。軟件輔助操作策略保護過程不會非法訪問，并提供用于工業(yè)環(huán)境中的無錯操作。如果有一臺服務器發(fā)生故障，第二臺服務器會接替并控制整個系統(tǒng)。當有故障的服務器恢復運行時，第二臺服務器自動地為重新啟動的服務器復制所有的過程變量和信息，并且重新控制整個網絡。在正常情況下，兩臺WinCC站保持并聯(lián)運行，也就是說每個站都有自己的過程連接和數(shù)據存檔，WinCC冗余插件保證兩個系統(tǒng)和用戶專用的存檔數(shù)據自動的相互匹配。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，筆者使用WinCC冗余插件實現(xiàn)了兩臺并聯(lián)運行服務器的冗余監(jiān)控。從而實現(xiàn)HMI對煙機的適應能力。

        (3)  現(xiàn)場操作站

        現(xiàn)場操作站采用MP 370產品，它通過串口或PROFIBUS-DP與PLC相連，該操作站的開發(fā)軟件為ProTool。MP370可用來直接訪問連接的PLC和外圍設備以讀、寫數(shù)值，不必將附加編程單元或PC連接至PLC，就可以方便地監(jiān)控、修改PLC程序操作數(shù)。并且SIMATIC HMI符號庫是一個包含來自生產領域圖形的綜合庫，該庫延伸了為項目產生大量畫面和逼真表現(xiàn)外表的可能性，畫面圖形包含大量的類別范圍，例如：閥、電機、罐狀集裝箱、傳送帶、工廠建筑物、3DISA符號、冷卻和加熱系統(tǒng)等。使用畫面的編輯器，在任何SIMATIC HMI符號庫中的對象可以插入到當前的畫面，并且根據自己的需要進行編輯，還可以制作配方畫面。該軟件完全基于面向對象操作的原則，與日常工作規(guī)程一致，容易理解。用戶可以充分發(fā)揮自己的想象力，使用軟件系統(tǒng)提供的點、直線、矩形、棒圖、趨勢曲線以及位圖等圖形元素以及文本、變量、軟鍵盤、消息等對象，并且創(chuàng)建自己的字體來設計自己監(jiān)控畫面，如圖2所示。創(chuàng)建完自己的畫面后，進行編譯，編輯器將其轉換為終端可以理解的形式，編譯成功后選擇Download將該文件通過串口或網絡聯(lián)接下載到終端。

圖2  監(jiān)控畫面

5  結語

    采用上述方案，筆者設計了北京卷煙廠和遵義卷煙廠的干冰膨脹煙絲系統(tǒng)，實際運行狀況表明：該方案具有明顯抗干擾能力，操作簡便易懂。從而使得裝置的安全性、可靠性得到了極大提高；對生產線的運行情況實時跟蹤，進行數(shù)據采樣，較大的提高了工廠的信息化程度，并取得了較好的經濟效益和社會效益。