張海濤， 李丙林， 徐 勇， 劉克平＊

（1.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.國網(wǎng)宜都市供電公司，湖北 宜昌 443300）

0 引 言

在煤炭傳輸過程中，需要頻繁地對(duì)斜膠帶進(jìn)行沖洗，沖洗時(shí)間的控制將直接影響到傳輸效率。在某煤礦選煤廠自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)中，下位機(jī)選用西門子S7－300PLC，微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，裝載了功能強(qiáng)大的WinCC組態(tài)軟件。系統(tǒng)中S7－300PLC與WinCC之間支持Profibus－DP通訊、MPI通訊、Profinet通訊，從實(shí)際工程的實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行考慮，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式，可以在WinCC監(jiān)控畫面上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控［1］。

1 方案論證

1.1 控制器的選擇

在本研究中下位機(jī)采用西門子S7－300PLC而不采用單片機(jī)的原因如下：

1）語言區(qū)別。目前PLC廣泛使用梯形圖、順序功能圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本，單片機(jī)應(yīng)用指令符號(hào)語言。單片機(jī)靠人腦按照控制要求編寫程序，而PLC可以先輸入控制要求，然后自動(dòng)生成實(shí)時(shí)控制程序，效率極高。

2）功能區(qū)別。PLC具有豐富的立即可用功能：開關(guān)量邏輯控制、閉環(huán)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)，包含大量的獨(dú)立定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，可直接與現(xiàn)場的實(shí)際設(shè)備相連接，開發(fā)有各種各樣的功能模塊供編程人員調(diào)用。單片機(jī)只是單一的處理器，如果不能用單片機(jī)開發(fā)出PLC，則只能作為專用控制器使用。

3）選用區(qū)別。當(dāng)使用數(shù)量少或控制邏輯比較繁瑣時(shí)，使用單片機(jī)開發(fā)專用控制器性價(jià)比較差，當(dāng)使用數(shù)量多、控制邏輯比較簡單、控制邏輯基本不變、通訊網(wǎng)絡(luò)單一時(shí)可以選用單片機(jī)專用控制器。

1.2 組態(tài)軟件的選擇

微型計(jì)算機(jī)作為其上位機(jī)，裝載了功能全面的WinCC組態(tài)軟件。中英文結(jié)合的工控組態(tài)軟件WinCC具有簡單靈活的可視化操作界面、良好的并行處理性能、豐富的多媒體畫面以及良好的可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。WinCC通過通信驅(qū)動(dòng)程序從可編程序控制器獲取通信數(shù)據(jù)，對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后，以圖形的方式形象地顯示在組態(tài)監(jiān)控畫面上，同時(shí)，根據(jù)組態(tài)要求以及操作員的指示將控制數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，并調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)。

2 系統(tǒng)介紹

自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)目前已投入使用，不僅提高了工作效率，也可保證可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了傳輸系統(tǒng)中斜膠帶的全自動(dòng)沖洗。系統(tǒng)控制要求如下：

1）該控制系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行方式。當(dāng)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，噴頭依次噴水2min，循環(huán)運(yùn)行；當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)噴頭進(jìn)行單獨(dú)控制。

2）畫面要有動(dòng)態(tài)效果，且由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)需有空間感。

3）有故障顯示報(bào)表并能對(duì)具體噴頭故障進(jìn)行打印。

4）應(yīng)有就地／集控狀態(tài)顯示，就地時(shí)集控不可控只顯示。

5）PLC程序和WinCC畫面需要設(shè)置權(quán)限保護(hù)。

6）應(yīng)配有日期和時(shí)鐘數(shù)字顯示窗口。

針對(duì)以上控制要求，該項(xiàng)目采用PLC與WinCC組態(tài)相結(jié)合技術(shù)，建立了自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)與設(shè)備的關(guān)系如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)關(guān)系示意圖

采用PLC構(gòu)建的電氣控制系統(tǒng)一方面與設(shè)備相連，完成設(shè)備運(yùn)行的所有控制信號(hào)采集、運(yùn)算處理和向設(shè)備輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，控制設(shè)備運(yùn)行；另一方面PLC同時(shí)將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)傳送到上位機(jī)，通過由組態(tài)軟件構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控［2］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 下位機(jī)

下位機(jī)采用西門子S7－300PLC，其構(gòu)建的電氣控制系統(tǒng)一方面與設(shè)備相連，完成設(shè)備運(yùn)行的所有控制信號(hào)采集、運(yùn)算處理和向設(shè)備輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，控制設(shè)備運(yùn)行；另一方面PLC同時(shí)將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)通過以太網(wǎng)的方式傳送給上位機(jī)，通過由WinCC組態(tài)軟件構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控［3］。

1）中央處理單元。中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，它用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器，在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時(shí)地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動(dòng)作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。

2）PLC控制程序。本系統(tǒng)中需有就地／集控狀態(tài)切換，就地時(shí)集控不可控。集控時(shí)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，當(dāng)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，噴頭依次噴水2min，循環(huán)運(yùn)行；當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)噴頭進(jìn)行單獨(dú)控制。

3.2 上位機(jī)

WinCC是一套基于Windows平臺(tái)的，用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控層，提供了監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，通過靈活的組態(tài)方式，可使用戶快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能?？梢栽谝慌_(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的查詢、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)［4］。

1）系統(tǒng)界面。為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由權(quán)限登錄界面、圖形編輯器界面、故障打印畫面、具體故障查詢畫面、運(yùn)行系統(tǒng)界面等組成。自動(dòng)沖洗監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 自動(dòng)沖洗監(jiān)控界面

2）密碼登陸與注銷。除了為登錄或注銷過程而組態(tài)的熱鍵之外，WinCC還提供了函數(shù)PWRTLogin（）用于密碼登錄，函數(shù)PWRTLogout（）來執(zhí)行密碼注銷。用于密碼登錄和注銷的函數(shù)是WinCC應(yīng)用程序函數(shù)。打開“用戶管理器”，新建用戶“family”，進(jìn)行用戶權(quán)限設(shè)定。登錄與注銷密碼設(shè)定如圖3所示。

圖3 登錄與注銷密碼設(shè)定

3）在WinCC里調(diào)用STEP7的變量。在WinCC里調(diào)用STEP7中變量的前提條件是WinCC項(xiàng)目文件必須集成在STEP7項(xiàng)目中。在建立新的STEP7項(xiàng)目后，選擇“InsertNew Object”，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)在STEP7項(xiàng)目文件里建立一個(gè)WinCC項(xiàng)目文件，可以通過在項(xiàng)目名稱上點(diǎn)擊右鍵，選擇“OpenObject”打開并編輯這個(gè)WinCC項(xiàng)目。同時(shí)，在STEP7項(xiàng)目文件中插入一個(gè)OS站，把它改名為已有的WinCC項(xiàng)目名稱，在STEP7項(xiàng)目里刪除因僅插入OS站而產(chǎn)生的WinCC項(xiàng)目文件，在項(xiàng)目復(fù)制器里用“Save as”把已有的WinCC項(xiàng)目文件存儲(chǔ)到STEP7項(xiàng)目路徑下。在WinCC里調(diào)用STEP7的變量如圖4所示。

圖4 在WinCC里調(diào)用STEP7的變量

3.3 Profinet通訊

控制系統(tǒng)中S7－300與WinCC之間的通訊可分為profibus DP通訊、MPI通訊、Profinet通訊［5］，從工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和性價(jià)比方面進(jìn)行考慮，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式。PLC與WinCC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信時(shí)網(wǎng)線必須是交叉連接。在硬件組態(tài)中設(shè)置CPU下的PN－IO屬性，要求PLC網(wǎng)絡(luò)地址與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址處于同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)；在WinCC中添加SIMATIC S7－300Protocol Suite.chn驅(qū)動(dòng)程序，打開連接參數(shù)對(duì)話框，將WinCC的連接地址設(shè)為PLC的網(wǎng)絡(luò)地址。添加新的驅(qū)動(dòng)程序如圖5所示［6－7］。

圖5 添加新的驅(qū)動(dòng)程序

4 結(jié) 語

實(shí)際使用證明，通過PLC與WinCC組態(tài)相結(jié)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)選煤廠斜膠帶走廊自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)，可以方便、安全、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)沖洗過程的監(jiān)控。PLC與WinCC之間采用Profinet通信，其通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性均可達(dá)到最優(yōu)化。基于該方案的自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)因其操作靈活、性能穩(wěn)定、維修方便而受到用戶好評(píng)。

［1］ 許洪華，楊春生.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］ 李丙林，宋殿斌，劉克平.PLC和觸摸屏在耐壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（4）：394－398.

［3］ 廖常初.S7－300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］ 李方圓.人機(jī)界面設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［5］ 甘永梅，劉曉娟，晁武杰，等.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］ 李丙林.正壓濃相氣力輸灰的PLC監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電氣時(shí)代，2011（11）：104－106.

［7］ 楊方興，岳劍鋒，王鋒，等.多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）：68－71.