西門子模塊6SL3120-2TE15-0AA4

SIMATIC S7-1200 PLC

S7-1200 系列是一款可編程邏輯控制器 (PLC, Programmable Logic Controller)，可以控制各種自動化應(yīng)用。 S7-1200 設(shè)計(jì)緊湊,、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集,，這些特點(diǎn)使它成為控制各種應(yīng)用的解決方案。S7-1200 型號和基于 Windows 的編程工具提供了解決自動化問題時(shí)需要的靈活性,。

SIMATIC S7-1200 PLC 與新型 SIMATIC HMI 的匹配確保自動化任務(wù)特別高效,、易于開發(fā)和調(diào)試。

TIA PORTAL用于 SIMATIC S7-1200 的工程系統(tǒng),，具有直觀的處理特性,。

SIMATIC S7-1200 的硬件組成

SIMATIC S7-1200 是 SIMATIC S7 可編程控制器系列中的新型模塊化微型 PLC，其組成為：

• 控制器,，帶有集成 PROFINET 接口,，用于編程設(shè)備、HMI 或其它 SIMATIC 控制器之間通信
   

• 信號板,，可直接插入到控制器 
   

• 信號模塊,，用于擴(kuò)展控制器輸入和輸出通道 
   

• 通信模塊，用于擴(kuò)展控制器通信接口 
   

• 附件,，如電源,、開關(guān)模塊,、電池板或 SIMATIC 存儲卡

SIMATIC S7-1200 的特性

下面列出的是 SIMATIC S7-1200 的顯著特性概述：

• 集成的Profinet接口 
   

• 以寬幅 AC 或 DC 電源形式集成的電源 (85 - 264 V AC 或 24 V DC) 
   

• 集成數(shù)字量輸出 24V DC 或繼電器 
   

• 集成 24V DC 數(shù)字量輸入 
   

• 集成模擬量輸入 0-10V 
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的脈沖序列輸出 (PTO)
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的高速計(jì)數(shù)器 (HSC)
   

• 通過連接附加通信模塊 (如：RS 485 或 RS232) 實(shí)現(xiàn)了模塊化和可裁剪性 
   

• 通過信號板直接在 CPU 上擴(kuò)展模擬量或數(shù)字量信號實(shí)現(xiàn)了模塊化和可裁剪性 (同時(shí)保持 CPU 原有空間) 
   

• 通過信號模塊的大量模擬量和數(shù)字量輸入和輸出信號實(shí)現(xiàn)模塊化和可裁剪性 (CPU 1211C 除外)
   

• 可選的存儲器 (SIMATIC 存儲卡)
   

• PLCopen 運(yùn)動控制,，用于簡單的運(yùn)動控制 
   

• 帶自整定功能的 PID 控制器 
   

• 集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘 
   

• 密碼保護(hù)
   

• 時(shí)間中斷
   

• 硬件中斷
   

• 庫功能
   

• 在線 / 離線診斷 
   

• 所有模塊上的端子都可拆卸

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 計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用

近年來，國際市場上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈,。與國外同類產(chǎn)品相比,，我國的石化產(chǎn)品無論在生產(chǎn)工藝上，還是產(chǎn)品質(zhì)量上,，都存在著相當(dāng)大的差距,。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴(yán)重滯后的局面，國內(nèi)石化行業(yè)的許多廠家已開始向產(chǎn)品的多樣化,、添加劑材料和配方的高科技化邁進(jìn),。我們應(yīng)有關(guān)廠家提出的技術(shù)要求，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜,、添加劑配比要求嚴(yán)格,、品種多樣、互換性差的特點(diǎn),，開發(fā)研制了計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)控制可靠、操作簡便,、開放性強(qiáng),、性能價(jià)格比高，在國內(nèi)石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用后，受到好評,。

一,、系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)二部分組成(如圖1)。生產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型機(jī),、適配器,、PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場儀表等部分組成,。非生產(chǎn)系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏,、電視監(jiān)視設(shè)備、現(xiàn)場通話設(shè)備,、質(zhì)量檢查系統(tǒng),、管理信息系統(tǒng)等部分組成。中央控制室負(fù)責(zé)處理來自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息,。通過計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng),，將潤滑油廠的各生產(chǎn)車間、附屬部門以及總廠廠部聯(lián)成了密不可分的整體,，從而最大限度地利用了信息資源,。

圖1  計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)的組成

二、系統(tǒng)功能

為滿足用戶提出的技術(shù)要求和現(xiàn)場的工況,，此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下功能：

1,、根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求，按照添加劑配方的比例精確地配制生產(chǎn)各種型號的石化產(chǎn)品,，并且通過微型機(jī)和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的自動化,。

2、通過自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件,，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控,。良好的人機(jī)界面、清晰的組態(tài)圖形,，使得操作人員通過計(jì)算機(jī)屏幕,，對于現(xiàn)場的各種工況變化一目了然。

3,、在現(xiàn)場生產(chǎn)中,，為提高整個(gè)控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器,、電動機(jī),、電動閥、電磁閥等設(shè)備上均設(shè)計(jì)了局部反饋功能,，這些相互獨(dú)立系統(tǒng)的局部反饋功能構(gòu)成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持,。

4,、當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報(bào)警或油面報(bào)警時(shí)，一方面通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動停車,，另一方面借助于語音卡,，在控制間的操作人員可以立即聽到報(bào)警信號，及時(shí)采取相應(yīng)措施,。

5,、考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處,，技術(shù)人員不宜靠近,，在現(xiàn)場設(shè)置了電視監(jiān)視設(shè)備，讓技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,。為便于管理,，還安裝了現(xiàn)場通話設(shè)備。

6,、在中央控制室設(shè)置了1個(gè)大屏幕模擬顯示屏,，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態(tài)顯示油的液位,、流向,，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產(chǎn)狀況。

7,、通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng),，質(zhì)量檢查部門可以直接得到工業(yè)現(xiàn)場的信息，各管理部門之間也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享,。

三,、硬件與軟件設(shè)計(jì)

1,、硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中,，工業(yè)現(xiàn)場控制是核心，而工業(yè)現(xiàn)場控制主要由PLC系統(tǒng)完成,，所以如何合理有效地使用PLC技術(shù)就成了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。PLC的特點(diǎn)是控制可靠，編程簡單,，但程序內(nèi)存不大,，不能進(jìn)行復(fù)雜的編程；而石化產(chǎn)品的特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜,，產(chǎn)品型號繁多,，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品。這就形成了一對矛盾,。如果設(shè)計(jì)時(shí)采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng),，那么1條生產(chǎn)線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊,。投資巨大，而且按照現(xiàn)代控制理論,，在1個(gè)控制系統(tǒng)中配置的控制模塊越多,，控制越不可靠。為了減少投資和增強(qiáng)控制的可靠性,，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新,。

以潤滑油生產(chǎn)線為例，在潤滑油生產(chǎn)車間,，有攪拌溫度,、添加劑溫度、輸油泵壓力,、油罐的液面等共計(jì)32路模擬信號需要檢測,。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)，需要8塊FX-4AD模塊,。為減少投資,，設(shè)計(jì)了多路開關(guān)切換電路，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能,。圖2為FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖,。

圖2　FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖

圖2中，F(xiàn)X-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊,，Y0,、Y1、Y2,、Y3為PLC的任意輸出觸點(diǎn),。FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換電路的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是通過1個(gè)多路開關(guān)控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測、添加劑溫度檢測,、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項(xiàng)功能,，其中多路開關(guān)的4個(gè)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn)，由PLC編程控制,。這個(gè)多路開關(guān)切換電路簡單實(shí)用,，而且節(jié)省了大量投資，實(shí)踐證明,，該電路在控制精度上*用戶的需要,。

2、軟件設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,，也采用了許多新的設(shè)計(jì)思想,。

仍以潤滑油生產(chǎn)車間為例，按照用戶提出的72種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求,，如果用常規(guī)方法編程,，需要12臺PLC基本模塊,。為節(jié)約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點(diǎn)),，用逐項(xiàng)查表的方法編寫了1個(gè)72種潤滑油的通用程序,，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴(kuò)展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實(shí)現(xiàn)的功能。

我們選用了三菱公司生產(chǎn)的FX系列的可編程序控制器,，文件寄存器共計(jì)2 000點(diǎn)(D1000～D2999),。為節(jié)約程序內(nèi)存，充分利用PLC本身提供的指令資源,，我們選用了字傳送方式,，用1個(gè)16bit的字來控制PLC觸點(diǎn)的16個(gè)輸出觸點(diǎn)，而不必像過去那樣,，1條指令只能控制1個(gè)輸出觸點(diǎn),。例如在圖3中，首先X0導(dǎo)通,，十進(jìn)制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0,，接著X1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)“0000　0000　0000　0110"送入K4Y0,，控制輸出Y0～Y17共計(jì)16個(gè)觸點(diǎn)的動作,，其開關(guān)動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應(yīng)。如圖4所示,，“1"控制輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通,，“0"控制輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。在此例中,，Y1,、Y2觸點(diǎn)導(dǎo)通，其余輸出觸點(diǎn)關(guān)斷,。

圖3  字傳送方式控制輸出觸點(diǎn)示意圖

圖4  數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個(gè)觸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

通過字傳送方式,，我們用1條指令就可控制16個(gè)電動閥及輸油泵的動作，大大節(jié)省了程序空間,。在這種設(shè)計(jì)思想下,，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫,，然后輸入文件寄存器,，并在此基礎(chǔ)上，編制了72種潤滑油的通用程序,。在通用程序運(yùn)行時(shí),，根據(jù)某一潤滑油的型號，通過查表的方式,，在文件寄存器中調(diào)出對應(yīng)的數(shù)據(jù)段(這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤滑油的工藝流程),，然后該數(shù)據(jù)自動輸入PLC的控制程序,，使得PLC按照規(guī)定的工藝流程控制整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如圖5所示之例,，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態(tài)字存于文件寄存器D1050～D1060 10個(gè)字節(jié)中,。程序運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)潤滑油型號在文件寄存器中尋址,，查到正確的地址后,，調(diào)出D1050～D1060 10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后輸入到通用程序的相應(yīng)寄存器,，參與工業(yè)控制,。

圖5  文件寄存器示意圖

四、計(jì)算機(jī)與PLC的通信技術(shù)

在計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)中,，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題是計(jì)算機(jī)與PLC的通信,。若在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中全部采用進(jìn)口器件，軟件也選用相應(yīng)的進(jìn)口產(chǎn)品,，那么,，整個(gè)工程造價(jià)驚人。針對這種情況,，我們自行開發(fā)了計(jì)算機(jī)與PLC的串行通信技術(shù),。該技術(shù)設(shè)計(jì)思想*，軟硬件簡單實(shí)用,，可靠性高,，性能價(jià)格比好，兼容性強(qiáng),，可適用于市場上多種型號的計(jì)算機(jī)與PLC,。

從硬件上講，現(xiàn)在中國市場上使用的PLC,，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口,；而微型機(jī)多采用RS232接口。這樣在計(jì)算機(jī)與PLC通信時(shí)就不可避免地要選用RS422-RS232轉(zhuǎn)換模塊,，同時(shí)考慮到惡劣工況下的抗干擾要求,，這個(gè)轉(zhuǎn)換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能，而選用高性能進(jìn)口模塊,，必定提高工程造價(jià),。

針對這種情況，為降低工程造價(jià),，我們在硬件上用1根普通的通信電纜代替進(jìn)口的通信模塊,，在電纜的接口處采用*的電路設(shè)計(jì)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，以完成信號的隔離和放大功能,。實(shí)踐證明,，通信的可靠性*可以和國外的進(jìn)口模塊媲美,，而且造價(jià)極低。

從軟件上講,，計(jì)算機(jī)和PLC的通信技術(shù)屬于保密技術(shù),，長期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠家生產(chǎn)的PLC,，就必須選用它開發(fā)的工控軟件,，提高工程造價(jià)。針對這種情況,，我們開發(fā)了自己的工控軟件,。下面以三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設(shè)計(jì),。FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示,。

表1　FX系列可編程序控制器的命令格式

每一個(gè)字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6,。

圖6  字符傳輸格式

例如,，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。

圖7  字符“F"的傳輸格式

一般文本數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8,。

圖8  文件數(shù)據(jù)傳輸格式

圖8中,，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H,；ETX為文本的結(jié)束,，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符,，取‘0’,、‘1’、‘7’,、‘8’,。

在STX之后，被傳送數(shù)據(jù)的ASCII之和,，也被作為2個(gè)字符碼發(fā)送,。

例如，實(shí)現(xiàn)從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),，執(zhí)行傳輸格式如圖9,。

求和：

30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H＝74H

圖9  傳輸格式之例

通過改變命令號和地址號，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的讀,、寫,、強(qiáng)制開關(guān)等基本功能，用戶可以使用我們研制的通信軟件,，也可以在該軟件基礎(chǔ)上,，根據(jù)實(shí)際情況靈活地用C語言開發(fā)自己的通信程序，這正體現(xiàn)了該軟件的開放性特點(diǎn),。

五,、結(jié)束語

計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)采用了*的系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，投入運(yùn)行后,，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，尤其在PLC控制方面,，獨(dú)樹一幟,，以其控制功能和良好的性能價(jià)格比，贏得了用戶的廣泛贊譽(yù),。