PLC與工控機應用分析

    1、系統組成

    某電廠化學水處理系統基礎設備具有良好的可控性，利用PLC和工業(yè)控制計算機對其進行實時監(jiān)控管理，系統基本組成如圖1所示。

    采用3臺西門子公司的SIMATIC S5—115U可編程序控制器控制現場的一次設備，程控系統分為3套，依次為＃1補給水處理單元、＃2補給水處理單元、＃3凝結水處理單元。

圖1 系統結構圖

    操作員站選用兩臺研華586工控機，軟件開發(fā)平臺選用美國Intellution公司的FIX5.5組態(tài)軟件。FIX5.5是一種能完成數據采集及控制、報警、圖形數據顯示等功能的完整工業(yè)自動化軟件，該版本在WINDOWS或WINDOWSNT環(huán)境下運行，采用了圖形用戶界面，相應其內部的圖形處理是基于第三代圖形技術。

    數據通信系統采用SINEC L2網，它把SIMATIC系列可編程序控制器以及工控機連成網絡。SNEC L2是令牌總線網，網絡傳輸介質是雙絞線或光纜。每個節(jié)點通過總線連接器連到總線網上，在本系統中，三臺PLC之間以及與兩臺工控機之間都實現了數據通訊。

    該方案配置體現了分散控制系統的優(yōu)點，即控制功能分散，操作管理集中�？刂乒δ芊稚⒁馕吨�系統實時響應快和系統危險分散，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及其程序設計

    2.1 SIMATIC S5-115U硬件組成及編程概要

    可編程序控制器SIMATIC S5-115U采用標準的模塊式結構，電源、CPU、各種I/O模件都插在一塊母板上，并可以根據不同的I/O點數增加擴展母板，輸入、輸出模件和存儲器的精細分級，使得這種裝置具有較強的配置適應能力；通過通訊處理器和局部網，可方便地實現PLC之間及與計算機的通訊。

    SIMATIC S5-115U的編程語言是STEP5，有3種表達方法，即控制系統流程圖CSF，梯形圖LAD和語句表STL。其中語句表STL最接近于機器內部的控制程序，功能也比前兩種方法豐富得多，因此在本系統實際編程應用中全部采用語句表STL。

    STEP5的最大特點是采用了結構化編程方法，并提供大量標準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化，而且所編程序條理清晰，易于讀懂、修改和測試，這一優(yōu)點尤其在編制大型復雜程序時更能顯現出來。

    要完成復雜任務，可以把整個程序分成一個個獨立的程序塊，STEP5有5種塊類型，即組織塊(OB)、程序塊(PB)、順序塊(SB)、功能塊(FB)和數據塊(DB)，其中組織塊(OB)用以管理用戶程序，形成了操作系統和控制程序之間的接口，所有其它類型塊在此被調用執(zhí)行。功能塊(FB)用于實現反復調用或者特別復雜的程序功能，這些功能塊可以是系統以標準功能塊的形式提供的，也可以由用戶自己編制。例如標準功能塊FB242就可以實現16位二進制乘法功能、FB244可以實現CPU與通訊處理器之間的數據傳送，用到這些功能時可以直接調用這些功能塊。

    2.2 SIMATIC S5-115U大型程序的設計

    以本系統＃1補給水處理單元的控制程序為例，在組織塊OB1內主要有下面幾條語句，完成各功能塊的無條件調用。

    JU   FB1     (定義PLC1向兩臺工控機傳送的數據)
    JU   FB2     (定義兩臺工控機向PLC1傳送的數據)
    JU   FB231   (完成PLC1與兩臺工控機之間通訊的基本設置)
    JU   FB232   (完成PLC1與PLC2、PLC3之間通訊的基本設置)
    JU   FB4     (實現自動控制及無擾切換功能)
    JU   FB3     (氣動門及電動門控制)
    JU   FB10    (實現模擬量處理功能)
    JU   FB11    (報警處理)

    在FB1、FB2內主要將需要通訊的數據分別寫入某數據塊如DB10的相應位，由此才能與通訊處理器中的變量取得一致。在FB231中調用兩個STEP5本身提供的標準功能塊FB244(發(fā)送數據)、FB245(接收數據)，再根據通訊處理器填寫一些必要的參數如接口、作業(yè)號等，從而實現數據通訊功能。在FB232內按照通訊處理器分配的數據位，定義3臺PLC之間需要傳送的數據。在FB4內根據生產工藝流程要求及操作規(guī)范，充分利用其它功能塊及I/O模塊傳送的數據，實現系統的自動控制及無擾切換功能；針對多個被控對象相似的特點，分別編制了幾個有代表性的功能塊FB20、FB30、FB40，例如在FB4內多次調用了FB20以便解決PLC內某程序步時間和工控機畫面顯示時間保持一致的問題，而且FB20內又調用了乘法功能塊FB244。FB3根據FB4發(fā)出的自動程序步指令去控制氣動門、電動門及泵等現場設備。FB10負責所有模擬量的處理，在此調用了開方功能塊FB5。FB11根據FB10轉換出來的數據，對模擬量進行報警處理，在此一定要注意模擬量和PLC內部數字量的對應關系，以保證模擬量顯示和報警的準確性。

    3、工控機監(jiān)控管理軟件的設計

    工控機監(jiān)控管理軟件在FIX5.5軟件平臺下完成，FIX5��5是一個高精度模塊化的軟件系統，包括十幾種軟件模塊，在此主要介紹開發(fā)本應用軟件時所用到的幾種軟件模塊。

    (1) 系統配置模塊(SCU)：它主要完成網絡、I/O驅動程序、數據庫名稱、系統啟動參數及初始啟動任務等配置。Intellution公司和第三方廠商為PLC、I/O卡編寫了300多種I/O驅動程序，如SIEMENS、OMRON、MODICON、ABB等公司產品的驅動程序，并提供I/O驅動程序開發(fā)工具包，供用戶開發(fā)自己的I/O驅動程序。

    (2) 數據掃描、報警和控制模塊(SAC)：它用來實現現場數據的掃描、信號調理、數據格式和數據類型的轉換，報警條件判別及實現遙控輸出等功能，SAC將處理的現場數據送入實時數據庫，或將遙控輸出的數據送到I/O驅動程序，以便實現遙控輸出功能。

    (3) 實時數據庫管理模塊(DATABASE BUILDER)：它提供以交互方式建立實時數據庫和在線顯示/修改實時數據庫的功能，它是系統運行的主要數據來源。用戶需要在此做很大一部分工作，最主要的是填寫變量的標簽名，從而將現場數據與數據庫中的變量標簽一一對應起來，以便在其它模塊中調用此數據。在填寫變量標簽名時既要講究規(guī)范性又要有技巧性，首先需要遵循FIX軟件的語法要求，其次按照一定的分類標準定義標簽名，以便在以后的數據查詢及應用中提高效率。

    (4) 繪圖模塊(DRAW)：FIX擁有一個直觀的、基于對象的圖形化用戶接口(GUI)，它簡化了圖形開發(fā)過程。為了建立畫面，可以用DRAW提供的工具箱(TOOL BOX)生成某些對象如閥門、泵、記錄表等，并定義其動態(tài)特性，即對象基于現場數據改變狀態(tài)、大小、顏色、產生旋轉、移動等，例如閥門的開或關、泵的轉或停，這些工作可以在一個對話框內完成，主要是將實時數據庫中的變量標簽與相應對象聯系起來，從而使對象狀態(tài)隨著現場數據改變。為了減少圖形開發(fā)時間，Intellution公司還提供了一個常用設備對象的圖形庫，其中有多種國際標準圖形，可隨時粘貼到用戶畫面中，同時用戶可以把自己畫好的常用圖形保存到圖形庫中，以方便以后使用。

    (5) 顯示模塊(VIEW)：它的主要功能是動態(tài)顯示由DRAW建立的畫面，可以在多幅畫面間切換、改變畫面形態(tài)、輸入數據、實現監(jiān)控等，這就是提供給用戶的實際操作畫面。

    4、系統功能

    系統具有上位機監(jiān)控功能和模擬盤監(jiān)控功能，兩者互為熱備用方式并列運行。在上位機畫面上設有上位機手動、上位機自動、上位機監(jiān)視3種工作方式，方式之間的切換是無擾動的。

    當系統需要由模擬盤監(jiān)控時，上位機畫面選擇上位機監(jiān)視工作方式。此時系統狀態(tài)由模擬盤M/A轉換開關狀態(tài)決定，M/A置手動，可利用模擬盤按鍵在模擬盤上進行一對一手動操作。當M/A置自動時，系統可由自動程序實現水處理的自動控制。

    當系統需要由上位機監(jiān)控時，可在上位機畫面上選擇上位機手動和上位機自動功能。選擇上位機手動時，可在上位機畫面上實現就地設備的一對一手操。選擇上位機自動時，可在上位機畫面上進行自動啟停控制，自動控制程序與模擬盤自動控制功能相同。

    5、結束語

    在大中型生產系統中，單機使用可編程控制器的時代已經過去，其與工控機的有機結合以及計算機網絡的應用，大大提高了生產現場的自動化控制水平和管理水平，這是必然的趨勢。