西门子郑州PLC模块总代理

　1 引言

　　除盐水站作为莱钢银山型钢公司25MW发电工程的主要设施，担负着供应三台130t锅炉和四台150t除氧器用水的重要任务。从现场除盐水生产来看，自动化监控程度低，绝大部分的水泵是人工操作控制，在新的改造项目中需要在原先生产工艺上增加多介质、活性炭过滤器以及阴阳离子置换器等高新技术生产设备，所以更加需要对整个除盐水站进行自动化控制的改造，从而可以节约能源，降低工人劳动强度，大大提高生产水平。

　　2除盐水生产工艺简介

　　除盐水改造后的生产线主要设备有6个多介质和6个活性炭过滤器，超滤装置，反渗透装置，脱碳风机，阴离子和阳离子交换器，以及生水泵3台（1台变频），高压泵6台，4台除盐水泵（1台变频），反渗透出水泵3台（1台变频）等。生产工艺图见图1：

　　3 系统组成及软件设计

　　根据工艺的要求，莱钢银山型钢公司25MW发电工程除盐水站PLC控制系统采用一套西门子的SIMATIC的S7-4007-400挂ET200结构，由一个主站、三个从站和两个PC站（上位机）组成。用S7-400系列模块做主站，S7-300系列模块作从站，主站通过PROFIBUS总线电缆和接口模块与从站通讯，这样的构架既保证了PLC系统的先进性又为用户节省了成本。主站是由一个支持冗余的底板和S7-400系列电源模块、CPU模块、CP模块组成，模块支持热插拔。从站是ET200M分布式系统，是在工业现场经常使用的PROFIBUS DP现场总线上的从站，用于连接工业控制系统中的各种现场装置。


　　3.1 硬件配置

　　本系统是建立在S7-400控制器、DELL 的Pentium工控机平台之上的分布式系统。S7-400是模块化PLC系统，采用标准的以太网通讯，每个控制器可以控制64个回路，大的可处理131072个I/O点，其中模拟量I/O点数为168个，逻辑扫描率为1.25MB/S。S7-400与上位机采用工业以太网，通讯速率为100Mbps。系统主要硬件配置和I/O点数统计见表1和表2，系统配置结构见图2：

　　除盐水生产线自动化控制系统设计由两级网络组成，一级是过程控制级，二级是基础控制级。

　　级——过程控制。以S7-400PLC系统作为主要控制核心,由两台上位机、PLC控制单元加以太网卡等组成工业以太网，监控站利用组态软件WinCC实现对工作现场进行监督控制，中央处理器采用CPU416，I/O系统采用ET200M，通过ET200分布I/O通讯对流量、液位、pH值、出口压力等参数进行采集，上位机将实时数据库的数据送到服务器的关系数据库中，进行保存和数据处理。过程控制级通过工业以太网将上位机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，从而实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。

　　第二级——基础自动化。PROFIBUS-DP网络是网络集成的底层，主要是连接现场设备。主站S7-400 PLC通过PROFIBUS-DP网与从站通信，一方面主站将控制数据电机速度设定、温度、压力设定、接触器吸合及断开等发送到传动装置；另一方面传动装置的电机转速、传感器流量、温度、压力、接触器触点的通断等数据通过通信传送到主站PLC指定的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯，是计算机网络通讯向现场级的延伸。


　　3.2 软件设计

　　计算机操作系统采用bbbbbbs 2000 Professional 中文版本，上位机监控软件采用Wincc 6.0组态软件来实现。

　　3.2.1 操作系统软件bbbbbbs 2000 Professional中文版提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控系统。

　　3.2.2 Wincc 6.0监控软件实现了对整个系统的开关量、模拟量的采集和处理，并显示在监控画面上，在对多台重要水泵的控制中的物理量如电流、主回路运行、频率设定，有无故障等都实时显示在系统画面上，方便操作人员及时掌握系统的运行情况。

　　3.2.3 采用Step7 对西门子可编程序控制器进行配置、编程，它可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的六种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）进行编程。


　　4 系统功能实现

　　根据除盐水生产工艺，监控系统的功能主要是实现对工业新水的加药、过滤、超滤、反渗透技术、阴阳离子置换、酸碱作用等控制工序，大致可分为过滤系统、超滤系统、反渗透系统、阴阳离子置换系统、与酸或碱结合系统5个子系统

　4.1 画面显示功能:该画面通过wincc 6.0软件组态编辑实现动态模拟显示整个除盐水制备的过程。利用数据链接技术使得画面上的元件实现实时动态、闪烁、变色等功能,让画面上的工艺参数以数字、棒图的形式实时显示,并对故障进行实时诊断。

　　4.2 数据处理功能:对系统采集的各种类型信号,利用各种计算功能、数据变换功能等实现,模拟量信号有流量、压力、浓度及PH值,数字量信号有水泵的运行状态、故障和启/停信号.

　　4.3 系统操作功能:有自动和手动两种工作方式，正常运行时采用自动方式，故障和调试时采用手动方式。它由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的**控制，以达到期望值。

　　4.4报表功能与历史趋势功能:生产中的一些参数，需要及时打印，可形成报表。报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可手动任意时间打印。一些重要参数，我们对其进行历史数据存储，形成历史趋势，可以随时进行查看。

　　4.5报警记录功能：实时地发出所有发生故障的参数的声光报警，提醒值班人员采取相应的措施

　　5 主要生产设备的控制

　　生产设备的主要控制方式为自动/远程手动/机旁手动三种方式。

　　自动控制： 自动完成水泵变频启动的所有相关过程，压力传感器将水泵出口压力信号送至PLC，作为泵出口压力单闭环控制的反馈值（给定值根据实际工况设定），通过PLC对水泵出口压力信号变换和处理。为变频器提供频率给定，实现频率的自动调整.

　　远程手动：操作人员可根据现场设备运转状况，通过监控站进行单机设备操作，实现除盐水生产的控制工序，作为联锁调试用。

　　机旁手动：作为单机检修或现场调试用。


　　5.1 水泵的控制与联锁

　　因为除盐水的生产不是连续生产方式，并且其产水量经常根据锅炉系统的负荷调整进行调整，所以生产设备（水泵）的控制方式应该能够适应多种情况下的生产方式，如一用一备、两用一杯等不同工况。水泵控制程序流程图见图6：

　　以生水泵控制为例，生水泵组由三台泵及相应的出口阀门组成（其中的一个泵及阀作为备用），适合不同工况下的需要。控制方式分为机旁控制和远程控制两种。机旁控制是利用选择机旁的启动或停止按钮，通过PLC发出启动或停止信号运行或停止水泵；远程控制是操作人员在监控室根据画面上的启动或停止按钮进行点击操作，包括联动、单机、备用三种控制状态，三种状态可以任意的切换，不影响泵的运行状态。 在联锁状态下，当两台工作泵中的任意一台停运时，备用泵自动启动，停运的泵则作为备用泵。当生水泵出水管压力低于5.6 MPa时，进行次报警；当运行软水泵出口压力低于5.4 MPa时，进行第二次报警，同时备用泵及出口电动阀自动投入；泵事故跳闸后，泵出口电动阀自动关闭，当每台泵及泵出口电动阀均不能正常运行时，进行紧急报警。各控制及联锁可解列

ET200S支持多线连接的模块。具有多度种功能，拥有多个模块种类，例如：电机起动器，安全技术，功能模块，CPU，通讯模块等。可以安装知在危险区域。

ET200SP系统支持接线，运行中插拔模块，模块空缺运行，诊断功能等；采用直插式端子，节省了布线的空间，我们可以单手接线而不需要道使用工具。可以实现Profinet和Profibus DP两种通讯方式

PROFINET IM 155-6PN 基本型接口模块

IM 155-6PN BA 主要用于简单 PROFINET 应用，进行多 12 个模块（多 192 个 IO 信号）的中等站扩展，每个模块具有 32 字节（用于输入数据和输出数据）。除了PROFIsafe之外的所有I / O模块均可使用。因此，它是用于完成简单的机器与改装任务的经济解决方案。

IM 155-6PN 标准型接口模块 (PROFINET)

IM 155-6PN 标准型接口模块主要用于多 32 个模块（多 512 个 IO 信号）的平均站扩展的 标准 PROFINET 应用。所有 I/O 模块（包括 PROFIsafe 模块）都可以使用。另外，还可以使用 BA-Send/BU-Send，通过 SIMATIC ET 200AL 系列的多达 16 个 IP67 模块对站进行扩展。配有铜缆接口的所有 Simatic 总线适配器都可以使用。

IM 155-6PN 高性能型接口模块 (PROFINET)

IM 155-6PN 高性能型接口模块主要用于对功能需求较高且灵活的 PROFINET 应用，并用于多 64 个模块（多 1024 个 IO 信号）的大型站扩展。所有 I/O 模块（包括 PROFIsafe 模块）都可以使用。另外，还可以使用 BA-Send/BU-Send，通过 SIMATIC ET 200AL 系列的多达 16 个 IP67 模块对站进行扩展。

与其它接口模块不同的是，IM 155-6PN HF 支持以下附加功能：

使用具有光缆接口的总线适配器

数据量增加，输入和输出数据多 1440 字节，每个模块多 288 字节

单次热插拔（在运行过程中拔出和插入 I/O 模块而不会影响其余模块的通信）

S2 冗余

250 µs 等时同步模式

过采样

MSI/MSO

支持多达 4 个控制器的共享设备

每个模块多 4 个子插槽

IM 155-6PN 高速型接口模块主要用于响应时间极短的 PROFIBUS 应用。所有 I/O 模块（包括 PROFIsafe 模块）都可以使用

性能

指令处理速度更快, 取决于 CPU 型号、语言扩展和新的数据类型

由于背板总线速度显著提高，CPU 的响应时间缩短

功能强大的网络连接：
每个 CPU 均标配PROFINET IO IRT（2 端换机）标准接口。

集成技术

通过标准化的块 (PLCopen) 连接模拟驱动器和具有 PROFIdrive 功能的驱动器

支持速度控制轴和定位轴以及外部编码器，各轴之间可实现位置**的传动，凸轮/凸轮轨道和探头

追踪功能适用于所有 CPU 标签，既适用于实时诊断，也适用于偶发错误检测；还可通过 CPU的网页服务器来调用

全面的控制功能，例如，通过便于组态的块可自动优化控制参数实现控制质量

集成安全功能

通过密码进行知识保护，防止未经授权读取和修改程序块

通过复制保护，可绑定 SIMATIC 存储卡的程序块和序列号：只有在将配置的存储卡插到 CPU 中时，该程序块才可运行。

4-级 授权理念：
与 HMI 设备的通信也会受到限制。

操作保护：
控制器可以识别工程组态数据的更改和未授权传输。

设计与操作

显示概览信息：
例如，站名称，工厂标识符，位置名称，诊断信息，模块信息，显示设置。

SIMATIC IPC277E：性能优化的面板式 PC – 免维护，结构紧凑，带 7" 及以上显示屏

SIMATIC IPC277E 微型面板式 PC 是一种灵活的嵌入式工业 PC，带有坚固耐用的显示屏。

从技术上看，这种 PC 基于 IPC227E Nanobox PC，因而具有*的工业功能，适合在恶劣环境条件下灵活应用，无需进行维护。

该面板式 PC 的特点是配备现代接口，并且可以灵活选择显示屏。新的 Intel 双核和四核处理器可确保在完成可视化和控制任务时具备出色性能

可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为: ①上位机下发一次命令,启动顺序开出,plc 接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许同时出现两个开出同时接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。

　　设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时T1 脉冲信号回路,同时启动另一个计时器T2(T2< T1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较, 决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间T2 后,计数器加一和执行复位判断程序, 等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。

　　设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1 所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保M100 能够在T1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号, 是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。M103 为定时脉冲到来后宽度为T2 脉冲。

图1 定时脉冲信号程序和梯形图

　　在定时脉冲到来时, 通过数据比较程序, 由计数器R500 当前值和特殊指定值比较进行逻辑判断,决定是否接通中间继电器,再由该中间继电器决定控制特定的开出,并在自保持回路中串联一个M103 中间继电器触点状态,以控制开出维持的时间。数据比较驱动程序和梯形图如图2 所示。

图2 数据比较驱动程序和梯形图

　　执行一次开出后, 执行计时器计数和复位程序, 本文中使用M00400-M00404 分别控制第1 个到第5 个开出的执行, 每次执行开出后均进行计数器自加一, 并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈,结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3 所示。

图3 计数器计数和复位梯形图

　　通过以上控制逻辑的设计,实现启动顺序开出功能的实现, 并实现系统要求一次启动, 按照循序开出不重叠。

　　通过此逻辑的实现,可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑, 充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能,在不影响可编程控制器性能指标上,减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换, 提高上位机遥信的检测效率