從工業(yè)控制方案來分析PLC與工控機

某電廠化學水處理系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)場的一次設備，程控系統(tǒng)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。

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(shù)據(jù)采集及控制、報警、圖形數(shù)據(jù)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(nèi)部的圖形處理是基于第三代圖形技術。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用SINEC L2網(wǎng)，它把SIMATIC系列可編程序控制器以及工控機連成網(wǎng)絡。SNEC L2是令牌總線網(wǎng)，網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)是雙絞線或光纜。每個節(jié)點通過總線連接器連到總線網(wǎng)上，在本系統(tǒng)中，三臺PLC之間以及與兩臺工控機之間都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)結構圖

該方案配置體現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)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到y(tǒng)實時響應快和系統(tǒng)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(jù)不同的I/O點數(shù)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(wǎng)，可方便地實現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)塊（DB），其中組織塊（OB）用以管理用戶程序，形成了操作系統(tǒng)和控制程序之間的接口，所有其它類型塊在此被調(diào)用執(zhí)行。功能塊（FB）用于實現(xiàn)反復調(diào)用或者特別復雜的程序功能，這些功能塊可以是系統(tǒng)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(xiàn)16位二進制乘法功能、FB244可以實現(xiàn)CPU與通訊處理器之間的數(shù)據(jù)傳送，用到這些功能時可以直接調(diào)用這些功能塊。

2.2 SIMATIC S5-115U大型程序的設計

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

JU FB1 （定義PLC1向兩臺工控機傳送的數(shù)據(jù)）

JU FB2 （定義兩臺工控機向PLC1傳送的數(shù)據(jù)）

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(xiàn)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(xiàn)模擬量處理功能）

JU FB11 （報警處理）

在FB1、FB2內(nèi)主要將需要通訊的數(shù)據(jù)分別寫入某數(shù)據(jù)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(diào)用兩個STEP5本身提供的標準功能塊FB244（發(fā)送數(shù)據(jù)）、FB245（接收數(shù)據(jù)），再根據(jù)通訊處理器填寫一些必要的參數(shù)如接口、作業(yè)號等，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。在FB232內(nèi)按照通訊處理器分配的數(shù)據(jù)位，定義3臺PLC之間需要傳送的數(shù)據(jù)。在FB4內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)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(nèi)多次調(diào)用了FB20以便解決PLC內(nèi)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(nèi)又調(diào)用了乘法功能塊FB244.FB3根據(jù)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(xiàn)場設備。FB10負責所有模擬量的處理，在此調(diào)用了開方功能塊FB5.FB11根據(jù)FB10轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)，對模擬量進行報警處理，在此一定要注意模擬量和PLC內(nèi)部數(shù)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，F(xiàn)IX55是一個高精度模塊化的軟件系統(tǒng)，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(tǒng)配置模塊（SCU）：它主要完成網(wǎng)絡、I/O驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)庫名稱、系統(tǒng)啟動參數(shù)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(qū)動程序，如SIEMENS、OMRON、MODICON、ABB等公司產(chǎn)品的驅(qū)動程序，并提供I/O驅(qū)動程序開發(fā)工具包，供用戶開發(fā)自己的I/O驅(qū)動程序。

（2）數(shù)據(jù)掃描、報警和控制模塊（SAC）：它用來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的掃描、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，報警條件判別及實現(xiàn)遙控輸出等功能，SAC將處理的現(xiàn)場數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫，或?qū)⑦b控輸出的數(shù)據(jù)送到I/O驅(qū)動程序，以便實現(xiàn)遙控輸出功能。

（3）實時數(shù)據(jù)庫管理模塊（DATABASE BUILDER）：它提供以交互方式建立實時數(shù)據(jù)庫和在線顯示/修改實時數(shù)據(jù)庫的功能，它是系統(tǒng)運行的主要數(shù)據(jù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的變量標簽一一對應起來，以便在其它模塊中調(diào)用此數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)改變狀態(tài)、大小、顏色、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、移動等，例如閥門的開或關、泵的轉(zhuǎn)或停，這些工作可以在一個對話框內(nèi)完成，主要是將實時數(shù)據(jù)庫中的變量標簽與相應對象聯(lián)系起來，從而使對象狀態(tài)隨著現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、實現(xiàn)監(jiān)控等，這就是提供給用戶的實際操作畫面。

4系統(tǒng)功能

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)狀態(tài)由模擬盤M/A轉(zhuǎn)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(tǒng)可由自動程序?qū)崿F(xiàn)水處理的自動控制。

當系統(tǒng)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(xiàn)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?？刂疲詣涌刂瞥绦蚺c模擬盤自動控制功能相同。

5結束語

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