辽宁西西门子PLC模块代理商

辽宁西西门子plc模块代理商

一、 概述

    近年来广播电视发射技术有了飞跃的发展，发射机朝着高效率、全固态化、智能化方向发展，新型发射机的控制系统多以单片机为核心构成，具有高度的智能化和可靠性。随着自动化技术的高速发展，plc的可靠性也是很高的，使得对发射机的操作做到无人值守已可以实现。 

    本文以我曾做的某电视台发射机房实时监控系统为例，介绍西门子plc在广电系统中的应用。系统采用1台西门子s7-300作为主站，5台s7-200作为从站，主站通过稳定的工业现场总线（profibus-dp）将从站采集的所有plc的数据传送给上位机画面，从而给工作人员的管理带来了方便。

二、 系统硬件

    该控制系统共需开关量输入93点，开关量输出35点，模拟量输入62点。为尽可能减少电磁干扰，根据发射机分布情况，系统共分一个主站和五个从站。选用西门子s7-300系列cpu315-2dp作为主工作站，s7-200系列cpu224加开关量输入输出模块em223和模拟量输入模块em231以及profibus-dp模块em277组成从工作站，并为每一个从站配置了一个td200文本操作显示面板用于本地实时显示发射机工作参数。在发射台监控室设置了两台装有西门子wincc组态软件的研华工控机。整个系统通过工业现场总线（profibus-dp）联接而成。系统网络结构见“系统原理图”。

    6台plc工作站完成底层的控制动作，包括：开关信号的采集，模拟信号的采集，以及由plc给发射机发出控制信号。选用一台s7-300是为了实现上位机冗余、底层plc cpu时钟校正、自动开关发射机数据存储和所有采集的数据的快速集中处理。

    2台上位机通过工业以太网（tip/ip），完成互相冗余；同时，通过总线将6台plc的数据全部采集上来，在画面上显示。冗余的上位机增强了整个系统的可靠性。

    由于发射台有着强磁场干扰和发射机的模拟量信号不在plc标准范围之内，在工作站plc与发射机之间使用了信号调理电路联接；信号调理电路的作用是将发射机的模拟量信号转化为标准的4-20ma模拟信号作为plc的输入，并且从电磁兼容的角度考虑，也保证了采集信号的准确。

三、 系统软件

    整个软件系统分为plc工作站应用软件和上位机人机界面组态软件两大部分。本系统中采用西门子公司的step7和microwin_3.2编程软件进行了plc工作站的应用软件编程，同时还采用了西门子公司的wincc组态软件进行了上位机人机界面的组态编程。

四、 系统功能

    本系统主要实现了下述功能：

    1. 自动监测发射机系统运行状态，实时监测、记录各参数量值（包括模拟量和开关量值）；对异常情况和参数越限进行记录报警；自动记录各机器开关机的时间及累计运行时间。

    2. 按各频率每周播出时间表，定时（或随时）开机、关机、倒机；

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    3. 报警功能：有故障，即时显示报警。本地采用语音声、光报警方式，并可根据故障程度自动开启备用发射机；

    4. 根据不同用户的权限实时控制发射机各种操作。

    5. 自动生成报表功能：可根据用户的要求，生成各类报表（如日报表、季报表、故障记录、维修记录、检修记录、指标记录、交接班记录等）。报表可根据需要进行定时或随机打印；

    6. 键盘功能

　　　　1） 可通过小键盘对前端机进行人工干预或修改某些参数；
　　　　2） 可修改开关机时间、当前时间、倒机时间；
　　　　3） 可通过键盘操作实现开机、关机、倒机等操作；
　　　　4） 为了避免频繁倒机，可屏蔽某一部发射机的使用。

    7. 遥控操作主要是对发射机的工作参数进行设置或直接控制发射机，主要的命令有：开机（包括高开、低开）、关机（包括高关、低关）、倒机、复位等。值班员通过这些功能，控制设备的工作状态。

    为了保证系统的安全有效运行，系统提供口令管理机制来限定值班员的操作权限和操作范围。值班员的权限由系统管理员设定。

    系统运行过程中的操作情况都被自动记录，包括值班员的编号、时间、命令等。系统可以对记录进行查询、检索，以便了解值班员对系统的操作

    8. 数据查询

　　　　1） 历史曲线：查询设备的模拟量，每五分钟取一点数据，画出昨天和的两条曲线。
　　　　2） 事件查询列出设备发生故障或越限这两种事件，并显示故障代码及含义，发生故障设备的数据、状态。

    9. 数据存储：

　　　　1） 一类是五分钟数据，它只包含模拟量，因为数据量较大，只需保存三个月，五分钟数据以曲线的方式显示；
　　　　2） 一类是例行数据（整点数据），包括模拟量、开关量，整点数据是各类报表的依据。
　　　　3） 另一类是故障数据，包含故障前后十秒内的所有数据。
　　　　4） 所有历史数据亦可存入光盘长期保存。

    10. 数据库的通用性和安全性

　　1） 历史数据存放在主服务器数据库中，在从服务器中建立该数据库的镜像备份，两者通过定时校验，发现问题及时自动恢复。

　　2） 对数据库的查阅、修改、删除设置不同级别的权限，以防数据库中的信息被破坏。

    11. mis系统（管理信息系统）是监控系统中的一部分，是一个小型的数据库，主要是对机房内的器材、图纸资料、技术档案进行统一的、规范的、科学的管理。mis系统具备一般数据库所具有的各种功能，包括对器材、图纸资料、指标记录、维修记录、交接班记录进行显示、查询、检索、统计、打印报表等功能。

    12. 远程访问采用网络操作系统、内置web server软件，利用web 信息发布技术，通过局办公网，为上级领导和相关职能部门提供有关的信息。

    为了保证系统的安全，减少系统入侵或人为破坏的可能性，应设置实时数据网关，使监控网能共享办公网资源，办公网不能直接访问监控网，只能按权限取得约定的实时信息。

五、 结束语

    西门子公司的s7-200系列和s7-300系列plc具有强大的指令，丰富的cpu类型和扩展模块，尤其是cpu模块内部集成了实时时钟，使其适合于广播发射机的自动控制应用。西门子公司提供的编程软件包和wincc组态软件，功能强大，使系统开发变的更容易

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。过去除盐水生产自动化监控程度低，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  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。生产工艺图如图1所示。

3  系统结构
    
    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s7-400主站外挂et200远程i/o模块从站结构，由一个主站、三个从站和两个pc站（上位机）组成。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。系统配置结构如图2所示。

    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。

    （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。

    （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）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

    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，系统监控主画面如图3所示。

图3  主工艺监控系统画面

4.1 画面显示功能

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    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

    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jingque控制，以达到期望值。

4.4 报表与历史趋势功能

    生产中的一些参数需要及时打印形成报表。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  控制设计

5.1 控制方式

    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。

    （1）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。

    （2）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。

    （3）机旁手动。作为单机检修或现场调试用。

5.2 水泵的控制与联锁

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    水泵控制程序流程如图4所示。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。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5.6mpa时，进行次报警；当运行软水泵出口压力低于5.4mpa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。

5.3 超滤装置的控制

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    超滤装置的运行主要是对5个电磁阀控制的阀门进行控制：进水阀、产水阀、反洗进水阀、正冲排水阀、反洗排水阀。这5个阀门的状态决定了超滤装置的工作状态：运行、备用、反洗。

    （1）运行。超滤在运行状态下，首先进行正冲操作，正冲完成后超滤装置的进口和出口电磁阀得电，进、出口阀门打开，超滤装置投入运行；

    （2）备用。超滤装置在备用状态下，超滤装置的进口和出口电磁阀失电，进、出口阀门关闭，超滤装置投入备用；

    （3）反洗。超滤反洗有两种方式，定时反洗和定压反洗。定时反洗是根据超滤运行的时间进行固定时间间隔的反洗，定压反洗是根据超滤装置的进出口压差进行反洗，当进出口压差达到一定数值则超滤装置也进行反洗。现在的超滤反洗一般采用定时反洗。

5.4 反渗透装置的控制

    反渗透工艺是一种在压力驱动下，借助半透膜的选择截留作
用，将溶液中的溶质与溶剂分闪的分离方法。在水处理工艺运用中，将水中无机离子、细菌、病毒、有机物及胶质等杂质去除，以获得高质量的水。系统对反渗透装置的控制有三种工作状态：运行、备用、冲洗。反渗透装置有3个由电磁阀控制的阀门，反洗进口阀、产水排放阀、浓水排放自动阀。

    （1）运行。当超滤水箱水位高于低液位，阻垢剂计量泵自动位，还原剂计量泵自动位，超滤/反渗透冲洗泵选择开关自动位，反渗透水箱的水位低于70%时，反渗透装置自动投用。

    （2）备用。当反渗透水箱的水位达到高液位，或者超滤水箱的水位低于低液位时，反渗透装置自动退出到备用状态，同时停高压泵。

    （3）反洗。当系统停运后，并且超滤不在反冲时，超滤/反渗透反洗泵自动开启，开启浓水阀，开始反洗。

6  先进技术应用

6.1 雷达式液位检测水箱

    现场水箱采用vegapuls雷达式液位计，主要对生水箱、超滤水箱、反渗透水箱和除盐水箱进行液位测量。液位计采用脉冲微波技术，可以在极短时间内对水箱内的液位进行jingque测量和控制。雷达液位计采用一体化设计，在测量时发出的电磁波能够穿过真空，不需要传输媒介，具有不受大气、蒸气、槽内挥发雾影响的特点。采用非接触式测量，不受槽内液体的密度、浓度等物理特性的影响。测量范围大，大的测量范围可达0～35m，可用于高温、高压的液位测量。参数设定方便，可用液位计上的简易操作键进行设定，也可用hart协议的手操器或装有vega visual operating软件的 pc机在远程或直接接在液位计的通信端进行设定，十分方便。

6.2 多级模糊控制算法

    反渗透水处理自动控制技术是一种高科技的水处理技术，在运行过程中实现自动运行和手动操作无扰动切换。系统引入控制脉冲数偏移量函数的多级模糊控制算法克服了普通模糊控制器连续变量模糊化为有限的离散值所造成的精度低的问题。加入后对清除稳态误差与稳态震颤现象的效果明显；加上多级自修正量化因子和比例因子，可明显提高系统快速性，且系数修改无复杂运算，便于在plc上实现。

6.3 水质在线神经网络检测

    水的污泥指数测定是一个非常有效的水质在线检测技术，通过测定原水，多介质过滤、活性碳过滤前后，离子交换前后等取样点的sdi（污染指数）值，可以有效的监控水处理系统运行，可以判断各个工艺步骤是否正常。sdi值越低，水质越干净.进水水质、水量时刻在变化，是一个复杂的、大滞后多变量参数的动态非线性系统。机理复杂，难于建模。采用rbf人工神经网络技术可以较好的实现在线实时地监测进水水质参数，rbf是三层结构：输入层、隐含层和单数输出层。在除盐水处理过程中，测量进水淤积指数sdi是重要的水质处理参数，输出层选sdi参数，输入量个数要与sdi输出有密切相关的参数变量，如ph值、电导率、碱度、反应时间，进水流量等,采用rbf神经网络的软测量技术，在实际应用中计算速度快，能够在线查看，更好的达到实时检测的目的。控制原理图见图5。

7  结束语

    除盐水项目于2006年底改造，通过过滤器、反渗透装置及阴阳离子器等阶段的调试，于2007年3月正式投入运行。运行后效果良好，目前生产稳定，日产合格水多可达2000吨，完全达到了预期的设计要求和生产目标。实践表明，该监控系统的投运，有效地提高了除盐水站的生产水平及供水机组的自保护功能，自动化控制程度的大大提高，也使得生产操作更加简便，工人劳动强度小，基本无环境污染和出水水质稳定，在降低能耗、高产稳产、安全生产、保护环境等方面发挥了重要作用

1  引言
  
    plc因为稳定可靠、结构紧凑、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面广、广泛的通用工业控制装置，成为现代工业自动化控制的主要支柱之一[1]。而单片机因为成本低廉，使用灵活，功能多样，在自动化领域应用及其广泛，往往在一个控制系统中可能会出现单片机和plc共存的情况，如果使二者互相联系，互相通信，具有非常重要的现实意义。

2  硬件以及通讯原理分析  
  
    西门子s7-200系列plc拥有rs-485串行口，所以要使mcs51单片机与s7-plc进行通讯，可以采用几种通讯方式。其中之一就是可以通过mcs-51的串行口与max485芯片相接，然后与s7-200 plc的rs-485口进行通讯，其硬件连接如图1所示。
  
    s7-200 plc是串行通讯方式为丰富的小型plc，支持多种通信协议，如点对点接口协议（ppi协议）、多点接口协议（mpi协议）和profibus协议以及自由通信协议等。其中自由通信协议又叫用户定义协议，利用自由端口模式，可以实现用户定义的通信协议，连接多种智能设备，使用起来非常方便，在第三方工程接入中取得了巨大的成功。
  
    在自由端口模式下，plc的串行通信接口由用户来控制，通过梯形图程序以及和单片机的汇编语言进行配合，来使用完成中断、字符接收中断、发送完成中断等，通信协议由用户完全控制。这时单片机处于主机状态，由单片机主动发送握手信号，plc接到信号后被动反馈信息即可。

3  通信系统设计

3.1 通信协议设计
  
    定义根据经验和有关参考资料，定义协议结构和参数。
  
    （1）通信波特率为9.6kbps，无校验，8个数据位，1个可编程位，1位起始位，1位停止位。
  
    （2）定义通信协议的数据流结构的格式为起始码、命令码、元件首址、字节数、数据块、bcc校验码和结束码。
  
    ● 起始码：表示单片机与plc开始发送数据，是数据流个字符，告诉plc开始进行通信了，可以用00h表示
    ● 命令码：表示单片机对plc的各种操作：
      40h：读取目标元件 i、q、v、m、sm、l、t、c等的数据或状态；
    41h：修改目标元件 i、q、v、m、sm、l、t、c等的数据或状态；
    42h：强制目标单元为on；
    43h：强制目标单元为off；
    ● 元件首址：表示plc内部的元件类型以及寄存器的地址（但不能表示一个位地址）。前两个字节表示寄存器类型，后两个字节表示寄存器号。00 00（h）：i寄存器区 01 00（h）：q寄存器区。02 00（h）：m寄存器区 08 00（h）：v寄存器区；
    ● 字节数：从元件首地址起，读取或写入plc元件的数据个数数据块：准备读取或者写入plc的数据或状态；
    ● bcc校验码：在传输过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲，此时的指令当然是错误的，为了侦测指令在传输过程中发生的错误，接收方必须对指令作进一步的确认工作，以防止错误的指令被执行，简单的方法就是使用校验码。bcc校验码的方法就是将要传送的字符串的ascii码以字节为单位作异或和，并将此异或和作为指令的一部分传送出去；同样地，接收方在接到指令后，以相同的方式对接收到的字符串作异或和，并与传送方所送过来的值作对比，若其值相等，则代表接收到的指令是正确的，反之则是错误的

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    ● 结束码：结束字符标志着指令的结束，在本例中被定义为ffh，不同的plc从站可以定义不同的结束字符以接收针对该plc的指令。

3.2 通信程序的实现
  
    （1）单片机端程序的实现。单片机在主程序中初始化，采用串行口工作方式3[2]，波特率为9.6kbps，采用单片机作为主机，向plc进行呼叫，定期读取数据或者写入数据，其程序流程图参见图2。 

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    （2）plc端程序流程图的实现。plc端作为从机，采用梯形图或者stl编程，主要是先设置通讯协议，然后按照协议把采集到的数据进行处理，再发送给主机单片机，其具体的程序流程图如图3所示。

4  结束语
  
    本文利用单片机与plc的串行通信方法，成功的应用于多个项目中，实际表明该方法简单可靠，成本低，而且易于扩充经济实用的其它功能，如a/d、d/a等功能，取得了较好的社会效益和经济效益。