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顺序设计法或步进梯形图设计的概念是在继电器控制系统中形成的，步进梯形图是用有触点的步进式选线器（或鼓形控制器）来实现的。但是由于触点的磨损和接触不良，工作很不可靠。上世纪70年代出现的控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成。因为其功能有限，可靠性不高，已经基本上被PC替代。可编程序控制器的设计者们继承了前者的思想，为控制程序的编制提供了大量通用和专用的编程元件和指令，开发了供编制步进控制程序用的功能表图语言，使这种先进的设计方法成为当前PC梯形图设计的主要方法。
    这种设计方法很容易被初学者接受。对于有经验的工程师，也会提高设计的效率。程序的调试、修改和阅读也很容易。
1、顺序功能图的设计步骤
    （1）首先根据系统的工作过程中状态的变化，将控制过程划分为若干个阶段。这些阶段称为步（Step）。步是根据PC输出量的状态划分的。只要系统的输出量的通/断状态发生了变化，系统就从原来的步进入新的步。在各步内，各输出量的状态应保持不变，如图1所示。

图1 状态步的划分
    （2）各相邻步之间的转换条件。转换条件使系统从当前步进入下一步。常见的转换条件有限位开关的通/断，定时器、计数器常开触点的接通等。转换条件也可能是若干个信号的与、或逻辑组合。
    （3）画出顺序功能图或列出状态表。
    （4）根据顺序功能图或状态表，采用某种编程方式，设计出系统的梯形图程序。
    顺序功能图又称为功能表图，它是一种描述顺序控制系统的图解表示方法，是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能说明性语言。它能形象、直观、完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。
    功能图主要由“状态”、“转移”及有向线段等元素组成。如果适当运用组成元素，就可得到控制系统的静态表示方法，再根据转移触发规则模拟系统的运行，就可以得到控制系统的动态过程。
2、步（状态）
    步也就是状态，是控制系统中一个相对不变的性质，对应于一个稳定的情形。可以将一个控制系统划分为被控系统和施控系统。例如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”（action），对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”(command)。步的符号如图2所示。矩形框中可写上该状态的编号或代码。
    (1)初始状态。初始状态是功能图运行的起点，一个控制系统至少要有一个初始状态。初始状态的图形符号为双线的矩形框，如图2(a)所示。在实际使用时，有时也是画单线矩形框，有时画一条横线表示功能图的开始。
    (2)工作状态。工作状态是控制系统正常运行时的状态，如图2(b)所示。根据系统是否运行，状态可分为动态和静态两种。动状态是指当前正在运行的状态，静状态是没有运行的状态。不管控制程序中包括多少个工作状态，在一个状态序列中同一时刻多只有一个工作状态在运行中，即该状态被激活。
    (3)与状态对应的动作。在每个稳定的状态下，可能会有相应的动作。动作的表示方法如图2(b)所示。

图2 顺序功能图基本符号
3、转移
    为了说明从一个状态到另一个状态的变化，要用转移概念，即用一个有向线段来表示转移的方向，连接前后两个状态。如果转移是从上向下的（或顺向的），则有向线段上的方向箭头可省略。两个状态之间的有向线段上再用一段横线表示这一转移。转移的符号如图2(c)所示。
    转移是一种条件，当此条件成立，称为转移使能。该转移如果能够使状态发生转移，则称为触发。一个转移能够触发必须满足：状态为动状态及转移使能。转移条件是指使系统从一个状态向另一个状态转移的必要条件，通常用文字、逻辑方程及符号来表示。  

 每台机组各配一套自控系统，两套zkzhf175机组配置西门子cpu-226+em235+2个em232+em277，四台zkzlfx100机组配置西门子cpu226+em235+em277，另两台zkzhf301机组配置西门子cpu-226+em223+em235+2个em232+ em277。每台机组需要与上位机相连。根据要求，将整个系统分为2部分：空调机组就地控制、集中控制部分。
2.1 空调机组就地控制部分

图1  空调机组就地控制部分

    如图1所示，空调机组就地控制部分在整个结构中智能的控制空调机组中各部件的运行/停止状态，通过它可以对每台独立的空调机组进行监控，当独立的机组与系统主站通讯出现故障时，可以通过该部分控制每台空调机组独立运行，但对空调的就地控制、操作有一定的权限限制。

图2  系统示意图

    在每台空调机组上装有控制柜(共8个)，控制柜中配有触摸屏、plc模块、模拟量输入/输出模块等。空调机组通过各种传感器采集房间的温度、湿度、压力等信号，并将具体信息显示到触摸屏上。通过该控制柜可以对空调机组的运行状态，故障情况进行监控，也可以对各种参数进行设定。
    plc配置：机组就地控制部分的plc采用西门子s7-200cn可编程控制器模块。该系列plc适用于各行各业、各种应用场合中的检测、监测及控制的自动化，在中央空调控制领域中得到广泛应用，其强大的功能、高度的可靠性、极高的性价比使其成为该项目合适的选择。
人机界面：采用西门子k-tp178- micro，通过点对点的连接完成和s7-200cn的结合，整个系统具有良好的稳定性和抗干扰性。ktp-178 micro触摸屏采用了可靠的电子部件，具有超长的使用寿命，并与高度可靠的西门子s7-200plc结合，能够满足空调系统的24小时不间断工作的要求。ktp-178 micro还具备了响应速度快、用户程序存储空间大、使用方便等优点。
2.2 集中控制部分
    如图2系统控制图所示，集控部分采用wincc作上位机监控系统，s7-300cpu做profibus主站，s7-200作为profibus从站，通过profibus-dp网络，s7-300cpu采集8台空调机组的过程数据信息并在上位机上显示，并且上位机下达任务通过s7-300cpu传送给各台使用s7-200cpu的空调机组。集中控制部分的硬件组态如图3所示。上位机配置包括监控计算机；wincc v6.0 sp3软件；cp5611通讯卡；网络连接器；profibus通讯电缆。
    监控系统采用西门子wincc监控软件，可以确保与simatic s7系列plc连接方便、通讯高效。该软件具有强大的画面组态、报警设置、数据归档、报表设计等功能，高性能的过程耦合，快速的画面更新及可靠的数据传递使其具有高度的适用性。同时wincc还提供了开放的界面用于用户解决方案，使其使用于更广泛、复杂的控制中。此外还集成了多种网络连接方式，使其与自动化连接更方便。

图3  s7-300硬件组态示意图

3  系统功能设计
3.1 就地控制功能
    (1) 数据采集及显示。采集各房间的温度、湿度、压力等模拟量值，以及cpu输入端的数字量，运行中的各种过程数据均能显示在触摸屏上，对于温湿度采用趋势图显示，更能使用户能直观的观测到近段时间内厂房的温湿度变化；同时现场维护人员还可以根据空调机组的运行状况和各种工艺需求近距离对机组进行操控。
    (2) 故障报警。当空调机组运行出现故障，plc立刻做出响应，同时触摸屏发出报警信号对操作人员进行提示，并对故障类别、发生时间进行记录。plc可以根据故障的类别发出停压缩机或停整机等信号，以保证整个空调机组的安全运行。
    (3) 自动控制。每台空调机组根据其所在房间温湿度的要求，自动调节制冷、加热、除湿、加湿，通过对各开关量及模拟量的控制，满足用户的精度要求。
3.2 集中监控功能
    如图4和图5所示为集中监控8台空调机组及其监控状态的示意图。

图4  集中监控8台空调机组    

                  
图5  集中监控空调机组的状态

    (1) 数据采集及显示。s7-300cpu通过profibus-dp网络自动采集和处理从各就地控制部分收集的实时数据，并与计算机进行通讯，将采集到的温度、湿度、各系统的输入/输出状态、各阀门的开度显示到上位机，同时将操作人员发出的命令传送给每台机组。
    (2) 实时故障报警。对各空调机组的就地控制部分、通讯网络等进行故障监控，及时发出报警信号，并发出相应的处理命令，同时对故障发生的时间、故障的类别进行记录，帮助整个系统的安全运行。
    (3) 历史故障查询。监控整个系统八台空调机组的运行情况，对每台机组的通讯故障、运行故障进行记录，方便操作人员在故障发生后的任何时间进行汇总查询。
    (4) 实时监控与调整。上位机可以对8台机组的状态进行监控并控制机组的启/停，也可以及时的修改各参数的设定值，对整个系统集中控制。
    (5) 数据归档。集中监控系统对整个系统的报警情况、对监控对象的操作情况及监控参数的变化情况进行监控，并将所需信息记录下来进行归档，形成中文报表显示在上位机并可以随时选择打印。
    (6) 提供帮助信息。对于系统的操作顺序，故障的处理方法，参数的设定范围等为用户提供提示信息，使操作更方便。

4  技术要点
4.1 pid算法的应用
    为了使空调系统的控制精度达到用户要求，我们采用s7-200cn支持的pid控制。pid是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法，micro/win 提供了pid指令向导，使得控制的实现更加方便快捷。根据设定温湿度与各室内实际温湿度的差值，按照pid算法计算出水阀、加湿器等的输出量，并且控制压缩机、加热起等执行机构的启停，从而实现温度、湿度达到用户要求精度。
4.2 s7-300与s7-200的通讯
    如图6所示，s7-300通过em277模块读取s7-200plc的数据，在s7-300的硬件组态中配置与s7-200的每个站的通讯量为32word输入/32word输出。以下以台空调机组为例，在s7-200站中从地址vw1064开始的32个字中存放着空调机组的运行数据，通过下面程序，传送到s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw64开始的32个字中。

图6  s7-300读取s7-200的数据

    数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字中存放着上位机控制空调机组的数据。通过下面程序，s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字传送给s7-200的地址vw1000开始的32个字。

图7  s7-300往s7-200写入数据

4.3 wincc图形参数和变量关联
    为了把系统中各部分的实时状态更直观的展现出来，将各运行系统以图形的方式展现出来，并且实现图形中的各组件根据实际情况发生变化。
    如图8所示，需完成功能为当回风机运行时颜色变为“绿色”，当它停止时，颜色变为“黄色”。

图8  wincc软件操作示意图

    (1) 将风机图片添加到“系统图”画面中；
    (2) 在风机图片上点右键，在属性中选择“控件属性”，在forecolor(前景色)处选择动态对话框，选择变量为相应的回风机的启动点地址，在有效范围处选择“置位”时颜色为绿色，“未置位”时颜色为黄色。

5  结束语
    系统于07年投入运行，运行状况良好，用户十分满意。整个控制系统操作简单，管理方便。各就地控制部分，运行稳定，满足用户精度的要求；集中监控系统使得整个系统控制更方便，管理更便捷。满足项目要求的高度的可靠性、稳定性、可操作性和可维护性， 给用户的安全生产提供了保障。通过该项目对西门子s7-200plc、s7-300plc和wincc等的综合应用，深感西门子plc编程软件结构化程序开发思想，具有编程灵活，高效，程序简单，易懂的技术特色，监控软件wincc功能强大、画面丰富、使用方便，在该项目的控制系统中起着重要作用。由西门子产品组成的控制系统功能强大，扩展模块丰富，组态灵活，同时具有极高的可靠性和稳定性，与同类产品相比，性价比极高。