西门子授权|变频器代理商|2023

1.引言

　　粘胶生产控制系统中重要的是对温度的控制，温度控制的好坏直接影响粘胶的质量，传统的控制系统都是基于继电器的手动控制系统，这种系统不仅控制性能不理想，在生产过程中操作人员必须全程监控、可靠性低，而且现场恶劣的生产条件给操作人员带来很大的精神压力。针对这种情况，本文描述了基于西门子公司S7-200系列PLC的生产自动化控制系统，论述了构建在这个控制系统上的监控软件，监控软件是用WinCC实现的。本文着重分析了控制系统的掉电保护功能、S7-200与WinCC的通讯、监控软件的参数下载功能以及变量记录功能。

2.控制系统及控制原理

　　控制系统中控制器由一个CPU及两个PLC模块组成：S7-200系列中的CPU224，一个热电阻输入模块EM231，一个模拟量输出模块EM232，三者通过自身所带的电缆直接相连。其中EM231接受来自反应炉里的温度传感器输入的信号，CPU224中的PID算法的运算结果通过模拟量输出模块EM232输出电流信号（模拟量）来控制电磁阀一的开度，同时它来单独输出一个开关量来控制电磁阀二的开和关，控制系统结构框图如图1所示：

图1 控制系统结构框图

　　控制过程中，电磁阀二的状态只有两种：全开和关。基本的控制思想是：当实际值与设定值相差超过+1.5℃时，CPU224输出一个开关量使电磁阀二完全打开，待温差降到在+1℃范围或者反应炉温度低于设定值时，电磁阀二关闭，CPU224中的PID调节器开始起作用，调节器输出控制电磁阀二的开度，使反应炉的温度稳定在要求的±1℃内。PID调节器起主要的控制作用，开关量电磁阀的设计是为了防止反应炉温度超过PID的可调节范围。

3.系统实现

　　3.1掉电保护

　　工厂所在地区偶尔会停电，反应炉备有一个发电机，若停电发电机立即启动，向反应炉及其控制系统继续供电，但其间会有大约4分钟的停电间隙，为了保持生产需要停电恢复后控制系统能按照停电前的状态继续控制反应炉，这里可以利用S7-200内置的掉电保护[1]机制，在编写粘胶生产控制程序时可以将程序状态以及一些重要的数据保存在EEPROM里，当供电恢复时，程序读取这些数据。具体做法是：在用STEP-7编写程序时，定义程序系统块中的掉电保护范围，将M存储区的前12个字节（MB0到MB11）定义为掉电保护，程序中将阶段标志，反应炉运行时间等数据（见表1）复制到这段存储区，这样即使在超级电容失效的情况下，备用发动机供电后，仍然可以将PLC恢复到掉电前的状态，使反应炉接着先前的工序生产。

　　表1 MB0-MB13存储区保存的内容

　　3.2 WinCC与S7-200的通讯

　　一般来说，可以通过WinCC、触摸屏、自由口通讯三种方式来监控S7-200。用触摸屏进行监控，可靠性高，不需要考虑通讯问题，设计容易，但是价格高，扩展性差;用自由口通讯，优点就是可以用任何编程工具来实现，投资低，缺点是可靠性低，而且需要占有PLC内部资源。对于该工厂而言，一方面要考虑经济因素，另一方面由于扩大生产的需要，扩展性很重要，因此本次项目选用WinCC作为监控软件的界面开发平台。

　　由于SIMATIC WinCC是采用了新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性，所以无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好的选择。但由于西门子公司S7-200系列PLC比监控组态软件WinCC推出晚，WinCC中没有集成S7-200系列PLC的通信驱动程序，因此需通过Profibus, OPC与S7-200通讯[2]。采用OPC方式简单，只需要有一个OPC Server，这可以通过S7-200 PC Access软件来实现;而采用Profibus方式，需要一个Profibus DP模块，一个通讯模块如CP5412，还需要Profibus电缆，整体成本远高于采用OPC方式，因此本次改造采用基于OPC的WinCC监控方式。

　　3.3 参数下载功能

　　该工厂需要生产不同品种的粘胶，每种粘胶的生产工艺不一样，并且每种粘胶的生产过程由若干个化学反应过程组成，这些化学反应需要的环境温度也各不相同。若把这些具体的温度值放在程序里，当生产工艺改变时，就必须修改程序，这就要求工厂的操作人员有较高的程序设计能力，同时系统的可维护性也低。另一方面，对于不同的生产工艺，控制器的PID参数不同，基于上面所述的原因，PID参数设定也应该从程序中分离。

　　参数下载是监控软件的一个重要功能，在下载过程中，WinCC与PLC通讯可能不正常，造成下载失败，这就需要一个纠错过程。解决的方法是，在监控界面里用户输入的只是WinCC中的一些内部变量，同时设计一些表格和曲线，它们用来显示OPC的客户端的变量（也即WinCC过程变量），当相对应的数据一致时，表示参数下载成功，一次典型失败下载如图2所示。

图2 参数下载

　　这里用户输入了3个温度保持阶段以及PID参数，但坐标轴上没有显示对应的温度，这就提示用户PLC和上位机通讯出了故障。

　　3.4 变量记录

　　WinCC的变量记录编辑器允许用户为其过程数据生成用户档案库，过程数据和档案库之间的联系是过程变量，通过变量记录，用户可以分析反应炉的数学模型，可以查看PID参数是否设置合理，这项功能对于作者所控制的反应炉而言尤为重要。粘胶生产所用的反应炉是一个大滞后的系统，对于大滞后的系统消除这种滞后影响非常重要，因此必须弄清它的惯性常数，借助于WinCC对设定温度，反应炉实际温度，水的流量这三个变量的归档数据，可以大大方便作者对反应炉的分析。另外WinCC里有种控件叫做在线趋势控件，利用该控件可以在终端机PC上实时地显示上述三个变量的曲线，对于参数调整很有帮助。记录变量可以通过WinCC的变量记录编辑器来完成。

设计

ET 200iSP 分布式 I/O 系统的主要部件：

端子扩展模块
安装在 S7‑300 导轨上；以用于连接电源、接口、电子器件、监测模块和备用模块并用于预布线

带适用于危险环境中的蓝色螺旋型或弹簧承载型端子

带适用于非危险环境中的黑色螺旋型端子

电源装置
1 个或 2 个（冗余）电源模块 PS，带用于 24 V DC 和 120/230 V AC 供电的正压外壳。

接口模块
1 个或 2 个（冗余）IM 152 接口模块，用于将站连接到 PROFIBUS DP

电子模块（2 个/4 个/8 个通道）：多 32 个（任何组合）

数字量电子模块 (DI，DO)

模拟量电子模块 (AI，AO)

安全型电子模块（F-DI、F-DO 和 F-AI）

看门狗模块

附件

占位模块，用于为任意电子模块预留插槽

端子模块（包含在 PROFIBUS 接口的端子模块的供货范围内）

带可打印标签带的标签纸

用于插槽编号的标签

装配

组装快速而简单：

将终端模板卡到 S7‑300 导轨上

使用弹簧型端子或螺钉型端子将过程信号电缆预接到端子模块上

插入电源、接口和电子模块，无需使用附加工具

扩展限制

在带 32 个电子模块的大组态中，站宽度为 107 cm。

每个站可用电子模块的大数目是有限的，具体取决于完成自动化任务所需的模块的电流消耗。但是，在不受限制的情况下，多可使用 16 个电子模板。

不锈钢外壳

如果将 ET 200iSP 在危险区域中使用，则必须将其安装在防爆外壳中，其防护等级至少为 IP54。在“不锈钢外壳”一节中介绍了防护等级为 IP65 的外壳。

出色的设计特色

可以不使用电子模块，事先安装和测试接线（独立接线）

借助机械和电子系统的隔离以及独立的过程连线，可以快速、轻松地更换电子模块

将电子模块插入到端子模块中时进行机械编码，可防止替换模块连接错误

可以在没有消防证书的情况下，对电源模板和电子模板进行热插拔