西門子模塊6SL3120-2TE15-0AA4

SIMATIC S7-1200 PLC

S7-1200 系列是一款可編程邏輯控制器 (PLC, Programmable Logic Controller)，可以控制各種自動化應(yīng)用。 S7-1200 設(shè)計緊湊、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些特點(diǎn)使它成為控制各種應(yīng)用的解決方案。S7-1200 型號和基于 Windows 的編程工具提供了解決自動化問題時需要的靈活性。

SIMATIC S7-1200 PLC 與新型 SIMATIC HMI 的匹配確保自動化任務(wù)特別高效、易于開發(fā)和調(diào)試。

TIA PORTAL用于 SIMATIC S7-1200 的工程系統(tǒng)，具有直觀的處理特性。

SIMATIC S7-1200 的硬件組成

SIMATIC S7-1200 是 SIMATIC S7 可編程控制器系列中的新型模塊化微型 PLC，其組成為：

• 控制器，帶有集成 PROFINET 接口，用于編程設(shè)備、HMI 或其它 SIMATIC 控制器之間通信
   

• 信號板，可直接插入到控制器 
   

• 信號模塊，用于擴(kuò)展控制器輸入和輸出通道 
   

• 通信模塊，用于擴(kuò)展控制器通信接口 
   

• 附件，如電源、開關(guān)模塊、電池板或 SIMATIC 存儲卡

SIMATIC S7-1200 的特性

下面列出的是 SIMATIC S7-1200 的顯著特性概述：

• 集成的Profinet接口 
   

• 以寬幅 AC 或 DC 電源形式集成的電源 (85 - 264 V AC 或 24 V DC) 
   

• 集成數(shù)字量輸出 24V DC 或繼電器 
   

• 集成 24V DC 數(shù)字量輸入 
   

• 集成模擬量輸入 0-10V 
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的脈沖序列輸出 (PTO)
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出
   

• 頻率高達(dá) 100 kHz 的高速計數(shù)器 (HSC)
   

• 通過連接附加通信模塊 (如：RS 485 或 RS232) 實(shí)現(xiàn)了模塊化和可裁剪性 
   

• 通過信號板直接在 CPU 上擴(kuò)展模擬量或數(shù)字量信號實(shí)現(xiàn)了模塊化和可裁剪性 (同時保持 CPU 原有空間) 
   

• 通過信號模塊的大量模擬量和數(shù)字量輸入和輸出信號實(shí)現(xiàn)模塊化和可裁剪性 (CPU 1211C 除外)
   

• 可選的存儲器 (SIMATIC 存儲卡)
   

• PLCopen 運(yùn)動控制，用于簡單的運(yùn)動控制 
   

• 帶自整定功能的 PID 控制器 
   

• 集成實(shí)時時鐘 
   

• 密碼保護(hù)
   

• 時間中斷
   

• 硬件中斷
   

• 庫功能
   

• 在線 / 離線診斷 
   

• 所有模塊上的端子都可拆卸

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 計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用

近年來，國際市場上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈。與國外同類產(chǎn)品相比，我國的石化產(chǎn)品無論在生產(chǎn)工藝上，還是產(chǎn)品質(zhì)量上，都存在著相當(dāng)大的差距。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴(yán)重滯后的局面，國內(nèi)石化行業(yè)的許多廠家已開始向產(chǎn)品的多樣化、添加劑材料和配方的高科技化邁進(jìn)。我們應(yīng)有關(guān)廠家提出的技術(shù)要求，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜、添加劑配比要求嚴(yán)格、品種多樣、互換性差的特點(diǎn)，開發(fā)研制了計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制可靠、操作簡便、開放性強(qiáng)、性能價格比高，在國內(nèi)石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用后，受到好評。

一、系統(tǒng)組成

計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)二部分組成(如圖1)。生產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型機(jī)、適配器、PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場儀表等部分組成。非生產(chǎn)系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏、電視監(jiān)視設(shè)備、現(xiàn)場通話設(shè)備、質(zhì)量檢查系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等部分組成。中央控制室負(fù)責(zé)處理來自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息。通過計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)，將潤滑油廠的各生產(chǎn)車間、附屬部門以及總廠廠部聯(lián)成了密不可分的整體，從而最大限度地利用了信息資源。

圖1  計算機(jī)集成控制系統(tǒng)的組成

二、系統(tǒng)功能

為滿足用戶提出的技術(shù)要求和現(xiàn)場的工況，此控制系統(tǒng)的設(shè)計具有以下功能：

1、根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求，按照添加劑配方的比例精確地配制生產(chǎn)各種型號的石化產(chǎn)品，并且通過微型機(jī)和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化。

2、通過自行開發(fā)的計算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控。良好的人機(jī)界面、清晰的組態(tài)圖形，使得操作人員通過計算機(jī)屏幕，對于現(xiàn)場的各種工況變化一目了然。

3、在現(xiàn)場生產(chǎn)中，為提高整個控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器、電動機(jī)、電動閥、電磁閥等設(shè)備上均設(shè)計了局部反饋功能，這些相互獨(dú)立系統(tǒng)的局部反饋功能構(gòu)成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持。

4、當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報警或油面報警時，一方面通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動停車，另一方面借助于語音卡，在控制間的操作人員可以立即聽到報警信號，及時采取相應(yīng)措施。

5、考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處，技術(shù)人員不宜靠近，在現(xiàn)場設(shè)置了電視監(jiān)視設(shè)備，讓技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。為便于管理，還安裝了現(xiàn)場通話設(shè)備。

6、在中央控制室設(shè)置了1個大屏幕模擬顯示屏，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態(tài)顯示油的液位、流向，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產(chǎn)狀況。

7、通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，質(zhì)量檢查部門可以直接得到工業(yè)現(xiàn)場的信息，各管理部門之間也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享。

三、硬件與軟件設(shè)計

1、硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場控制是核心，而工業(yè)現(xiàn)場控制主要由PLC系統(tǒng)完成，所以如何合理有效地使用PLC技術(shù)就成了設(shè)計的關(guān)鍵。PLC的特點(diǎn)是控制可靠，編程簡單，但程序內(nèi)存不大，不能進(jìn)行復(fù)雜的編程；而石化產(chǎn)品的特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)品型號繁多，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品。這就形成了一對矛盾。如果設(shè)計時采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng)，那么1條生產(chǎn)線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。投資巨大，而且按照現(xiàn)代控制理論，在1個控制系統(tǒng)中配置的控制模塊越多，控制越不可靠。為了減少投資和增強(qiáng)控制的可靠性，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進(jìn)行了多項創(chuàng)新。

以潤滑油生產(chǎn)線為例，在潤滑油生產(chǎn)車間，有攪拌溫度、添加劑溫度、輸油泵壓力、油罐的液面等共計32路模擬信號需要檢測。如果按常規(guī)設(shè)計，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資，設(shè)計了多路開關(guān)切換電路，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能。圖2為FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖。

圖2　FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖

圖2中，F(xiàn)X-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊，Y0、Y1、Y2、Y3為PLC的任意輸出觸點(diǎn)。FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換電路的設(shè)計實(shí)質(zhì)上是通過1個多路開關(guān)控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測、添加劑溫度檢測、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項功能，其中多路開關(guān)的4個轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn)，由PLC編程控制。這個多路開關(guān)切換電路簡單實(shí)用，而且節(jié)省了大量投資，實(shí)踐證明，該電路在控制精度上*用戶的需要。

2、軟件設(shè)計

在計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，也采用了許多新的設(shè)計思想。

仍以潤滑油生產(chǎn)車間為例，按照用戶提出的72種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求，如果用常規(guī)方法編程，需要12臺PLC基本模塊。為節(jié)約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點(diǎn))，用逐項查表的方法編寫了1個72種潤滑油的通用程序，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴(kuò)展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實(shí)現(xiàn)的功能。

我們選用了三菱公司生產(chǎn)的FX系列的可編程序控制器，文件寄存器共計2 000點(diǎn)(D1000～D2999)。為節(jié)約程序內(nèi)存，充分利用PLC本身提供的指令資源，我們選用了字傳送方式，用1個16bit的字來控制PLC觸點(diǎn)的16個輸出觸點(diǎn)，而不必像過去那樣，1條指令只能控制1個輸出觸點(diǎn)。例如在圖3中，首先X0導(dǎo)通，十進(jìn)制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0，接著X1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)“0000　0000　0000　0110"送入K4Y0，控制輸出Y0～Y17共計16個觸點(diǎn)的動作，其開關(guān)動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應(yīng)。如圖4所示，“1"控制輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通，“0"控制輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。在此例中，Y1、Y2觸點(diǎn)導(dǎo)通，其余輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。

圖3  字傳送方式控制輸出觸點(diǎn)示意圖

圖4  數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個觸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

通過字傳送方式，我們用1條指令就可控制16個電動閥及輸油泵的動作，大大節(jié)省了程序空間。在這種設(shè)計思想下，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫，然后輸入文件寄存器，并在此基礎(chǔ)上，編制了72種潤滑油的通用程序。在通用程序運(yùn)行時，根據(jù)某一潤滑油的型號，通過查表的方式，在文件寄存器中調(diào)出對應(yīng)的數(shù)據(jù)段(這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤滑油的工藝流程)，然后該數(shù)據(jù)自動輸入PLC的控制程序，使得PLC按照規(guī)定的工藝流程控制整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如圖5所示之例，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態(tài)字存于文件寄存器D1050～D1060 10個字節(jié)中。程序運(yùn)行時，首先根據(jù)潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調(diào)出D1050～D1060 10個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后輸入到通用程序的相應(yīng)寄存器，參與工業(yè)控制。

圖5  文件寄存器示意圖

四、計算機(jī)與PLC的通信技術(shù)

在計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)中，一個關(guān)鍵的技術(shù)問題是計算機(jī)與PLC的通信。若在整個系統(tǒng)設(shè)計中全部采用進(jìn)口器件，軟件也選用相應(yīng)的進(jìn)口產(chǎn)品，那么，整個工程造價驚人。針對這種情況，我們自行開發(fā)了計算機(jī)與PLC的串行通信技術(shù)。該技術(shù)設(shè)計思想*，軟硬件簡單實(shí)用，可靠性高，性能價格比好，兼容性強(qiáng)，可適用于市場上多種型號的計算機(jī)與PLC。

從硬件上講，現(xiàn)在中國市場上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口；而微型機(jī)多采用RS232接口。這樣在計算機(jī)與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉(zhuǎn)換模塊，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個轉(zhuǎn)換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能，而選用高性能進(jìn)口模塊，必定提高工程造價。

針對這種情況，為降低工程造價，我們在硬件上用1根普通的通信電纜代替進(jìn)口的通信模塊，在電纜的接口處采用*的電路設(shè)計技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，以完成信號的隔離和放大功能。實(shí)踐證明，通信的可靠性*可以和國外的進(jìn)口模塊媲美，而且造價極低。

從軟件上講，計算機(jī)和PLC的通信技術(shù)屬于保密技術(shù)，長期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠家生產(chǎn)的PLC，就必須選用它開發(fā)的工控軟件，提高工程造價。針對這種情況，我們開發(fā)了自己的工控軟件。下面以三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設(shè)計。FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示。

表1　FX系列可編程序控制器的命令格式

每一個字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6。

圖6  字符傳輸格式

例如，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。

圖7  字符“F"的傳輸格式

一般文本數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8。

圖8  文件數(shù)據(jù)傳輸格式

圖8中，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H；ETX為文本的結(jié)束，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。

在STX之后，被傳送數(shù)據(jù)的ASCII之和，也被作為2個字符碼發(fā)送。

例如，實(shí)現(xiàn)從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù)，執(zhí)行傳輸格式如圖9。

求和：

30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H＝74H

圖9  傳輸格式之例

通過改變命令號和地址號，就可以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間的讀、寫、強(qiáng)制開關(guān)等基本功能，用戶可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況靈活地用C語言開發(fā)自己的通信程序，這正體現(xiàn)了該軟件的開放性特點(diǎn)。

五、結(jié)束語

計算機(jī)集成控制系統(tǒng)采用了*的系統(tǒng)集成的設(shè)計思想，投入運(yùn)行后，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，尤其在PLC控制方面，獨(dú)樹一幟，以其控制功能和良好的性能價格比，贏得了用戶的廣泛贊譽(yù)。