黃偉

摘 要：工控組態(tài)軟件是近年來在自動控制領(lǐng)域興起的新型軟件開發(fā)技術(shù)，通過與下位機(jī)進(jìn)行通信可快速構(gòu)造上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，形成計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。文章以力控組態(tài)軟件為例，介紹西門子PLC在液體管路中的應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理，以及如何實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：西門子PLC；力控組態(tài)軟件；模擬量模塊；軟件濾波

1 引言

在當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中常采用以下兩種方式對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控：（1）采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，主要硬件設(shè)備包括計(jì)算機(jī)，采集卡和控制卡，采集卡負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)通過采集卡對現(xiàn)場采集過來的信號進(jìn)行處理顯示，再通過控制卡輸出相應(yīng)的信號對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，由于采集卡主要采集數(shù)字量信號，模擬量采集通道較少，且抗干擾能力較差，不適宜遠(yuǎn)程監(jiān)控；（2）采用PLC直接對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，而計(jì)算機(jī)只起輔助作用，PLC具有通信簡單、編程指令系統(tǒng)豐富、數(shù)據(jù)處理功能及抗干擾能力強(qiáng)、能建立現(xiàn)場子站，拓展性高，適宜遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。文章就以PLC控制為主，計(jì)算機(jī)監(jiān)控為輔簡單介紹在液體管路上的應(yīng)用。

2 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 PLC系統(tǒng)的組成

液體管路監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：計(jì)算機(jī)，PLC，模擬量輸出輸入模塊，數(shù)字量輸入輸出模塊等。模擬量和數(shù)字量模塊負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集及控制信號的輸出，而PLC作為核心處理器，負(fù)責(zé)對采集的信號進(jìn)行處理，并可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

假設(shè)液體管路系統(tǒng)有四個(gè)不同大小的管路組成，每個(gè)管路中分別裝有差壓計(jì)，流量計(jì)，電動閥門和溫度傳感器，并以電流信號兩線制形式輸出，同時(shí)可用電壓信號控制閥門開度。

根據(jù)上述傳感器信號，進(jìn)行如圖1所示設(shè)計(jì)。

其中PLC采用S7-200-CPU226系列，I/O點(diǎn)數(shù)為40（輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)16），負(fù)責(zé)管路動力設(shè)備（水泵）的啟停及報(bào)警輸出；模擬量輸入模塊為EM231，4個(gè)模擬量通道輸入，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場四個(gè)管路上的壓力，流量，溫度，電動閥門開度進(jìn)行信號采集，其中撥位開關(guān)SW1=0N，SW2=ON，SW3=OFF表示只采集0-5V或0-20mA范圍的模擬量信號；模擬量輸出模塊為EM232，負(fù)責(zé)對電動閥門進(jìn)行控制，各個(gè)模塊之間按順序通過內(nèi)部電纜進(jìn)行連接。

2.3 數(shù)據(jù)的采集與處理

2.3.1 數(shù)據(jù)的采集

EM231的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度是12位，相對于16位的信號存儲，分辨率為8，同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間<250μs，模擬輸入階躍響應(yīng)1.5ms到95%，足以滿足常規(guī)采樣要求，而且采集的模擬量信號都是經(jīng)過二次線性儀表后輸出的值，與其過程參數(shù)已是線性關(guān)系，可直接進(jìn)行采集，通過程序設(shè)計(jì)對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，減少CPU不必要的負(fù)擔(dān)，同時(shí)模塊的入口設(shè)有模擬RC濾波器，能有效地抑制高頻干擾，但對低頻干擾濾波效果不佳，有時(shí)需利用編程程序?qū)π盘栠M(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字濾波。

2.3.2 PLC軟件濾波

EM231其四個(gè)模擬量輸入信道：A+、A-；B+、B-；C+、C-；D+、D- ，在編程軟件中對應(yīng)的地址下標(biāo)則由模塊個(gè)數(shù)和與PLC連接的先后順序決定。如圖1中的4塊EM231，根據(jù)先后排列順序，地址分別為AIW0（1#管路壓力），AIW2（1#管路流量），AIW4（1#管路溫度），AIW6（1#開度反饋），AIW8（2#管路壓力）…以此類推，其模擬量必須用偶數(shù)字節(jié)地址。為減小數(shù)據(jù)的波動，在編程軟件中進(jìn)行均值化濾波處理，以圖1中的1#管路壓力信號為例，具體如下：

（1）使用FOR循環(huán)指令，對1#管路壓力信號進(jìn)行2n次的連續(xù)采集，n可根據(jù)實(shí)際信號的變化量而定，如溫度信號變化較小，n可以取較小值，反之亦然。

（2）利用MOV-W指令將AIW0（1#管路壓力）地址內(nèi)的數(shù)據(jù)賦值至變量如VW0（單字的變量存儲區(qū)），并通過ADD_DI指令將VW0賦值得到的數(shù)據(jù)與另一變量如VW2（初始值為零，若數(shù)據(jù)值較大，可存儲至雙字的變量存儲區(qū)）進(jìn)行累加并循環(huán)賦值至VW2，最后得到的VW2值為2n次AIW0采集的數(shù)據(jù)之和。

（3）將2n通過ENCO指令賦值至累加器AC0，得到AC0的值為n+1。

（4）最后通過SHR_W指令對VW2進(jìn)行移位，即右移AC0，從而得到2n次的連續(xù)采集數(shù)據(jù)的均值，以該均值作為最后的顯示值。

3 力控組態(tài)軟件對數(shù)值的整定

在實(shí)際采樣過程中，模擬量信號通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)可接收的電信號（0～5V或4～20mA），再由輸入模塊以數(shù)字量的形式送給PLC，該數(shù)字量與實(shí)際過程量具有某種函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，但在數(shù)值上并不相等，必須經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化的過程稱為模擬量的輸入數(shù)值整定。數(shù)值的整定可在PLC編程軟件中通過相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)，而上位機(jī)力控軟件的使用，可以直接通過力控軟件進(jìn)行整定，其方法是在力控軟件的數(shù)據(jù)庫組態(tài)里找到相應(yīng)區(qū)域的I/O點(diǎn)，在I/O點(diǎn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫變量中設(shè)置過程量的量程，以及量程的變化（PLC），如模擬信號0～20mA對應(yīng)PLC量程變化0～215，并在窗口屬性中添加整定條件進(jìn)行編輯，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式（算法）如下：參數(shù)定義過程量的表達(dá)式為

設(shè)系統(tǒng)偏移量為En，則實(shí)際顯示值為

Yn表示過程量的顯示值；Xn表示采集信號的數(shù)字量；Kn為過程量測量范圍；YN表示實(shí)際顯示值，

監(jiān)控軟件中數(shù)據(jù)的顯示主要通過設(shè)置數(shù)據(jù)庫變量的數(shù)據(jù)連接里連接相應(yīng)的PLC設(shè)備及數(shù)據(jù)存儲的變量（如VW2），同時(shí)可在相應(yīng)的窗口屬性里添加編輯數(shù)據(jù)的有效性判斷，若輸入數(shù)據(jù)的量程溢出或信號低于信號量程范圍，則判斷系統(tǒng)輸入部件（如變送器、輸入線路等）的故障，并在監(jiān)控界面上進(jìn)行相關(guān)顯示。

4 結(jié)束語

力控組態(tài)軟件是一款功能非常強(qiáng)大的監(jiān)控組態(tài)軟件，集成了許多現(xiàn)成的功能模塊和通信協(xié)議，可快速構(gòu)造監(jiān)控畫面及數(shù)據(jù)曲線，本文對此不作詳細(xì)介紹；而PLC穩(wěn)定性高、采樣值較準(zhǔn)確，拓展性好，兩者的結(jié)合能很好的實(shí)現(xiàn)集中管理和監(jiān)控的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]牟秋鋒.基于OPC的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].東南大學(xué)，2005.

[2]朱善君.可編過程控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993.

[3]蔡行健，黃文御，李娟.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.