艾 紅

(北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

過程現(xiàn)場總線Profibus是用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。Profibus包括3部分：Profibus DP、Profibus PA和Profibus FMS。DP(Decentralized Periphery)是分散式外圍I/O協(xié)議，用于總線主站與其所屬從站設(shè)備之間進行簡單、快速和時間確定性地過程數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)與分散的I/O之間通信，使用Profibus DP總線的模塊可取代4～20mA信號線。PA(Process Automation)適用于Profibus過程自動化，PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度及液位變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，并可用來替代4～20mA的模擬技術(shù)，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連接在一根總線上。使用PA/DP耦合器可以將Profibus PA儀表集成到DP網(wǎng)絡中去。FMS(Fieldbus Message Specification)是現(xiàn)場信息規(guī)范，ProfibusFMS的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級通信任務，提供大量的通信服務。在不同傳輸技術(shù)之間進行傳輸時，可以使用耦合器或者鏈路器。ET200M是一種分布式I/O系統(tǒng)，可在遠程就地操作，通過高性能的ProfiBus DP實現(xiàn)在自動化系統(tǒng)AS的CPU及其分布式I/O系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。ET200M由IM153接口和各類I/O模塊組成，IM153接口用于與ProfiBus DP現(xiàn)場總線的連接。DP主站通過ProfiBus DP與分布式I/O系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。DP主站集成在相應設(shè)備中，DP從站是通過ProfiBus DP連接至DP主站的分布式I/O系統(tǒng)，ET200M即為DP從站。筆者以鍋爐為被控對象，采用西門子PCS7，完成了鍋爐系統(tǒng)的組態(tài)和控制。

1 驅(qū)動程序塊①

1.1 PCS7軟件應用程序

PCS7軟件包含若干應用程序，通過這些應用程序可以組態(tài)系統(tǒng)并在運行期間對系統(tǒng)進行操作和監(jiān)視。所有應用程序都提供了用戶圖形界面，可以方便地操作并且清楚地顯示組態(tài)數(shù)據(jù)。工程師站上有各種應用程序，可以創(chuàng)建項目。SIMATIC管理器是中心應用程序，用于管理項目對象，HW Config是包含整個硬件系統(tǒng)的組態(tài)，例如CPU、電源及通信處理器等。NetPro用于進行網(wǎng)絡組態(tài)。CFC(Continuous Function Chart)是連續(xù)功能圖，對連續(xù)自動化功能進行圖形化組態(tài)，具有測試和調(diào)試功能。SFC(Sequential Function Chart)是順序功能圖，用于對順序生產(chǎn)的功能進行圖形化組態(tài)，具有測試和調(diào)試功能。SCL(Structured Control Language)是結(jié)構(gòu)化控制語言，可以用高級語言對用戶功能塊進行編程。WinCC是可視化的組態(tài)軟件，包含在單個或多個站的操作中，可以快速實現(xiàn)從簡單到復雜的可視化任務。SIMATIC管理器是組態(tài)PCS7項目所需的其他應用程序的接口。SIMATIC管理器和所有其他應用程序“鏈接”在一起，在SIMATIC管理器中，可以打開硬件組態(tài)窗口HW Config，看到使用CFC編輯器插入到CFC圖表中的所有塊。要創(chuàng)建CFC，需要將PCS7 Library V7.0里面的塊插入到CFC中。庫中包含各種單獨的塊，如用于閉環(huán)控制或用于監(jiān)視測量值的塊，將這些塊的輸入和輸出進行互連并在CFC編輯器中直接為其分配參數(shù)。

在目錄中將會看到3個標簽： Blocks、Chart、Libraries。在塊Blocks處可以找到按塊系列分類的塊。在圖表Charts處可以找到在工廠層級中創(chuàng)建的所有圖表(當前已打開并顯示在CFC編輯器中的CF圖表以一個小的打開文件夾進行標記)。庫Libraries包括PCS7標準庫和主數(shù)據(jù)庫。在常規(guī)設(shè)置下，CFC編輯器的左側(cè)會看到包含塊、庫和CFC圖表的目錄。在編輯器的右側(cè)會看到所顯示的CFC圖表。如果已打開的是一個空的CFC 圖表，則只會在此看到一個空白區(qū)，可根據(jù)需要在此插入塊來描述過程，并為這些塊分配參數(shù)并將其互連。

1．2 為塊組態(tài)外部I/O

CH_AI和CH_AO是與PCS7 硬件進行通信的驅(qū)動程序塊，用于從I/O模塊讀取過程值，轉(zhuǎn)換成CFC 使用的數(shù)據(jù)格式。PCS7驅(qū)動庫中的驅(qū)動程序塊能夠直接訪問過程映像輸入和過程映像輸出。驅(qū)動程序塊CH_AI和CH_AO的VALUE 變量用于連接硬件地址。鼠標左鍵點擊CH_AI 塊的VALUE 變量，點擊鼠標右鍵，選擇與硬件地址連接Interconnection to Address(圖1)。

圖1 為塊組態(tài)外部I/O的過程示意圖

在彈出的自動化系統(tǒng)AS 組態(tài)時定義的符號表中，雙擊選擇與該塊相應的模擬量輸入模塊的硬件地址。如果未定義符號表，可手動輸入硬件地址。如CH_AI 塊讀取ET200M 的第一塊AI模塊的第一個通道地址假設(shè)為IW512，CH_AO 塊的VALUE 變量同理可連接到模擬量輸出模塊相應的硬件地址。

1．3 驅(qū)動程序塊

驅(qū)動程序塊提供用戶程序和硬件輸入輸出組件之間的接口，如圖2所示。CH_AI 塊是輸入信號連接至輸入信號模塊的通道，該通道將輸入信號同步于CPU工作內(nèi)存中的輸入過程映像。

圖2 驅(qū)動程序塊

將通道塊置入CFC圖以后，需要將該通道塊連接至引出信號的物理通道。可以采用信號名命名通道塊，例如該通道塊實例被命名為Valve1_Opened。如何將通道實例塊連接至信號的過程如圖3所示。

2 連續(xù)功能圖CFC

PCS7標準庫將塊根據(jù)其功能分成多個系列。CH_AI和CH_AO屬于DRIVE系列，CTRL_PID塊屬于CONTROL系列。CH_AI 塊循環(huán)處理模擬輸入模塊與通道有關(guān)的信號功能，是與PCS7硬件進行通信的驅(qū)動程序塊，用于從I/O模塊讀取過程值，轉(zhuǎn)換成CFC使用的數(shù)據(jù)格式。將通道塊CH_AI 置入CFC圖以后，需要將該通道塊連接至引出信號的物理通道。將信號處理塊或者通道塊從庫中拖出，并放入CFC圖，可以直接在CFC中使用。點擊CH_AI 塊的輸出變量V，然后點擊CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN，將自動生成兩個變量之間的連線。點擊塊CTRL_PID 的輸出變量LMN，點擊塊CH_AO 塊的輸入變量U，連線將自動生成。通過塊的設(shè)置和塊之間的連接，形成了一個PID 單回路控制系統(tǒng)(圖4)。CTRL_PID(FB61)塊是連續(xù)型PID控制器，用于單回路控制或者串級控制，工作模式可以是手動、自動或者跟蹤，可以單獨激活或者取消比例、積分和微分作用。

圖4 PID單回路控制系統(tǒng)CFC

3 操作站功能與歸檔功能

3．1 操作站功能

操作監(jiān)控系統(tǒng)的各個功能按照圖形系統(tǒng)、趨勢系統(tǒng)和歸檔系統(tǒng)進行組織。圖形系統(tǒng)是過程畫面的顯示，在圖形系統(tǒng)中，過程信息會在過程畫面、趨勢或者消息畫面中顯示，可以快速識別當前工藝情況。使用過程控件可以快速準確地干預正在運行的過程，在過程控制期間采集和存儲的過程值在趨勢中顯示，可用于分析過程(趨勢在過程畫面、過程窗口或面板中會顯示)。在圖形編輯器中將對象與變量互連，需使用變量選擇對話框(變量選擇對話框可以為來自圖形編輯器的對象創(chuàng)建動態(tài)功能，在此對話框中顯示的變量可來自SFC圖表、SFC實例和CFC圖表中的塊實例)。變量互連是創(chuàng)建動態(tài)對象最簡單的方法，只需將對象與CFC圖表的塊實例I/O互連，過程模式下始終顯示此連接的當前值，可定義特定值的范圍實現(xiàn)動態(tài)對話框。使用變量選擇對話框，將在圖形編輯器中插入到過程畫面的輸入/輸出域或面板之類的對象，可以連接到相應的CFC圖表中塊實例的輸入/輸出。在過程模式中，對象從自動化系統(tǒng)AS讀取輸入/輸出的當前值，在操作站OS上顯示這些值。

3．2 歸檔功能

歸檔系統(tǒng)存儲與顯示過程值、消息和日志。在過程模式下生成的各種類型數(shù)據(jù)可以歸檔，該數(shù)據(jù)包括測量值和消息。測量值歸檔的目的是采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常被稱為“歷史數(shù)據(jù)”，可以用來判斷一段時期內(nèi)的生產(chǎn)狀況。PCS7提供了為進行相應標記的過程值自動創(chuàng)建歸檔變量的選項。必須在SIMATIC管理器中使用“歸檔”(Archive)屬性將這些過程值標記為與歸檔相關(guān)(只能為專用于操作員監(jiān)控的塊I/O設(shè)置此屬性)。如果選擇了相應選項，則在編譯OS時，PCS7會自動創(chuàng)建所需的歸檔變量。PCS7中有兩種不同類型的歸檔，需要在不同編輯器中進行組態(tài)，過程值歸檔使用“變量記錄”(Tag Logging)編輯器組態(tài)，消息和報警的消息歸檔使用“報警記錄”(Alarm Logging)編輯器組態(tài)。過程值歸檔變量存儲在“系統(tǒng)歸檔”(System Archive)中。當首次使用“歸檔變量”(Archivetags)選項編譯操作站OS時，PCS7會自動創(chuàng)建此歸檔。系統(tǒng)歸檔在“變量記錄”(Tag Logging)編輯器中進行組態(tài)。

4 自動化系統(tǒng)仿真

S7-PLCSIM是可以替代西門子硬件PLC的仿真軟件的，當設(shè)計好控制程序后，無需PLC硬件支持，可以直接調(diào)用仿真軟件來驗證。PT1_P模塊為一階控制對象，可用來代替汽包水位等控制對象。PID控制器的LMNR_IN引腳是PID模塊的閥位反饋，將PID控制器的LMN引腳連接到LMNR_IN引腳。仿真時用PT1_P模塊作為控制對象，選擇時間常數(shù)。CFC圖在測試模式下可以導出數(shù)據(jù)。通過導出數(shù)據(jù)可以看到以秒為單位顯示測試的所有數(shù)據(jù)。圖5所示為除氧器壓力仿真CFC圖，圖6所示為操作站上鍋爐控制系統(tǒng)中除氧器壓力仿真界面。PID控制器工作在自動、外給定，設(shè)定值的上限為100，下限為0，測量值的上限為100，下限為0，開始時除氧器壓力的設(shè)定值為20，隨后加入一個階躍擾動，將設(shè)定值改為50，測量值可以很快跟蹤給定值，曲線跟蹤效果較好。將設(shè)定值改為80，測量值也可以很快跟蹤給定值。

圖5 除氧器壓力仿真CFC圖

圖6 操作站上鍋爐控制系統(tǒng)中除氧器壓力仿真界面

5 結(jié)束語

SIMATIC PCS7是一種基于現(xiàn)場總線的新一代模塊化過程控制系統(tǒng)，它將傳統(tǒng)的PLC和集散控制系統(tǒng)DCS結(jié)合起來，具有傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點。系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺，所有軟件全部集成在SIMATIC程序管理器下。在網(wǎng)絡配置上使用標準工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線ProfiBus，便于現(xiàn)場控制回路的擴展。筆者以鍋爐為被控對象，采用西門子PCS7完成了鍋爐系統(tǒng)的組態(tài)和控制。通過仿真軟件PLCSIM進行仿真，實現(xiàn)了給定值、測量值和輸出值的顯示，實現(xiàn)了測量值曲線顯示，可以實時準確地監(jiān)測鍋爐的運行參數(shù)和設(shè)備的運行狀態(tài)，并采集與鍋爐有關(guān)的工藝參數(shù)，全面掌握整個系統(tǒng)的運行工況。