基于S7-300PLC和組態(tài)王軟件的汽車生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

徐 艮

作者通聯(lián)：中國南車資陽機(jī)車有限公司鍛鑄事業(yè)部 四川資陽市天景花園D區(qū)1-1-202 641301

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一、控制系統(tǒng)簡介

中國南車資陽機(jī)車有限公司鍛鑄事業(yè)部某汽車前橋熱處理調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線，采用推桿式天然氣加熱爐加熱工件，進(jìn)行淬火、回火工藝處理，主要有推料機(jī)、淬火爐、回火爐、淬火爐料盤及輸送機(jī)構(gòu)等設(shè)備。生產(chǎn)線采用集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置見圖1，上位機(jī)使用組態(tài)王軟件監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警，設(shè)置、跟蹤和管理工藝參數(shù)，下位機(jī)和12塊PXR5型智能溫控表（富士電機(jī)無錫儀表有限公司生產(chǎn)）對生產(chǎn)線進(jìn)行邏輯和溫度控制，工控機(jī)和PLC、溫控表通信分別采用MPI方式和MODBUS RTU通信協(xié)議。

圖1

二、PLC系統(tǒng)

1.硬件配置

SIMATIC S7-300PLC是模塊化的PLC系統(tǒng)，滿足中、小規(guī)模系統(tǒng)要求，為適應(yīng)各種自動化控制任務(wù)，模塊可自由擴(kuò)展。CPU315（6ES7315-1AF02-0AB0）具有中、大規(guī)模程序量和MPI接口，可組成集中式I/O結(jié)構(gòu)或分布式自動化結(jié)構(gòu)。

分析、統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線檢測和控制對象，需要7塊6ES7321-1BL00-0AA0型數(shù)字輸入模塊，3塊6ES7322-1BL00-0AA0型數(shù)字輸出模塊，并且需要1個擴(kuò)展機(jī)架，才能安裝所有模塊。選用IM365 S-R接口模塊（6ES7 365-0BA01-0AA0）可實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)擴(kuò)展，該模塊只能用于1個中央機(jī)架和1個擴(kuò)展機(jī)架的配置，有兩個IM365模塊，其中帶SEND標(biāo)記的插入CC 圖2中央機(jī)架，帶RECEIVE標(biāo)記的插入ER擴(kuò)展機(jī)架，使用1m固定電纜連接。PLC系統(tǒng)硬件配置見圖2。

2.硬件組態(tài)

組態(tài)是使用西門子S7-300/400 PLC專用編程軟件STEP 7合理配置PLC硬件的過程。組態(tài)步驟：①打開SIMATIC Manager，進(jìn)入STEP 7，創(chuàng)建 1個 STEP 7項(xiàng)目，新建 1個 S7-300工作站。②選中、雙擊該工作站的Hardware，自動打開硬件組態(tài)程序HW config，根據(jù)圖2硬件進(jìn)行組態(tài)（圖3）。

圖3

3.程序設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成生產(chǎn)線設(shè)備的手動、自動邏輯控制。采用LAD梯形圖模塊化編程，程序可讀性強(qiáng)，包括淬火爐、回火爐手動及自動程序塊，淬火車手動及自動程序塊，故障報(bào)警程序塊，液壓控制程序塊，加熱控制程序塊，主程序塊OB1。

4.抗干擾設(shè)計(jì)

控制電纜全部采用屏蔽電纜，嚴(yán)格進(jìn)行接地處理，輸入、輸出信號線，交、直流線分別使用各自電纜，且盡量分開布線。為抑制大容量設(shè)備啟、停引起的電網(wǎng)電壓波動及工頻干擾，PLC系統(tǒng)電源須經(jīng)隔離變壓器和濾波器處理。所有PLC輸出均通過中間繼電器隔離后再接負(fù)載，防止損壞PLC輸出點(diǎn)。

三、監(jiān)控系統(tǒng)

1.監(jiān)控軟件

使用北京亞控組態(tài)王6.52上位機(jī)監(jiān)控軟件，它是HMI/SCADA軟件，在工控機(jī)運(yùn)行，用于工業(yè)過程和管理。組態(tài)王目前可連接、智能儀表、板卡、模塊、等上千種工業(yè)設(shè)備，人機(jī)界面豐富、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)大、報(bào)警和事件管理先進(jìn)。

2.工控機(jī)

使用西門子SIMATIC PC677面板型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，15英寸觸摸屏。該工控機(jī)具有高質(zhì)量模塊和高M(jìn)TBF元件，特定溫度范圍內(nèi)可連續(xù)24h使用，結(jié)構(gòu)緊密，通信性能良好。

3.通信接口

工控機(jī)提供1個RS232串口，下位機(jī)溫控表提供RS485串口，因此通信前要進(jìn)行串口類型轉(zhuǎn)換。由于RS232通信速度慢，通信距離短，抗干擾能力差，為此不采用，而通過工控機(jī)提供的PCI插槽進(jìn)行RS485接口擴(kuò)展，使工控機(jī)直接和溫控表的RS485串口進(jìn)行物理連接。安裝步驟：①關(guān)閉工控機(jī)電源，在1#PCI插槽插入1塊MOXA公司CP-132UL V2型雙串口卡（提供2個RS485/RS422串口，通信最高速率可達(dá)921.6kbps、通信距離可達(dá)1.2km、抗干擾能力強(qiáng)）。②通過雙串口卡DIP開關(guān)設(shè)定RS422/RS485通信方式，本機(jī)采用2線制RS485通信，分別將S1、S2置于ON位置。③在工控機(jī)繼續(xù)安裝該卡驅(qū)動程序。

圖4

圖5

圖6

4.監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

（1）建立組態(tài)王和溫控表的通信連接。操作步驟：①進(jìn)行工控機(jī)和溫控表RS485串口物理連接。②在組態(tài)王工程瀏覽器設(shè)備列表里進(jìn)行COM2串口設(shè)置（工控機(jī)采用MOXA串口卡擴(kuò)展的COM2串口和溫控表連接，圖4），運(yùn)行設(shè)備安裝向?qū)?，完成溫控表的安裝配置，圖5是某塊溫控表安裝配置信息。③在溫控表上進(jìn)行站地址（STno）、奇偶性（CoM）、通信協(xié)議（PCoL）的設(shè)置，具體見溫控表產(chǎn)品使用說明書參數(shù)設(shè)定表，要和組態(tài)王中設(shè)置一致。④將所有儀表斷電再通電。溫控表和組態(tài)王的通信連接設(shè)置完成（圖6），可正常通信。

（2）建立組態(tài)王和S7-300PLC的通信連接。操作步驟：①連接工控機(jī)和PLC的MPI通信電纜。②在組態(tài)王工程瀏覽器設(shè)備列表CP5611中運(yùn)行設(shè)備配置向?qū)?，完成PLC的安裝配置，如生產(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、通信方式、設(shè)備地址等信息設(shè)置（圖7）。完成后的PLC安裝配置畫面見圖8。

圖7

（3）建立變量。工程瀏覽器數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，是聯(lián)系上、下位機(jī)的橋梁。工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)狀況要以動畫形式在屏幕上反映，操作者發(fā)布的指令要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，這些均以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)詞典里定義好需要采集的變量，包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量，作為狀態(tài)顯示或數(shù)據(jù)處理計(jì)算。數(shù)據(jù)庫存放變量當(dāng)前值，數(shù)據(jù)詞典記錄用戶可使用數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。

（4）建立監(jiān)控畫面。組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)提供了豐富的圖形對象和動畫連接類型，如命令語言連接、模擬值輸入連接、模擬值輸出連接、屬性變化連接、閃爍、旋轉(zhuǎn)連接等。通過對畫面中圖形對象建立的動畫連接及命令語言程序，實(shí)現(xiàn)畫面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的同步動態(tài)變化。

（5）啟動工控機(jī)系統(tǒng)后自動運(yùn)行組態(tài)王。操作方法：①在組態(tài)王工程管理器里將需要運(yùn)行的用戶工程設(shè)置為當(dāng)前工程（本例選擇南車資陽前橋調(diào)質(zhì)線，圖9）。②將組態(tài)王軟件安裝生成的touchvew.exe運(yùn)行系統(tǒng)快捷方式拷貝到“系統(tǒng)開始→程序→啟動”中。

以上工作完成后，經(jīng)過組態(tài)的外部I/O、溫度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)就能實(shí)時傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行生產(chǎn)過程控制。

為實(shí)現(xiàn)組態(tài)王監(jiān)控功能，必須保證組態(tài)王系統(tǒng)對操作系統(tǒng)、內(nèi)存、CPU等的要求；運(yùn)行組態(tài)王設(shè)備配置向?qū)б约霸O(shè)置COM串口時，參數(shù)設(shè)置必須正確，否則組態(tài)王和設(shè)備間無法建立通信連接。

圖8

圖9

該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8個人機(jī)功能畫面，直接對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及報(bào)警，設(shè)置、跟蹤與管理工藝參數(shù)。圖10是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模擬畫面，非常直觀，可以從方向鍵的閃爍確認(rèn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行方向，從指示燈顏色變化明確執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、各溫區(qū)溫度顯示及實(shí)時報(bào)警等信息。

圖10