PLC與OP在綜合測控系統(tǒng)的設計

張曉玲，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

PLC與OP在綜合測控系統(tǒng)的設計

張曉玲，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

基于可編程控制器（PLC）與操作員面板（OP）創(chuàng)新結合的平臺，提供了一個安全可靠、實時操作和高效快捷的測量和控制系統(tǒng)，不僅擴展了PLC的功能，使其具有圖形化、交互式工作界面的獨立系統(tǒng)，而且大大減少了操作臺上開關、按鈕、儀表等的使用數(shù)量，使得編程和操作工作非常輕松舒適。提出了利用西門子S7-300系列PLC、OP構成的綜合測控系統(tǒng)設計方案。設計了測控系統(tǒng)的組成、PLC和OP硬件結構及軟件框圖、操作面板組態(tài)畫面以及主要監(jiān)測功能，在實際的應用中提高了自動化測試程度及測試的數(shù)據(jù)精度和準確性，取得了良好的應用效果。

可編程控制器；人機界面；操作員面板OP277；測控系統(tǒng)

0　引言

綜合測控系統(tǒng)用來提高測試的自動化程度，以及測試數(shù)據(jù)的精度和準確性。它主要完成對開關量輸入信號、模擬量輸入信號和開關量輸出信號的自動采集、測量、控制、顯示；并能接收主控計算機發(fā)出的指令，執(zhí)行開關量輸出控制，檢查開關量輸入狀態(tài)，讀取電壓、電流的測量值等功能。

本文中采用西門子S7-300 PLC與OP277相結合［1-2］，設計出綜合測控系統(tǒng)，在應用中取得良好效果。西門子S7-300中小型PLC，具有模塊化、無排風扇結構，易于實現(xiàn)分布，高電磁兼容性和強抗振動、抗沖擊性，與上位機通信方便等特點，成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的解決方案［3-4］。由于現(xiàn)場操作面板（OP）具有編程容易掌握、與PLC通信良好、抗干擾能力強、操作簡便、界面美觀直接、靈活的組態(tài)方式，方便用戶使用及二次開發(fā)的特點，正迅速地滲入各個行業(yè)，發(fā)揮自動化控制的最大優(yōu)勢。一套自動化測試程度高、通信速度快、數(shù)據(jù)采集精度高、操作方便直觀的綜合測控系統(tǒng)成為目前研制的重點。

1　系統(tǒng)組成

綜合測控系統(tǒng)由PLC、模擬量輸入信號調(diào)理板、開關量輸入信號調(diào)理板、操作員面板OP277、主控計算機、以太網(wǎng)交換機、測控軟件、打印機組成。

PLC［5-6］是整個系統(tǒng)的核心，是前端讀、寫I/O的中樞，負責采集開關量輸入和電壓、電流測量，接收主控計算機發(fā)出的指令執(zhí)行開關量輸出，檢查開關量輸入狀態(tài)，讀取電壓、電流的測量值。其中電壓、電流信號的規(guī)格不同，電壓、電流信號由模擬量輸入信號調(diào)理板統(tǒng)一變換成±10V信號，并隔離輸出到PLC。開關量輸入信號由PLC的開關量輸入信號調(diào)理板實現(xiàn)隔離。

主控計算機通過以太網(wǎng)絡從PLC設備中讀取參數(shù)，實時顯示并存入數(shù)據(jù)庫；同時可以向PLC發(fā)出指令。計算機選用一體化工業(yè)計算機，安裝iFIX4.5軟件［7-8］。

以太網(wǎng)交換機為整個系統(tǒng)的通信中樞，實現(xiàn)計算機與各部分之間的信息交換。

綜合測控系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.1　Topological structure

2　硬件設計

2.1PLC設計

（1）模塊配置

綜合測控系統(tǒng)的核心采用SIEMENS S7-300 PLC，模塊配置圖如表1所示。

（2）PLC通信配置

CPU315-2PN/DP帶有以太網(wǎng)接口，與主控計算機進行以太網(wǎng)通信；與OP277操作員面板用MPI網(wǎng)進行通信。

（3）STEP 7工具

STEP7是用于SIEMENS PLC［9］S7的標準工具，其對用戶的方便性，使用戶可以容易地利用這些系統(tǒng)資源。STEP7具有友好的用戶功能：硬件的配置和參數(shù)設置；通信的定義；編程；測試、啟動、維護；文件、建檔；操作/診斷功能。

STEP7將所有用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中。在塊內(nèi)和塊之間可以進行子程序調(diào)用，使用戶程序可以結構化。這將顯著增加PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性。

2.2人機界面OP277

根據(jù)5U高的機箱，選擇西門子公司標準的OP277操作員面板［10］，有6英寸的液晶顯示屏和各種系統(tǒng)鍵、功能鍵，能方便地顯示測試的所有數(shù)據(jù)和監(jiān)視其運行情況。

（1）OP277的特點

操作員面板OP277的正視圖如圖2所示，使用系統(tǒng)鍵和功能鍵操作OP277，在組態(tài)期間定義分配給特定功能鍵的功能。

表1　模塊配置圖Table 1　Module configuration

圖2　OP277正視圖Fig.2　Front view of OP277

OP277的底視圖如圖3所示，OP277提供了豐富方便的接口：USB端口、RS422/RS485（1F1B）端口、以太網(wǎng)端口、電源插座。USB接口可用于開機狀態(tài)下“即插即用”。在本測控系統(tǒng)中，OP277采用以太網(wǎng)端口傳送程序，通過多點接口MPI與SIMATIC S7可編程控制器直接相連，實現(xiàn)控制過程的人機對話。

圖3　OP277底視圖Fig.3　Bottom view of OP277

（2）Wincc fexible組態(tài)

SIMATIC WinCC flexible［7-9］是西門子公司的HMI/SCADA軟件系統(tǒng)的一員，使用基于Windows的軟件WinCC flexible，可以對操作員面板OP277進行既簡單又高效的組態(tài)。WinCC flexible集成了ProTool的簡易性和WinCC的開放性，以機器和過程為向導，可嵌入面板與PC中，多語言可全球通用，可通過網(wǎng)絡進行遠程診斷、控制、服務，具有開放簡易的擴展功能。在WinCC flexible的應用界面下，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理。離線方式下也可以創(chuàng)建和編輯項目，即使沒有PLC和OP，亦可PC模擬組態(tài)測試。

2.3開關量輸入信號調(diào)理板

開關量輸入信號經(jīng)開關量輸入信號調(diào)理板后轉換成適合PLC的開關量輸入模塊的測量電平24V、0V。開關量輸入信號經(jīng)信號調(diào)理板后，與PLC開關量輸入模塊隔離。

每一路開關量輸入信號調(diào)理電路由光隔離繼電器AQW214、電阻R和電容C等組成，電路圖如圖4所示。

電路中D1為雙路光耦隔離芯片AQW214，是實現(xiàn)電路隔離、電平轉換的核心，具有低電流控制、高隔離電壓、低泄漏電流的特點。電路輸入的電壓信號經(jīng)過R1、C1后轉換為電流進入D1輸入端驅動發(fā)光器件，發(fā)出一定波長的光，光探測器接收而產(chǎn)生電流，再經(jīng)放大輸出。D1輸入端屬于電流型的低阻元件，具有很強的共模抑制能力，可以大大提高信噪比，增加可靠性。同時輸入輸出信號相互隔離，電信號傳遞具有單向性，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

2.4模擬量輸入信號調(diào)理板

模擬量輸入信號經(jīng)模擬量輸入信號調(diào)理板按適當比例轉換成符合PLC模擬量輸入模塊的測量量程±10V，由PLC采樣、處理后，恢復到原來的量程。模擬量輸入信號經(jīng)信號調(diào)理板后，不僅與PLC模擬量輸入模塊隔離，而且各路之間也相互隔離。

每路模擬量輸入信號調(diào)理電路由電壓轉換器、1∶1隔離放大器、DC-DC轉換器A、DC-DC轉換器B等組成，電路圖如圖5所示。

圖4　開關量輸入信號調(diào)理電路Fig.4　Signal conditioning circuit of DI

圖5　模擬量輸入信號調(diào)理電路圖Fig.5　Signal conditioning circuit of AI

3　軟件設計

3.1PLC程序流程設計

PLC的軟件開發(fā)選擇標準工具軟件STEP7，STEP7將所有用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中。在塊內(nèi)和塊之間可以進行子程序調(diào)用，使用戶程序結構化成為可能。這將顯著增加PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性。

綜合測控系統(tǒng)的PLC程序從以下5個方面說明：

1）對PLC各模塊及模塊內(nèi)參數(shù)進行配置。

2）對與主控計算機通信的以太網(wǎng)通信口以及與OP操作員面板通信的MPI通信口進行配置，定義網(wǎng)絡屬性、通信參數(shù)以及通信內(nèi)存區(qū)。

3）與OP操作員面板通信的通信內(nèi)存區(qū)—DB數(shù)據(jù)塊的定義。

4）上電初始化程序塊、各種運行故障處理程序塊的編寫。

5）主循環(huán)程序塊根據(jù)OP操作員面板或主控計算機下達的指令，工作在兩種狀態(tài)：

①正常狀態(tài)：將采樣得到的各種參數(shù)存入到數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，主控計算機及OP操作員面板分別通過以太網(wǎng)和MPI網(wǎng)絡，讀取這些存儲區(qū)域的參數(shù)；根據(jù)主控計算機下達的命令，執(zhí)行開出動作。

②自檢狀態(tài)：根據(jù)OP操作員面板的自檢命令，關閉相應的開出開關，并將執(zhí)行結果反饋給OP操作員面板。

3.2OP277編程思路

操作員面板OP277在本測控系統(tǒng)中的編程思路主要分為3個部分，程序框圖如圖6所示。

圖6　OP277程序框Fig.6　Program chart of OP277

3.3程序流程圖

綜合測控系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7、圖8所示。

圖7　分支程序①流程圖Fig.7　Flow chart of branching program

其中，圖7是分支程序流程圖，主要完成OP的自檢命令，包括開關量檢測功能和模擬量檢測功能。圖8是主程序流程圖，主要是將開關量輸入信號分別送給主機和OP。將開關量輸出映象送給OP。模擬量采樣分層值送給主機；經(jīng)過計算的電壓值送給OP，計算系數(shù)由OP給出。

4　HMI設計

起始畫面可在設備設置中進行定義。起始畫面如圖9所示，“綜合測控系統(tǒng)”定義為圖形視圖，根據(jù)需要進行屬性設置。功能鍵可授予畫面切換的功能，控制功能鍵有：F9（啟動）、F10（開入）、F11（模入）、F14（密碼）。按F9鍵進入各種狀態(tài)下的測試畫面；按F10鍵進入“開關量檢測畫面”；按F11鍵進入“模擬量檢測畫面”；按F14鍵進入“口令處理畫面”，輸入口令后，即可授權進行檢測功能。

口令處理畫面如圖10所示，輸入用戶名和密碼，即可進行信號的檢測功能。

圖8　主程序流程圖Fig.8　Flow chart of main program

圖9　起始畫面Fig.9　Starting interface

圖10　口令處理畫面Fig.10　Password handling interface

模擬量檢測畫面如圖11所示，可以顯示模擬量輸入信號的電壓值。通過右下方功能鍵F11和F12可分別授予模擬量信號的“閉合”和“斷開”功能。F13授予模擬量檢測畫面和開關量檢測畫面的切換功能。

圖11　模擬量檢測畫面Fig.11　Analog signal test interface

開關量檢測畫面如圖12所示，分別用ON和OFF來顯示開關量信號的閉合和斷開。通過右下方功能鍵F11和F12可分別授予開關量信號的“閉合”和“斷開”功能。F13授予開關量檢測畫面和模擬量檢測畫面的切換功能。

圖12　開關量檢測畫面Fig.12　Digital signal test interface

5　結論

本文主要設計了PLC硬件組成和程序結構，OP277的主要監(jiān)測功能，HMI畫面，組態(tài)畫面不僅顯示清晰、直觀，而且給系統(tǒng)增添了美觀。綜合測控系統(tǒng)安全、可靠，操作方便直觀，自動化測試程度高，通信速度快，數(shù)據(jù)采集精度高?；赑LC和OP結合的產(chǎn)品具有很高的穩(wěn)定性，而且在軟件開發(fā)上非常高效快捷，一方面擴展了PLC的功能，使其具有圖形化、交互式工作界面的獨立系統(tǒng)，另一方面大大減少了操作臺上開關、按鈕、儀表等的使用數(shù)量，使操作更加方便直觀。這不僅為綜合測控系統(tǒng)提供了有力保證，而且在綜合測控系統(tǒng)的應用中取得了良好的效果。

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Design of Integrated Measurement and Control System Based on PLC and OP

ZHANG Xiao-ling，WEI Zong-kang
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

Innovative combination based on PLC and OP is a platform that offers a safe，reliable，real-time operational solution，which is quick and efficient for the measurement and control system.This platform not only extends PLC functions including graphical and interactive interfaces，but also reduces the number of switches，buttons and instruments on the work stations.All of these advantages can make the programming and operation become very relaxed and comfortable.Here，this article presents a measurement and control system which is designed by choosing SIEMENS S7-300 PLC and OP as the hardware platform.System composition，hardware structure and software block diagram，HMIdesignandfunctionsareintroduced.Inpractice，the experimentalresults showthat thesystem can achieve good effects in many aspects such as improving the automatic degree and precision and accuracy of the test.

programmable logic controller（PLC）；human-machine interface（HMI）；OP277；measurement and control system

TP274+.2

A

1674-5558（2016）05-01080

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.020

2015-02-13

張曉玲，女，博士，工程師，研究方向為導航、制導與控制。