西門子S7 系列PLC 在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王和榮

（攀鋼冶金材料有限責(zé)任公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

S7-1500PLC 作為西門子集團在自動化方面的突出產(chǎn)品，是在原有S7-300PLC 與S7-400PLC 的基礎(chǔ)上，進一步重點研發(fā)的自控系統(tǒng)。S7-1500PLC 系統(tǒng)在2013 年問世，該系統(tǒng)的研發(fā)主要服務(wù)于中高端工廠的自動化設(shè)備。在專業(yè)領(lǐng)域上，不但系統(tǒng)性能優(yōu)勢明顯，而且在工業(yè)信息安全、故障處理、運動控制等方面功能顯著。

1 S7-1500PLC 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

PLC 控制系統(tǒng)是西門子公司研發(fā)的具有一定優(yōu)勢的自動化設(shè)備，西門子S7-1500 備受用戶關(guān)注。在自控系統(tǒng)中，西門子S7 系列的研發(fā)是在S5 的基礎(chǔ)上誕生的PLC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在很大程度上滿足了各行各業(yè)的需求。S7-1500PLC 系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

（1）S7-1500PLC 的系統(tǒng)模塊要比S7-300 稍大一些，機架結(jié)構(gòu)基本一致。其前連接器配有特殊的電源元件、線卡與屏蔽支架，且預(yù)留了走線的空間，這些使技術(shù)人員在接線時更加方便、可靠。CPU 配備了LED 顯示屏，可以方便地顯示CPU 的狀態(tài)和故障信息。為了方便橋接電位組，可使用集成短接片進行安裝，并輔以繼電器、自動斷路器等，從而更好地安裝集成導(dǎo)軌。此外，對于預(yù)接線的位置，將初始接線與重新連接的過程簡化了，而且集成屏蔽作為模擬信號，具有屏蔽信號的良好效果。

（2）在硬件方面，S7-1500PLC 具有處理速度快、聯(lián)網(wǎng)能力強、診斷能力和安全性更高的特點，一方面，生產(chǎn)效率得到了大幅度提高，不僅節(jié)約了成本，還提高了經(jīng)濟效益。另一方面，系統(tǒng)安裝和維護都比較方便，沒有什么危險性，深受廣大客戶與維護人員的歡迎。S7-1500PLC 與S7-400 或S7-300 相比較，大多是運用新型背板總線技術(shù)，不僅信號處理速度非?？?，而且傳輸協(xié)議與波特率都比較高。而且其CPU 一般有1～3 個PROFINET 接口，這在一定程度上滿足了一些網(wǎng)絡(luò)通信的低成本快速配置要求。此外，1500PLC 系統(tǒng)模塊帶有診斷功能，且診斷的級別為通道級，并不需要再進行編程。為此，一旦出現(xiàn)故障便能夠及時準(zhǔn)確地對發(fā)生故障的通道進行識別，大大縮了停機的時間，這也是其他型號PLC 不具備的功能。

（3）S7-1500PLC 具有高配置和高效率的編程能力，有利于設(shè)計人員更加方便地查看采集的信息，信息采集和查看也更方便，這對工程設(shè)計人員來說極為有益。更重要的是S7-1500PLC與博途軟件實現(xiàn)了有效的融合，所以在硬件的配置、上位組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接以及軟件編程等方面，操作都變得非?？旖荨7-1500PLC 系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、CPU 顯示屏、T 博途軟件以及HMI 設(shè)備，隨時查看CPU 的實時狀態(tài)、過程變量與故障信息，而S7-300 或400 則沒有CPU 顯示屏，采集與查看信息就顯得不是很方便。

（4）S7-1500 PLC 控制系統(tǒng)可以在不需要增加模塊的基礎(chǔ)上，達到運動控制的功能。運用PLC open 技術(shù)，控制器可用標(biāo)準(zhǔn)組件連接的各種支持PROFIdrive 協(xié)議的驅(qū)動設(shè)備。另外，S7-1500 PLC 還支持CPU 所有變量的TRACE 功能，在提高調(diào)試效率的同時，促進了驅(qū)動器、控制器性能的進一步優(yōu)化。

2 S7-1500PLC 系統(tǒng)的具體應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以消防行業(yè)為研究對象，某大型消防給水泵組由兩臺消防泵與兩臺噴淋泵組成，作用為消防泵和噴淋系統(tǒng)供水。消防泵的啟動方式是以水泵的功率為依據(jù)，也就是用帶有旁路接觸器的啟動器來啟動消防栓，巡檢過程中變頻器輪流驅(qū)動水泵，從而確保4 臺水泵都處于低頻運行，以防止管道水壓因巡檢而出現(xiàn)短暫迅速升高的現(xiàn)象。而S7-1500PLC 系統(tǒng)就是負(fù)責(zé)控制泵組的巡檢、啟停等工作，通過總線通信來對變頻器的啟停、切換水泵參數(shù)等進行有效控制。S7-1500PLC 系統(tǒng)可借助PROFINET 網(wǎng)絡(luò)與總監(jiān)控室展開連接，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的?？傮w上，消防給水系統(tǒng)中離不開S7-1500PLC，必須充分發(fā)揮消防泵的作用，做好泵組的日常巡檢與維護功能。以往的巡檢以人工為主，但人工作業(yè)流程復(fù)雜且監(jiān)管難度大，加之自動巡檢設(shè)備還不夠完善，極大地影響了日常的巡檢效率。因此，在消防給水系統(tǒng)中應(yīng)用S7-1500PLC 系統(tǒng)，能夠有效解決其中存在的問題。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

2.2.1 控制方式

在巡檢系統(tǒng)中，一般采用的是自動與手動兩種控制方式，其中手動控制操作很簡單，也就是在巡檢控制柜上旋轉(zhuǎn)按鈕，直至按鈕指示手動模式即可，這樣工作人員便可以按照柜面啟動按鈕的流程完成巡檢的任務(wù)。對于消防泵與噴灑泵的手動控制也是一樣，將按鈕旋轉(zhuǎn)到手動模式即可。這樣工作人員就可以用手動的方式啟停消防泵與噴灑泵。而在自動模式下，按鈕旋轉(zhuǎn)后便可自動運行，一般沒有特殊要求，消防泵啟停則以10 d 為周期，定時完成巡檢工作；有要求時，可以按照要求啟動消防泵與噴灑泵，若是已在運行中發(fā)生故障，可以及時啟動備用泵，以保持設(shè)備正常工作。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

西門子S7-1500PLC 控制系統(tǒng)通常采用的通信方式比較多，如工業(yè)以太網(wǎng)通信、自由口通信和MPI 通信等，而且這些通信方式都有其獨特的優(yōu)勢。例如，MPI 通信適用于小點數(shù)和小規(guī)模站點的通信，以及CPU 之間的數(shù)據(jù)傳遞工作。PROFIBUS 通信是目前市場上比較受歡迎的一種網(wǎng)絡(luò)通信方式，它以其獨特的技術(shù)、嚴(yán)格的規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)成為眾多廠商支持的最優(yōu)解決方案。S7-1500PLC 正是運用這種通信方式，同時配備了MPI 接口，不需要單獨采購DP 通信模塊就可完成DP 的組網(wǎng)工作。這樣組建的網(wǎng)絡(luò)擴展性性強，能夠同時支持多個狀態(tài)的采集點和監(jiān)測站的工作，還具有從主站和從站讀取和寫入數(shù)據(jù)的功能。

2.2.3 程序切換

在消防控制系統(tǒng)中，消防控制中心主要負(fù)責(zé)發(fā)出火災(zāi)信息，一旦消防控制中心發(fā)現(xiàn)建筑內(nèi)有火災(zāi)發(fā)生，控制中心便會立即向S7-1500PLC 系統(tǒng)發(fā)送火災(zāi)信號的指令。從控制中心收到信號指令后，系統(tǒng)便會自動退出當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，同時會立即調(diào)用子程序以最快的速度啟動消防泵。如果平時沒有接到火災(zāi)信息，該系統(tǒng)的主要工作就是控制水泵的啟停，并定期進行巡檢任務(wù)。通常來說，水泵巡檢一個周期為10 d，相關(guān)人員也可以按照實際的需求，遠程設(shè)置間隔的時間。在巡檢過程中，控制變頻器就是系統(tǒng)當(dāng)前的主要工作，使其能夠始終處于低頻驅(qū)動的狀態(tài)運行。這樣不僅可以起到一定的節(jié)能的作用，而且此狀態(tài)下水泵的出水速度比較緩慢，也就不會對管網(wǎng)產(chǎn)生壓力。

待巡檢工作結(jié)束后，S7-1500PLC 系統(tǒng)還需要調(diào)用相關(guān)的巡檢程序，先將變頻器參數(shù)切換到與消防泵一致，并控制接觸器吸合，同時啟動變頻器，在變頻器運行的同時開始計算時間，到達預(yù)設(shè)時間后便停止變頻器，并將接觸器分離。變頻器在停止工作前，消防泵需保持一直低頻運行狀態(tài)。消防泵巡檢完成后，操作員可在S7-1500PLC 控制系統(tǒng)中，將變頻器的參數(shù)切換至與噴淋泵一致，再控制接觸器的吸合，驅(qū)動噴淋泵運行狀態(tài)處于低頻，預(yù)設(shè)時間一到便停止變頻器，之后分離接觸器。如果在巡檢中發(fā)現(xiàn)水泵無法正常工作，系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，告知工作人員出現(xiàn)的故障。

2.2.4 上位機的應(yīng)用

在控制系統(tǒng)中，西門子WinCC 是視窗控制中心。其包括了OPC、SCADA、組態(tài)、人機界面等多種技術(shù)的支持，這類技術(shù)的主要作用是顯示自動化的控制過程。而S7-1500PLC 控制系統(tǒng)得到上位機，就是使用的WinCC。WinCC 的應(yīng)用離不開計算機，其主要就是在計算機的各種環(huán)境下運行的，所以具有一定的開放性特點，如工作人員可以在WinCC 上操作，進行一系列的自動化設(shè)備與軟件的相關(guān)集成工作。并且，WinCC 功能里的菜單選項、項目設(shè)置、畫面更新以及安全歸檔等比較豐富，這些在一定程度上體現(xiàn)了其安全性與可靠性，工作人員可以在這樣的界面下快速完成編程、組態(tài)、數(shù)據(jù)管理等工作。此外，還可以按照相應(yīng)的需求，展現(xiàn)監(jiān)控畫面、報警畫面以及操作界面，按實際需要形成相應(yīng)的報警畫面、監(jiān)控畫面、操作畫面等。因此，WinCC 的自動化程度非常高。

3 結(jié)語

綜上所述，在自動控制系統(tǒng)中，西門子S7-1500PLC 系統(tǒng)相比之前的系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，具有處理速度快、聯(lián)網(wǎng)能力強、診斷能力和安全性更高的特點，在各大工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，不僅操作簡便、節(jié)約成本，系統(tǒng)安全性也大幅提高，同時大大降低了系統(tǒng)維護的難度。目前，S7-1500PLC 系統(tǒng)應(yīng)用在諸多行業(yè)中取得了良好的成果。