基于S7-300系列PLC的动力站实时监测与控制系统设计

本文对工业自动化过程控制系统设计所面临的主要问题进行了探讨。文中，以动力站实时监控系统为例对该系统的系统结构、系统配置原理、系统集成与通讯，以及系统实时监测的实现等，均作了具体的分析和设计，尤其针对PLC与第三方设备的通讯问题，提出了通过智能通讯接口技术的解决方案，并通过WINCC监控组态软件实现了动力站系统的实时监测与控制。

在工业控制中，PLC技术是目前应用最广泛的技术之一，然而随着越来越多的设备的接入，系统的规模越来越大，如何确定系统的结构方案及配置原理，设计系统，以及如何确保PLC与各设备及子系统之间的集成与通讯，是我们必须面对的问题。特别是后者，当有第三方设备接入时，由于通讯协议各自不同，硬件接口也可能不同（如RS232、RS485等），如果不整合成一个统一的标准进入PLC，PLC就可能要插多个通讯接口板，而且要编多个通讯软件，由于PLC编写其它协议的通讯软件的能力很差，则会大大降低系统的性能⑴。

本文以某动力站监控系统的技术改造工程为例，就该具体项目的系统结构方案、配置原理系统集成与通讯，以及实时监测和控制的实现，提出具体的解决方案，以实现整个系统高效运转，从而达到减少生产成本，降低能耗，提高设备的使用效率和使用寿命和提高项目经济效益的目的。本文的看法和做法或许对一般工业自动化过程控制系统的学术研究和工程实践具有一定的参考价值。

系统结构方案

1. 系统分析

某厂用动力站是负责给各生产车间供应空压用气及实现水循环冷却的部门。通常它由它包括空压站、真空站及换热冷凝站构成。动力站监控系统的特点是监控设备种类繁多、监测和控制点位多。

这就不仅要求我们要保证所选择PLC要具有通讯能力强、配置灵活、编程方便的特点，同时也要具有强大的扩展功能，便于系统以后进行必要的扩充，基于此，我们选择西门子S7－300系列产品构建本控制系统，以实现整个系统的高效、安全运行。

SIMATIC S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，其技术特点是：

1)配置灵活： 配有8种不同档次的CPU模块,及多种功能模板，用户可根据不同的控制要求，选择不同的模块组成各种规模的控制系统。

2)扩展功能强：单机架配置时，最多装8个模板，256个I/O点；多机架配置时，最多1024个I/O点；若使用PRIFIBUS-DP分布式系统，最多可连接65536个I/O点。

3)通信联网能力强：多点接口MPI可用S7-300 CPU与PG/PC、HMI以及其它SIMATIC S7/C7/Win AC自动化系统通讯，最多可连接32个MPI节点，并可利用MPI、PROFIBUS和以太网组网等。

4)编程方法灵活：编程器可通过两种接口（MPI、DP）接入，对几个CPU进行操作，并可使用STEP7或STEP7-Mini对S7-300进行硬件组态和编程；程序形式有梯形图（LAD）、语句表(STL)和SCL编程语言等模式。

2. 系统设计

我们将动力站房自控系统分为设备控制层和集中监控层两级结构，系统网络结构图如图1。

设备控制层由3个独立的子系统组成，它们是空压机子系统（五台空压机）、真空站子系统（五台真空泵及空压、真空冷却水系统）及换热冷凝子系统。在此，每个子系统各选用一台西门子CPU315-2DP模块化中型 PLC作为主控制器， 各PLC通过国际标准的现场总线Profibus-DP与自己系统的现场设备相连。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU315，并存储到CPU315中⑵。CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上所有的I/O模块的状态字，控制硬件设备。

在集中监控层中，本系统采用 IBM计算机作为中央监控站，通过现场总线接口卡 CP5611使监控计算机与各子系统的PLC通信，并预留通信接口接入上层以太网⑶。这样就组成了一个能完成组态、运行、操作等功能完整的控制网络系统。为了保证系统的稳定性与可靠性，系统运用了双机冗余，将另一台监控计算机通过同样的现场总线接口卡CP5611与现场总线相连，若其中一台监控计算机发生故障，另一台可继续运行 。

图1

系统的配置原理

空压机子系统是动力站房自控系统中最复杂的一个系统，通常包括多台，甚而不同品牌的空压机和干燥机，笔者目前设计的工程就由3台Atlas公司的空压机、2台寿力公司空压机及5台干燥机组成。所以本文以空压机子系统为例，概述系统的配置原理。

1. 空压机子系统的控制要求

1）每台空压机设定出气电动阀及排气电动阀；2）预置每台空压机各段的压缩空气温度及压力；3）预置各台空压机组的冷却水进出口温度；4）系统要根据出气罐压力控制空压机的起/停、加载/卸载以保证出气压力稳定在设定的范围内，同时还要做到均匀优化运行及节能运行。

2． 模块配置原理

根据统计，该空压机子系统共要处理 44个24伏开关量输入信号（DI）， 30个开关量输出信号（DO），52个模拟量输入信号(AO)。故选用一台S7 315-2DP 的CPU模块（模块上自带5个AI点，24个DI点，2个AO点,16个DO点）；5块8点模拟量输入模块SM 331；1块32点数字量输入模块SM321；1块16点数字量输出模块。

另外，每台空压机内部还有80个开关量输入信号和10个模拟量输入信号需要读取，选用5台TF400 DDC控制器与各台空压机通讯读取他们的内部数据。

系统集成与通讯

随着信息技术的发展，自动化系统对大范围信息共享的需求愈加强烈，对工业控制系统的开放性提出了越来越高的要求，因而不同厂家的设备集成与通讯也就成了目前工业控制中遇到的最广泛的难题⑷。

在本项目中PLC要与Atlas公司的空压机、寿力公司空压机及干燥机进行通讯，但由于设备各自的通讯协议不同，硬件接口也有所不同（有RS232、RS485等），因而如果采用传统的集成方法，就要在PLC上插多个通讯接口板，而且要编写多个通讯软件。然而，由于PLC编写其它协议的通讯软件的能力却很差，这无疑给我们进行系统集成造成了极大的困难。

因此，本项目中提出了采用智能通讯口（PB-OEM2-SD总线桥）的解决方案。智能通讯口是一种嵌入式Profibus总线桥技术，以OEM方式提供Profibus-DP的从站通信接口。用户不需要了解Profibus开发技术，不需要购买Profibus开发系统，每台需要联网通讯的第三方设备只需各采用一个智能通讯口与PLC的Profibus-DP接口连接，就可将不具备Profibus通讯能力的现场设备接入Profibus现场总线系统，其硬件连接图如图2。

图2 PLC与第三方设备的通讯

具体实现步骤如下：

1) 初始化智能通讯口OEM2，完成PROFIBUS站号、ID号、I/O数量、数据交换长度等设置。

2）修改OEM2智能通讯口的GSD（设备文件清单）文件DS _06FA.GSD,并将它复制到：SiemensStep7S7datagsd目录下；

3）更新Step7软件中的设备目录（Update Catalog）；

4）将现场第三方设备作为Profibus的一个从站集成到系统中。

采用本方案，大大简化了系统集成的难度，并具有很好的兼容性及扩充性，不同厂家，不同通讯协议的设备都可通过智能通讯口直接集成到标准的Profibus-DP现场总线上，并且新增加设备不会影响原有的设备及程序，只要在PLC上增加新的点位并作简单的设置即可。

系统的组态与实时监测

本系统采用西门子公司推出的WINCC监控组态软件对系统进行组态。WINCC集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。

用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。

我们共设计了33幅画面。包括系统登入画面、状态流程画面、空压机内部数据显示画面、操作参数显示与设定画面、工程参数显示与设定画面、历史趋势曲线画面、历史报警画面等。

用户可通过WINCC工作站直观地对现场所有设备进行监视，实现自动控制和操作，系统提供了故障自动报警、设备操作权限保护、设备操作自动记录及设备运行数据自动记录等功能，使得系统的检修维护和故障处理也变得简单、快捷。整个控制系统的实时监测性能应当说是比较理想的。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于S7-300系列PLC的动力站实时监测与控制系统设计”，作者为陈义清、张英。）