【摘要】本文主要闡述了鋁廠石灰消化工段PLC實現自動控制的原理及方法。主要內容包括： 上位機組態，下位機組態，電氣控制系統。本文為工廠自動化控制提供了目前流行的解決方案，在設備可靠運行的前提下，不僅實現了設備的自動控制同時也實現了工廠要求的控制精度。  

關鍵詞：工廠自動化     電氣控制      組態      PLC

第一章  緒  論

1.1 課題的提出及研發的意義

受氧化鋁廠的委托為其研發石灰消化工段的自動控制系統。要求采用最簡約的硬件資源實現該工段生產過程的自動控制。該系統研發完成后將實現對該工段被控設備的可靠控制，監控該工段各模擬量的狀態，并能實時記錄操作員在上位機對重要被控設備的有效操作，以及現場被控設備的報警信息，并能對操作員進行有效的提示。

1.2 控制方案的確定 

工業控制自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術，對工業生產過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策，達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術，主要包括工業自動化軟件、硬件和系統三大部分。

工業控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。

(1)．以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化

在我國，中小型企業以及準大型企業走的還是低成本工業控制自動化的道路。

(2)． 以PLC為基礎的工業控制自動化

PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。　現在PLC正在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展。

(3)． 以DCS為基礎的工業控制自動化

DCS系統是隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復雜應運而生的綜合控制系統，它是計算機技術、系統控制技術、網絡通訊技術和多媒體技術相結合的產物，可提供窗口友好的人機界面和強大的通訊功能。是完成過程控制、過程管理的現代化設備。

(4)．工業控制系統正在向現場總線（FCS）方向發展

     FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備（Field Device）中。 采用現場總線技術構造低成本的現場總線控制系統，促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統的技術發展趨勢。    

PLC有其自身的諸多特點，如下所述:

1）運行穩定，可靠性高。在硬件和軟件上做了大量的抗干擾措施，使PLC的平均無故障時間達到30萬小時以上，使用壽命長。

2）控制功能強。PLC可以實現順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等等。

3）編程簡單，使用方便。PLC采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較直觀，易懂易編。

4）適用于惡劣的工業環境，抗干擾能力強。PLC在硬件和軟件上都做了大量的工作來提高其可靠性。其中的措施是:(a)屏蔽，濾波，電源調整與保護，隔離和采用模塊式結構。(b)故障檢測，信息保護和恢復，設置了警戒時鐘WDT，加強對程序的檢查和校驗，對程序及動態數據進行電池后備。

5）功能完善，具有各種接口，與外部設備連接非常方便，并且組合靈活，擴展方便。

   綜合考慮該石灰消化工段控制的規模，控制精度的要求以及現場的實際情況，決定用PLC作為基礎構架該工段的自動控制系統。PLC選擇型號為SIEMENS S7-300，上位機組態選擇選擇WinCC6.0，PLC編程軟件選擇Setp7 V5.3。

  第二章 系統概述

2.1系統功能

HMI作為控制系統與操作員的接口，在上位機上可以命令PLC實現預想的功能，比如可以在上位機組態畫面上完成對電機的啟停控制，對特殊功能部件的監控，如：對該工段定量給料機的監控。組態畫面上也包含了報警畫面，可以顯示該工段各模擬量的報警信息，同時也可用來顯示操作員在登錄之后對被控設備的所有有效操作，變量規檔畫面用來顯示一定時間（比如一周）以來各量的過程值，可用于統計生產總量。用戶登錄選項設置了用戶登錄后的操作權限，一般用戶只具有瀏覽工段生產流程的權限，不能對被控設備進行任何有效操作，比如對電機的啟停，系統操作員具有系統賦與的所有權限，可以對被控設備進行任何有效操作。模擬量趨勢用于實時監測模擬量，實現了生產工藝要求的控制精度。

2.2 系統組成

整套系統由上位機，下位機和控制電路組成。

上位機用WinCC6.0組態，并用MPI方式通過CP5611 實現與下位機的通訊，是用戶直接可見的操作平臺，用戶對上位機的操作將被實時傳送給下位機，并在上位機上進行有效的記錄。

下位機作為本系統的核心部分，采用SIEMENS S7-300 構架，用梯形圖語言對PLC編程，實現了現場要求的控制目的，收集來自現場的數據并進行相應得處理，并與上位機進行實時的通訊，進行數據交換。

控制電路是PLC實現數據采集的重要環節，同時也是PLC完成其控制功能的重要環節，該部分主要包括繼電器電路，以及輸入輸出控制電路，

與PLC一起置于控制柜中。

2.3 控制系統的操作流程

2.3.1 啟動上位監控計算機

1、打開UPS電源開關；

2、打開上位機電源開關，上位機自動啟動；

3、待出現操作系統登陸畫面后系統出現“請輸入有效的用戶名和密碼”提示后，在“用戶名”處輸入已經建立的用戶名，在“密碼”處輸入相應的密碼，然后點擊“確定”按紐，之后系統進入到桌面。

2.3.2、WinCC6.0人機界面的啟動

計算機啟動完成后在桌面上用鼠標雙擊WinCC系統圖標系統自動啟動。如果是第一次啟動系統會打開WinCC人機界面，這種情況下單擊界面上方工具欄中的黑色箭頭運行程序，程序啟動后會進入石灰消化工段的主控畫面，如下圖1所示：

從總體來看車間畫面的布局可分為三大部分，最上面一行按鈕為系統功能按鈕，單擊其中一個可實現不同功能畫面的切換以及用戶的登錄和注銷等操作，將在第四章上位機組態中詳細敘述各個部分的具體功能及操作。

2.3.3用戶登陸與注銷

進入石灰消化倉主畫面后點擊窗口上方系統功能按鈕中的“用戶登錄/更改用戶”進行登陸。如果用戶不登錄，只能瀏覽監控系統的主要數據，但不能對監控系統進行任何有效的操作。

左鍵單擊“用戶登錄/更改用戶”將彈出如下圖2所示的對話框。

輸入相應用戶名及口令后點“ 確定”按鈕，即可完成用戶登錄操作。當需要更改操作員時，重復上述操作即可。

注意：操作員登錄之后，進行完所有控制操作，必須再次點擊操作窗口上方的“用戶登錄/更改用戶”按鈕，在彈出的登陸對話框里面選擇“退出登錄”進行身份注銷，否則，若操作員離開了，別的任何沒有經過授權的人員仍然能夠進行控制操作，這是系統控制所不允許的。

2.3.4  退出系統

當系統正常運行時，出于系統可靠性的考慮， Windows操作系統下的很多快捷鍵被設置不可用。系統設有專門用于退出系統的按鈕，當需要關閉控制系統進行控制系統或設備的維護時，左鍵單擊退出登錄按鈕，將彈出如下圖3所示的對話框：

左單擊“確定”按鈕后，將退出控制系統，如單擊“取消”按鈕，則返回相應的畫面。

   注意： 系統正常運行時不允許任意退出系統，若由于某種需要必須執行退出系統操作時，必須先保證現場由PLC輸出的模擬量信號（一般為4-20毫安信號）控制的設備（比如電磁調節閥）的開關打到手動上。 

2.4 系統的設計開發工作

本文在參閱了大量國內外技術文獻，在課題的設計研發過程中，解決了很多技術難題。所做工作及解決的主要問題的內容如下：

1）通過對現場充分調查，深入細致了解被控設備的實際應用、工人的生產習慣和現場的工作環境，根據當前工業自動化的現狀及主要解決方案，確定該控制系統的解決方案和技術路線；

2）下位機組態。在PLC中用梯形圖編寫程序，可以實現對被控設備的實時控制，采集被控設備的狀態數據；

3）上位機組態。上位計算機的工作平臺采用微軟公司的Windows2000 server操作系統。上位計算機的組態用WinCC6.0實現，包括上位機與下位機的實時通訊，系統主控畫面的組態。

4）電氣控制系統：包括PLC供電系統以及與現場設備連接的繼電器電路。 

第三章 下位機系統

3.1  下位機的硬件系統

3.1.1 下位機的硬件系統組態

該石灰消化工段共有80路數字量輸入,40路數字量輸出,8路模擬量輸入和2路模擬量輸出,同時考慮到一定的裕量，決定采用S7-300系列PLC構建該控制系統，具體硬件資源分配如下表1所示：

表1 PLC站硬件資源

按照上述步驟加入其它模塊，最終下位機的硬件系統組態如下表2：

表2 硬件組態結果圖

3.1.2 可編程控制器(PLC) 工作原理簡述

PLC采用循環掃描工作方式，即用戶程序的執行按圖4所示的順序進行：

PLC的掃描方式有以下兩種:

網絡掃描方式：PLC的用戶內存是以網絡的方式體現，把用戶內存按順序分成許多網絡，每一個網絡由X行Y列組成。PLC在工作時，按網絡順序掃描，首先掃描1號網絡，然后2號網絡?直到掃描完全部網絡，便完成一個掃描工作循環。然后返回1號網絡開始新的掃描工作循環。

行掃描式：PLC首先掃描第一行，然后第二行……，掃描完全部行便完成一個掃描工作循環，然后返回第一行開始新的掃描循環。在掃描每一行時，程序執行是從左到右進行。因此，在一個掃描周期內，某邏輯行的執行結果對后續邏輯行的運算起作用，但對其以前的邏輯行的運算不起作用，只能到下一個掃描周期才會對其前面的邏輯行起作用.下圖是PLC初始化工作流程圖5：

3.2 下位機的軟件系統 

PLC程序是整個控制系統的核心程序，主要作用有采集輸入模板上的數字量狀態信息，對設備的狀態進行監視；根據用戶傳入的工件程序，驅動設備進行加工；接收用戶從按鈕站上發出的控制指令，驅動設備執行指定的動作；根據設備產生的故障，送出故障信息等。

3.2.1 step 7 簡介

該控制系統的PLC程序在Step7 V5.3 環境下用梯形圖編寫，可以方便地將S7-300 全部的功能加以利用。Step7包含了自動化項目中從項目的啟動，實施到測試以及服務，每一階段所需的全部功能它包括功能強大，適用于各種自動化項目的工具。

3.2.2下位機軟件設計

下位機軟件設計具體步驟如下：

軟件系統由一個OB模塊，3個數據塊（DB4，DB6，DB14）以及六個功能模塊（FC1-FC6）組成。下面給出主要部分的程序代碼及詳細解釋，源代碼如圖6至圖9所示：

 

1） 模擬量的轉換

現場的傳感器將模擬量實際值轉換成4～20mA信號，而AI（16位）模塊將4～20mA信號經過A/D轉換，變成一個內碼數0～27648。PLC讀取的端口數字僅僅是一個內碼值，這就需要編程將此內碼數變成實際值送上位機顯示。公式如下：

實際值 =×（實際值上限-實際值下限）+實際值下限

梯形圖編程如圖10：

2）數字量的處理

數字量的處理包括數字量的輸入和輸出。在本項目中，每個遠程RIO站的數字量輸入存放到不同的DB塊中，RIO1中為48個點，存放到DB4中；RIO2中為96個點，存放到DB3中；RIO3中為32個點，存放到DB5中；RIO4中為64個點，存放到DB7中。數字量的輸出是通過PLC編程后直接輸出。

1）建一個數字量的DB塊，將數據屬性定義為BOOL。

2）建立一個讀外設口數據并存入相應的DB（以DB3為例）塊中的功能塊FC。

在系統中完成了對電機的啟停操作，對模擬量的模數轉換，報警控制及自動處理，以及與上位機的通訊。下面僅以石灰消化工段。電機的啟停對程序做具體介紹：

   OB模塊源代碼01的第三段程序中，電機的啟動必須滿足6個條件，即

必須有I0.6和I1.0 兩個數字量輸入，PLC內部的兩個M位必須置位，M20.1對應上位機WinCC組態畫面中。電機操作畫面的啟動按鈕，當按下啟動按鈕時與PLC相連的M20.1被置位。M30.0為預報信號，當電機控制箱打到手動狀態并且空氣開關閉合時，M30.0被置位。當操作員按下電機啟動按鈕時，繼電器觸點吸合，將220V電壓引入。電機回路。電機啟動；啟動后再按下。電機停止按鈕，M20.0被清零于是Q0.1輸出為零，繼電器觸點張開，切斷220V電源，電機停轉。

第四章  上位計算機組態

4.1 上位機的組態軟件WinCC6.0

     SIEMENS WinCC6.0是西門子上位機組態軟件的全新版本，不僅繼承了以往版本的SCADA，組態，腳本語言和OPC等先進技術，也繼承了西門子公司的全集成自動化產品的先進技術和無縫連接的特點。

     作為SIMATIC全集成自動化系統的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S5，S7和505系列的PLC連接的方便和迅速的高效；WinCC與Step 7 編程軟件的緊密結合縮短了項目開發的周期。此外，WinCC還有對SIMATIC PLC進行系統診斷的功能，給硬件的維護提供了方便。

4.2 主要組態畫面及操作

4.2.1 主畫面及操作

主畫面如圖11中間為該工段的工藝流程簡圖，是系統的主要操作區。在正常工作的時候操作員就是通過該區域來監視和控制車間的運行情況。畫面中的皮帶機以及石灰乳槽的攪拌器都會有動畫顯示其運行情況，如果石灰乳槽的攪拌器運行畫面上的攪拌器就會閃爍。另外，皮帶機、犁式電動卸料機、化灰機、污水泵、除塵下料電機等都是可操作部件。這些可操作部件的文字標簽底色代表了它們的運行狀態，黃色代表停止，綠色代表運行。單擊其文字標簽會彈出相應的可移動操作窗口，用戶可以通過該操作窗口對相應的部件進行操作。

左鍵單擊各被控設備文字，彈出該工段所有被控設備的控制界面，如下圖12所示：

下面具體介紹對某個設備的操作。例如單擊“17#皮帶”文字會彈出如下操作窗口，如圖13：

. 狀態欄：顯示窗口名稱及該窗口是否被中，選中該窗口后顯示深藍底色，否則為灰色。單擊狀態欄右邊的“×”可以將該操作窗關閉。

. 自動/分散狀態顯示：顯示17#皮帶的操作狀態，其狀態與機旁控制箱狀態一致，不可操作。“分散”表示近程手動控制、“自動”表示遠程自動控制。

. 工作狀態顯示：顯示17#皮帶的工作狀態，紅色代表停止，綠色代表運行。

. 操作按鈕：在機旁控制箱打到“自動”狀態的條件下，通過這三個操作按鈕可以控制皮帶的工作狀態。在控制箱上的轉換開關為“分散”時，三個按鈕的字體顏色均為暗色，按鈕處于不可操作狀態。如果控制箱的轉換開關從“分散”打到“自動”，“預報”按鈕的字體顏色將由暗色轉為黑色，按鈕進入可操作狀態，這是只要用鼠標左鍵單擊“預報”按鈕，皮帶旁的電鈴就會響起，同時“啟動”和“停止”按鈕都會進入可操作狀態。單擊“啟動”按鈕，皮帶就會啟動，同時電鈴停止。只有在按下“預報”按鈕得條件下，“啟動”按鈕才可操作。如果電鈴已響起或皮帶已經啟動，單擊“停止”按鈕可以停止電鈴或皮帶。

除了這些開關部件畫面上還有一些需要觀測或控制的模擬量：熱水槽的液位、石灰乳槽的液位、石灰倉的物位和流入化灰機的熱水的流量。熱水曹、石灰乳槽和石灰倉的液位或物位都有直觀的棒圖顯示和精確的數值顯示，如下圖14所示：

  流入1#化灰機和2#化灰機的熱水的流量是該工段中兩個可控制的模擬量。調節相應氣動調節閥的滾動條可以控制流量的大小，在實際操作的過程中可以結合畫面上的流量顯示及閥門開度顯示調節流量的大小，如圖15。

　  車間畫面的最下方是一排控制按鈕。單擊其中的任何一個都會彈出相應的操作窗口，內容與17#皮帶機操作窗口中的內容類似，這里不再贅述。

4.2.2模擬量趨勢畫面

在主畫面的上方點擊“報表及趨勢顯示”按鈕畫面會切換到模擬量趨勢圖（圖17）。模擬量的趨勢主要包括實時趨勢和歷史紀錄兩種,它是以趨勢圖的形式實時顯示被測模擬量數值的歸檔。模擬量數據每500毫秒歸檔一次，歸檔數目為一千條，歸檔數滿則新歸檔值的覆蓋最早的歸檔值。

畫面中共有5個模擬量趨勢窗口，分別顯示的對9個模擬量的歸檔數據。每個模擬量趨勢窗口的最上方是狀態欄，上面顯示曲線的名稱。在被選中的情況下狀態欄的底色為深藍色、否則為灰色。狀態欄的下面是工具欄。

具欄圖標功能介紹：

1.功能介紹

點擊圖標后，顯示垂直線標尺。在趨勢窗口下面，除了歸檔和變量名稱外，還顯示測量值的X和Y坐標，X坐標是時間坐標，Y坐標是測量值坐標，按住鼠標左鍵的同時，把鼠標指針指向標尺并把指針移到期望的位置，可以確定它的測量值。

2.趨勢前進和后退

圖標是選擇當前趨勢的后一個趨勢，不管是在趨勢圖表還是歷史紀錄圖表，都會將第一條圖表作為當前圖表，該圖表不能被隱藏，操作圖標后，將使實時趨勢（歷史紀錄）圖表中各條曲線循環左移，當前圖表成為最后一條，第二條則變成第一條，依次類推。 相反，點擊之后，將使時實趨勢（歷史紀錄）圖表中的各條曲線循環右移，最后一條變為第一條，第一條變為第二條。

3.

該按鈕操作對應于組態系統中的再現趨勢控件的屬性，通過點擊此按鈕，可以打開作態對話框。

4．顯示和停止趨勢圖

點擊圖標，開始顯示趨勢，在趨勢窗口中可以看到曲線不斷的變化，當點擊 時，停止顯示趨勢，這時采樣繼續進行，數據保存在剪貼板上，當再次點擊時，自動將剪貼板上的數據填補到趨勢曲線中去，保證趨勢圖的完整。工具欄的下面是趨勢坐標圖，顯示10分鐘內的模擬量趨勢。

4.2.3報警畫面

在石灰消化工段主畫面的上方點擊“報警記錄”按鈕畫面會切換到如圖4.9所示的報警記錄畫面。報警記錄是用來顯示發生報警的數據及相應描述的畫面，可以實現對工藝中所有的模擬量和數字量的報警信息的歸檔。本系統能對一個月時間內發生的報警進行歸檔，超出一個月后新產生的報警歸檔會覆蓋最早產生的歸檔。也可以把報警信息存在硬盤的相應位置，以備查看歷史報警信息的需要。進入報警畫面后，點擊即可自動切換到當前報警發生的畫面。

報警畫面上反映了何種設備發生了故障，并能給出發生故障的時間，以及故障持續的時間，并能給出有效的提示，比如當有報警信息時字體為紅色當報警排除時字體為綠色。

   在報警畫面的工具欄上共有18個按鈕，其中以前三個按鈕最為重要。打開報警畫面時顯示的是當前的報警信息，若要查閱最近一周的報警信息則要左單擊第二個按鈕，若要查看最近一個月的報警信息則要左單擊第三個按鈕，報警畫面最多可顯示1000條報警信息，若超過1000條，最新的報警信息將覆蓋最前面的報警信息。

4.2.4報表系統

      WinCC上組態的報表系統用于工段統計產量，統計設備安全運行的時間等。其格式靈活多樣，既有系統提供的格式也有用戶自定義的格式。

      報表系統的組態在報表編輯器中實現，組態完一個報表系統后，要進行相應的設置。比如打印機的設置，包括設置打印的時間，打印機使用的紙張設置，以及打印規格。

      相應的設置完畢后，還必須在計算機選項“運行系統”中選擇報表系統，因為WinCC在默認條件下并沒有加載打印報表功能。當完成上述操作后，下一次啟動系統時將加載打印報表功能，這時只要連接上打印機，系統就會按照預先的設置完成打印作業。

4.2.5 設備控制和狀態顯示

將所有的標簽做好以后，還要將所有的標簽和畫面聯系在一起，這樣才能在畫面上顯示出來。在“圖形編輯器”中打開畫面，模擬量數據一般都是在輸入輸出域或棒圖上顯示，設備狀態是靠顏色變化顯示，設備的控制分為自動控制和上位機手動控制，上位機的手動控制可以在計算機上利用按鈕來實現。

1. 模擬量顯示

模擬量的數據是通過PROFIBUS現場總線傳送到計算機，在輸入輸出域的屬性中，選擇輸入輸出值作一個變量連接，選擇對應的標簽作為變量，將域類型設置為輸出，連接完成以后就可以從PLC讀取數據，下圖18是溶解氧讀取的輸入輸出域屬性。

1. 數字量讀取

數字量的讀取和模擬量數據的讀取類似，一般數字量都是設備的狀態，在畫面中插入一個標準對象，例如：一般插入一個圓，設置這個圓的屬性，用顏色改變來顯示設備狀態，利用動態對話框將相應的標簽和顏色連接起來，

2. 數字量輸出

設備的遠程手動控制也是靠標簽連接按鈕來實現的，在按鈕的屬性中選擇“事件”中的“釋放鼠標左鍵”，對其中的C動作如下進行編譯，來進行設備的啟、停控制。

#include "apdefap.h"

void OnLButtonUp(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName, UINT nFlags, int x, int y)

{SetTagBit("1#qianshuibengstart",1); 

SetTagBit("1#qianshuibengstop",0);

END

}

第五章  結束語

本課題所研究的系統是一個涉及面較廣，較為完整的測控系統，綜合運用了通信、PLC、計算機、智能檢測及自動化等現代化信息技術，實時進行重要設備信息（如流量，溫度）檢測、設備狀態監控等，實現工廠設備管理的數字信息化和監控自動化，解決了對工廠各被控設備實施有效監控的問題。通過本課題的設計，對控制系統的組成和控制算法的實現有了更深一步的了解和研究。對于本專業的知識有了更為全面的了解和認識。在信息技術日益發展的21世紀工業自動化系統正向簡單可靠，性價比高的方向發展，并與網絡的應用關系更加密切。相信功能更強大，監控更可靠，性價比更高的控制系統在不久的將來一定會應用到工控領域。