西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8选型说明

提高发酵水平，具有重要的经济和社会意义。以FX2n系列PLC为主控制器的生物反应器控制系统, 是以参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术理论为指导的发酵工程放大和优化的支撑工作平台，在发酵工程放大和优化上发挥了作用。作为项目“基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术及其生物反应器装置研究”的组成，被评为2OO1年上海市科技进步一等奖。本文介绍了系统的设计和组成。
关键词：发酵工程 PLC 放大和优化 数据存储 实时控制 软测量技术
1． 前言
发酵工程，利用细胞大规模培养技术，已深入到医药、轻工、食品、农业、环保各个领域，在国民经济中占有很大的比重。提高发酵水平，具有重要的经济和社会意义。基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，在发酵工程放大和优化上取得了很大的成绩。[1] 由于发酵过程的复杂性和高度非线性等诸多因素和多容量过程特征，使系统具有动态性和难以预测性，同时发酵过程严酷的工况条件，如高温、高湿、长周期发酵等都对生物反应器控制系统提出了严格的要求。以FX2n系列PLC为主控制器的生物反应器控制系统, 是新的发酵工程放大和优化理论的支撑工作平台。
2． 控制系统技术要求
1） 生物反应器控制系统的数据采样对象，温度、pH、溶解氧等环境参数是连续量。
2） 执行器，大部分是开关量，如电磁阀、隔膜阀等各类阀门，间隙工作的各类补料泵等。
3） 另有部分模拟量输出，如搅拌电机转速控制等。
4） 过程特征变量一般分直接变量和间接变量。发酵工程，是生物反应过程，过程特征中含有许多难以直接测量的生物变量，如摄氧率OUR，二氧化碳释放率CER，呼吸商RQ等，这些间接变量对基于多尺度法研究的新的发酵工程放大和优化具有极为重要的意义，只能把直接测量得到的直接变量，使用软测量技术，经函数运算，映射得到。直接测量的精度，稳定性和控制系统的运算能力决定了整个系统的品质。
5） 随着Internet技术的推广[2]，现代信息技术正在进入到每个领域，并且基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，是个全新的概念，正在逐步发展，需要国内各方面专家的协同努力，本系统应具有开放的通讯接口，在车间范围内组成局域网，并通过Internet ，使远方终端可以浏览现场数据，或进行干预。
3． 系统的组成
根据上述技术要求和以往的经验，我们觉得选用三菱公司的FX2n系列PLC是合适的。FX2n系列PLC有各种扩展模块可以选择，如FX2n-4AD-PT, FX2n-4AD, FX2n-232-Bd等扩展模块，适合模拟量的输入和数据通信；开关量可以直接输出；FX2n系列PLC指令集丰富，涵盖大部分运算。双字节浮点运算指令满足测量和运算的精度。
现场jingque传感器检测各种物理，化学，生物参数，输入FX2n-4AD-PT和FX2n-4AD等摸块，PLC运算后输出控制执行器，并和车间操作站数据交换。
人机界面采用三菱公司的A975GOT-TBA-B, 10.4英寸液晶屏带触摸键，画面丰富，还编制了多幅用户帮助画面，提供在线帮助，界面友好。
现场控制站安置在生物反应器旁，各类传感器和PLC安装在同一控制柜内, 变送器、PLC等供电回路加配交流滤波器。通讯用双绞电缆链往车间操作站，与PC-BASED结构相比,简化了现场布线。
车间操作站IPC, 带有以太网口，可以和其他PC机组成局域网；C++ 编写的多线程，多任务软件包，完成数据分析，趋势曲线，查询，打印等功能，并集成了TCP/IP, 便于远方终端在Internet网上访问 。图1是系统配置示意图。

4. 主要控制算法和PLC指令
相同的算法可以调用相应的子程序。
1） 带不灵敏度区的分程控制 温度、Ph等参数的控制规律如式1：

PLC程序中使用了区间比较16位指令ZCP。需注意的是执行该指令后，
要执行区间复位指令ZRST。图2是带不灵敏度区的分程控制

2) 扩展模块的初始化和pH 、DO 电极的标定

FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模块在次使用时，要根据被测工程量范围、滤波常数等初始设置；pH ,DO 等电极在正式使用前要标定，f(x)=ax+b, 用标准缓冲液定出a、b 使用双字节浮点运算指令FLT, BCD, DEADD, DESUB, DEMUL, DED等。
3) 数据的存储
PLC检测到的数据在送往操作站存储同时，也在PLC中实时存储，以提高系统的冗余度。
一般认为PLC不容易数据采集和存储[4]，FX2n 为我们提供了8K字存储区，可以满足每批发酵的数据量。我们使用了两种方法：1.定时采集 每隔一段时间采样一次,存储后,指针加1, 存储格式固定, 存储区的长度与已存数长度相配,不存时间。2.变化采集 当被采集的参数的变化值大于预定的记录精度,把此时的数据和时间存入存储区。使用变址寄存器V，Z，改变软元件地址号，对文件寄存器地址号变址修改。
4) 软测量技术的实现
jingque传感器测得信号后，PLC根据预设的生物数学模型运算，得到不能直接测量的间接变量[3]。如细胞代谢流信息之一摄氧率OUR，摩尔氧表示：

5. 小结
以FX2n系列PLC为主体的生物反应器数据采集和控制系统，性能稳定, 使用于发酵工程放大和优化，取得了很好的成绩，现已推广应用于疫苗、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、食品、农业、环保等行业，并在我国(包括传统生物技术和基因工程技术在内)发酵行业装备现代化技术改造和信息化进程中发挥了积极作用。本文研究的系统作为项目：”基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术及其生物反应器装置研究”的组成，被评为2OO1年上海市科技进步一等奖。

前 言

随着硫化机自动控制水平的不断提高，硫化机的温度压力数据采集记录方法经历了圆盘记录仪、打点式记录仪、智能化无纸记录仪乃至目前较先进的上位机监控系统。上位机监控系统界面友好、控制安全可靠、精度高、数据存储量大，已越来越受用户青睐。笔者采用电阻式触摸平板电脑作为上位机，把现场数据通过传感器采集经PLC处理后送入上位机，组成一个监控系统。

1、监控系统构成

整个监控系统由A／D模块、D／A模块、CPU、传感器、电气转换器、平板电脑组成，如图1所示。

上位机对数据进行分析、存盘、综合处理、打印、报警、图形显示、人机对话，并可通过数据传送对PLC进行控制。

2、监控软件的设计
2．1 窗体设计

在软件的编程过程中，人机界面（MM，）非常重要，因为它直接与操作员产生信息交流，友好的人机界面要求能真实再现控制设备的状态以及准确的采集所需参数的数据，这主要依靠VB 6.0的控件组合及原代码完成。整个人机界面包括硫化状态画面（主画面）、实时曲线画面、数据查看画面、历史曲线画面、工艺编辑画面、报警画面、口令画面、开关状态画面，各画面间可以相互切换。当然也可根据用产习惯编辑不同的人机界面，具有很好的灵活性。

主画面如图2所示，它实时采集硫化机温度压力信号，并将其保存在以日期为名称的数据库里。显示每锅轮胎硫化的时间、步序参数数据，产量、胶囊计数、本机目前的信息也一目了然，棒图控件能动态表明每条轮胎的硫化进程，并有百分数提醒操作员。如果某一阀门打开，主画面中相应阀门名称的颜色变化，管路里就会有液体流动的动画，形象再现了阀门状态的变化，这可以在picture控件中应用API函数实现。清零菜单可分别对左右计数和产量进行清零。单击通讯按钮通过串口与PLC通信，进行数据交换，数据采集频率可在Timer控件中设定。主画面为监控系统的窗口，基本上所有操作员需要了解的数据都集中在这里，其画面的友好程度及功能的完整性直接影响人机界面成功与否。

实时曲线画面实时跟踪硫化机的温度压力参数，可分为圆盘型和直线型。圆盘型尊重原有圆盘记录仪的习惯，以为单位，实时记录每一时间的数值，在实时数据与上一时间数据间画圆弧，这样能准确显示数值的变化情况。直线型以一小时（一般轮胎硫化时间在一小时内）为单位显示，如果采集完一个小时数据，则实时曲线以采集频率从右向左漂移，这时在Picture控件右端显示当前数值对应的曲线，这种动态漂移效果可由bbbbbbS API函数实现。这两种曲线方式各有千秋，前者可以直观了解当天所有轮胎的曲线情况，但上位机的显示屏显示数据，图形就显得小，分辨率不高。者清晰度高，但只能显示当前一段时间的映线，如果需要更长时间的曲线，得从历史画面中查看。一般来讲，两者兼顾应用，相得益彰。

每天采集的数据都存放在当天的数据库里，要查看哪天的曲线只要打开该天的数据库就可以画出该天的历史曲线。

工艺编辑画面：所有需要修改的参数都集中在工艺编辑画面里，步序、分步时间、阀门状态、PID参数、延时设定、硫化规格、机号都可修改。该画面功能多，操作较为复杂，但主要还是围绕数据库做文章。建立一个数据库与Treeview控件联接，数据库中包括各种工艺号，每个工艺号为一个表（Table）。单击表名，该表的内容显示在Datagrid控件中，可以通过键盘修改表的内容。

其它画面不再详述。

2．2 上位机与PLC间的通信

在上位机链接通信中，上位机多是以主态同PLC进行通信，命令一般从上位机发至PLC，任何数据都能从PLC发送至上位机。两者间的通信通过上位机的串口与连接实现，并遵循RS-232协议，其命令格式为：

响应码为：

用V 8 6．0编写通信程序时，要用通讯控件（Mscomm）。将通讯控件调入后，还需编通信代码，如PLC采集的内温、内压、外温、外压存芯正数据区DMOOOONDM0003，主画面的内温、内压、外温、外压分别显示在Label 1（0）～Label 1（3）中。则在VB6.0下建立的通信代码如下：

Private Sub Timer 1-Timer（）
bbbb l. MSComm l. CommPort=1使用COM l端口
bbbb l. MSComm l. Settings=9600,e,7,2设置通信条件
bbbb l. MSComm l. Port Open=True打开串口
R$=@ 00RD00000004读PLCDM0000-DM 0003的内容
RD$=R$+fcs（R$）
bbbb 1. MSComm 1.In Buffer Count=0
bbbb 1. MSComm 1.Output=RD$+Chr$（13）发送命令
Do
Dummy=Do Everts（1）
Loop Until bbbb 1. MSComm 1. In Buffer Count>=27
Inbbbbbb$=bbbb1. MSComm 1. bbbbb接受数据
Label 1（0）. caption=MID$（inbbbbbb$,8,4）
Label 1（1）. caption=MID$（inbbbbbb$,12,4）
Label 1（2）. caption=MID$（inbbbbbb$,16,4）
Label 1（3）. caption=MID$（inbbbbbb$,20,4）
From1. MSComm 1. Port Open=Faise
End Sub

数据是以帧为单位发送的，每次接受一帧时计算FCS并将结果与包含在帧中的FCS比较使之能检查帧中的数据错误。FCS是转换成2个ASC Ⅱ字符的8位数据，这8位数据是对帧开始数据直到此帧正文结束的数据进行异或运算的结果。VB 6.0下的FCS函数代码如下：

Function fcs（O$）
Dim B％，I％，Ⅱ％，FF$
B％=0
Ⅱ％=Len（O$）
For I％= I TO Ⅱ％
B％=B％×or Asc（Mid（O$，I％，1））
Next I％
FF$二He×$（B％）
1f Len（FF$）=1 Then
FF$=0+FF$
End If
Fcs=FF$+＊
End Function

3、结束语

本例已成功地应用于硫化机自动控制系统中，从实际运行情况，状态良好。当然，它有待不断完善，使之画面更丰富，功能更强大。

、引言
医药小丸包衣制粒机是用于实验室或小批量生产小丸颗粒的制药设备。由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改；同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件 的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。

2、小丸包衣制粒机系统组成
小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。药粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向上流过，当流速达到一定速度时，颗粒(药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能完全充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，因而能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制药过程。

图1 小丸包衣制粒机系统组成

3、系统主要控制要求
小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。
(1) 产品温度控制
通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。
(2) 进风风量的控制
控制精度为±40m3/h。
(3) 雾化压力的控制
即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。
(4) 密封压力的控制
产品容器必须与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。
(5) 滤袋的抖动控制
抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。

4、控制方案的选择
4.1 两种不同方案的比较
小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1：

在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求佳的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，同时环境良好，因此采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。换句话说，利用公用PC机即可作人机界面。
4.2 PLC硬件配置
根据前面对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行可靠、编程简单，具有可观的经济性和更强的适应性，完全可以满足上述控制要求。
4.3 人机界面组态软件
组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程, 组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，因此选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示：

图2 控制系统的构成

5、系统硬件设计
控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了中央处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的中央处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出地址分配如表2所示：

图3 PLC外部接线图

6、系统软件设计
6.1 PLC程序设计
主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。

图4 主程序框图

6.2 人机界面组态
组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二极管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示：

图5 设备控制画面

7、结束语
由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，同时与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行可靠稳定，受到广大用户的好评