西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8参数设置
1 引言
随着水电厂“无人值班”(少人值守)工作的不断开展，以及电力体制的改革，对水电厂的自动化技术提出了更高的要求。计算机技术、信息技术和现场总线技术的飞速发展给水电厂自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水电厂自动化系统应该成为一个集计算机、控制、网络以及多媒体为一体的综合系统。
当前，计算机监控系统一般采用全分布、开放式结构，设电厂级和现地控制单元级(注:Local Control Unit，在本文中均以LCU表示),其系统结构原理如图1所示。
图1 水电站自动化系统原理与结构图
LCU主要是就地对机组运行实现监视和控制，一般布置在发电机附近，是计算机监控系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令后都在此发出，因此LCU可以是整个监控系统中重要的、对可靠性要求很高的“一线”控制设备。LCU按照结构和配置来分，可分为单板机—总线型结构LCU、以可编程控制器为基础的LCU、智能I/O模件配工业实时网构成的LCU等三种，
本文以选用了功能优越、的MB80 PLC作为电站LCU控制核心。并以此对MB80 PLC的功能特点和MB80 PLC在水电厂自动化系统中的系统结构、功能和应用作一些探讨。
2 MB80 PLC功能及特点
MB80系列PLC是南京南瑞集团公司开发的MB系列可编程逻辑控制器家族中的中、产品。该产品采用了工业控制领域的一系列新成果和新思想，生产过程中采用先进电子生产工艺。
2.1 MP80 PLC硬件主要特点
(1) 主控模块CPU MB80 CPU采用486或Pentium等高性能工业微处理器，具有强大的数据处理能力、运算能力及通讯处理能力;软件采用实时多任务的嵌入操作系统;支持以太网。
(2) I/O模块全部智能化。模块自身具有数据处理及自诊断功能，模块运行出现故障时能够自动复位并重新启动;另一个突出优点是所有I/O模件均支持热插拨。
(3) CPU与I/O模件之间采用CAN现场总线网络，通讯速率快、抗干扰能力强，且易于扩展。
(4) 串口通讯功能强大。MB80串口通讯模件，独立完成串口通讯任务，与CPU仅完成数据交换并单独使用一路CAN网，与I/O模块CAN网分离，大大减轻了CAN网的通讯负担，且不占用CPU资源;该模件大支持8个串口(RS-232/485)，每个串口均可独立编程。
(5) 开出模件动作可靠，具有输出保护功能:每组输出都有保险丝保护，过载时能够自动保护模块;密码锁功能:每路输出均采用密码锁功能，确保不会误动及拒动。
(6) MB80 PLC具有灵活的配置,典型的配置一般包括:
●某一型号CPU;
●模块插箱(多可扩展7个);
● I/O模块;
●电源模块。
另可选配:
●以态网通讯模块;
●串口通讯模块;
●同期模块;
●其它特殊功能模块。
由以上的配置可组成:双机双网系统、单机双网系统、单机单网系统。
(7) MB80 PLC可方便地与其它设备或系统接口
●控制对象;
●监控软件、上位机系统;
●需串口通讯的智能设备;
●GPS时钟;
●触摸屏等人机界面。
2.2 MP80 PLC编程软件主要特点
编程软件MBPRO为MB80 PLC提供了方便、友好的编程环境。MBPRO为全中文操作菜单，符合bbbbbbs操作习惯，易学易懂。
(1) 项目管理采用树型结构，通过目录树可以迅速查看硬件配置，子程序及流程;
(2) 两种编程语言:梯形图和流程图;
(3) 直观的在线监视功能，支持在线修改;
(4) 方便的流程在线调试功能，流程图调试支持自动执行、调试执行及单步执行;
(5) 便捷的数据库在线查询功能，在线可查询及强制测点值，可查询SOE事件及流程报警信息;
(6) 支持中文注释;
(7) 窗口交互编程软件直观方便。具体包括菜单栏、系统工具栏、梯形工具栏(或流程工具栏)、目录栏、信息栏、状态栏和编辑区，所有界面及操作均为全中文方式，简单、易学、易操作。
●菜单栏可实现编程软件的主要功能。参见附表。
●系统工具栏是把操作或编辑过程中经常用到的一些功能以图标的方式放置在编辑区的上方，便于操作起来方便。它们所实现的功能通过菜单栏操作都可以实现。梯形工具栏是将菜单栏“梯形”中的部分操作和功能模块以图标的形式放在编辑区的上方，便于编写梯形程序时使用。
●流程工具栏是将菜单栏“流程”中的部分操作和功能框以图标的形式放在编辑区的上方，便于编写流程时使用。
●目录栏是将整个文件以树型目录的形式进行管理。它分为三个部分:硬件配置、梯形图和流程图。
●信息栏可以查询或修改所有基本I/O测点和虚拟测点(寄存器、定时器、计数器、变量)的信息，包括其测值及各种属性，通过信息栏下排的按钮可以在各种测点之间切换。
●状态栏位于屏幕的下方。状态栏右侧依次为强制标记、PLC图标、在线/离线标记。状态栏左侧指示系统工具栏和作图工具栏的操作内容，例如，将鼠标指向系统工具栏的图标，状态栏会显示“建立新文档”，表示鼠标按下后执行的操作将是建立一个新的文件。
3 控制核心LCU系统实现及功能
3.1 配置与结构设计
本文以MB80 PLC在四川洪坝水电站LCU的实现为工程背景进行讲述。该水电站位于四川省石棉县境内，电站装机为二台50MW的水轮发电机组，多年平均发电量5.088亿kW·h，保证出力22.22MW。此电站选用了性价比较高的MB80 PLC作为电站现地控制级主控单元。LCU主要实现数据量采集(数字开关输入量、模拟输入量、温度输入量等)、设备控制(数字开出量等)、数据通讯(串口通讯、以太网通讯)、人机界面等功能。具体控制结构如图2:
图 2 机组LCU系统结构图
在系统配置中，主控单元主要由智能CPU、智能开关量输入输出模件、温度量输入模件、模拟量输入模件、智能通讯模件组成。
主控单元配置方案如图3所示。
图3 MB80 PLC配置方案图
3.2 控制系统核心CPU611
该CPU自带100Mbps以态网口，支持TCP/IP MODBUS协议，可与后台计算机通讯，从而实现后台对对LCU的监控功能，它们之间的通讯选用光缆作为通讯介质，这样能提高系统的抗干扰能力和数据传输速度;配置高性能的32M电子硬盘，32M内存;提供大开入/开出点数为2048/2048，模拟量点数为1024点;除了能提供位、字寄存器外，突出优点是提供了变量寄存器V，在PLC编程中可以根据需要灵活地定义变量的个数(大1024)、维数、类型等;CPU提供两个串口，均支持MODBUS协议，在本工程中其中一个串口与触摸屏连接，使触摸屏可以监视PLC采集到的数据，也能控制操作现场设备。
3.3 为串口通讯模块CPM418
该模块独立完成串口通讯任务，与CPU仅完成数据交换且单独使用一路CAN网，不占用CPU资源，与I/O模块CAN网分离;共有8个RS-232口，每个串口均可单独编程，编程语言为C;能够根据实际需要灵活地与其它智能设备通讯。在本工程中，串口1采用MODBUS协议与交流采集装置通讯;串口2、3、4分别与调速器、励磁、机组油压装置通讯;这样PLC通过CPM418的各个串口获取各个装置的数据信息，也可以对相关装置发控制命令。针对水电厂被控制对象分散的特点采用串口通讯方式将分散在现场的智能I/O、智能控制器连成一体，提高了系统的自治性和可靠性，节省了大量的信号电缆和控制电缆。
3.4 SOE型32点中断开入量模件IIM214
模块每个测点都具有SOE事件顺序记录功能，输入信号发生变位时能自动交变位信息及动作时间送至CPU，事件分辩率可达1ms，能准确分辨出信号动作的先后次序，准确分析设备状态。DIM214、DOM214分别为32点开入量、开出量模件;TIM212、AIM212分别为温度量、模拟量输入模件。
所有输入模件均采用端配板，端配板与模件之间使用专用连接电缆，使连接更可靠，更简便，占用空间更少，减少了复杂的配线工作，方便维护及查找故障。
4 PLC软件设计
软件设计主要需完成数据处理、上位机及外部智能设备的通讯和.水轮机组及其辅助设备的控制两大功能。对于项可以用PLC传统语言—梯形图编写，对于第二项，若要用梯形图编写则是一项逻辑简单但编写复杂的事情，但MBPro编程软件的流程编程语言则很好地解决了这一问题:目前国内设计院或用户提供的顺序控制流程或设备操作闭锁条件都是用梯形图的形式来表示，MBPro编程软件的流程编程语言即是基于上述情况所开发的一种新型编程语言。它采用面向对象的方法，提供了直观的、交互的编程方式来生成顺序控制程序。对顺序控制来说，它是一个为自然的语言，只要用流程图组态出一个控制的全过程，那么相应的控制程序已完成。采用流程图与梯形图结合的编程方法则可以完成非顺序控制等复杂流程。编程界面见图4。
1 引言
随着自动化水平的日益提高，基于触摸屏技术的人机界面（HMI）技术应用日益深入到装备制造业的各个领域。同时，随着HMI的功能和配置升级，原来较为复杂的一些控制领域也得到应用，呈现触摸屏技术出特有的人性化友好和信息化人机工程优势。本文的把HMI应用到点胶机器人上的控制监控管理，就是典型的案例。
电路板表面贴装技术（SMT）工艺流程由丝印（或点胶）；贴装（固化）；回流焊接；清洗；检测等工艺环节组成。丝印或点胶工艺作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为丝印机（丝网印刷机），位于SMT生产线的前端。点胶是将胶水滴到PCB的的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机，位于SMT生产线的前端或检测设备的后面。因此关键工艺设备点胶机器人得到越来越广泛的应用。
2 系统分析
对于自动化点胶机器人来说，其主要动作有两种：一种是到达每一位置点后点胶一次，例如按键类的点胶处理，此种处理容易控制，仅仅需要点到点的点位控制即可；另一种则是实现轨迹运动的处理，如直线、圆弧、点线等。此种点胶要求比较高，必须确保点到点的插补联动要求。
点胶机工艺在人机交互的这个方面，应用较为多的是传统的按键操作配合LED显示，可操作性、扩展性比较差。自动化程度更高的是采用专用运动控制器的机器人方式。点胶机器人的成本较高，并且集成的运动控制器可开发性比较差。针对此种情况，项目使用人机界面作为人机交互的窗口，实现M型桌面机器人的控制器。台达DOP系列触摸屏人机界面以其丰富灵活的组态方式、功能强大的宏旨令能够很好的满足系统的要求。
3 系统设计
M型桌面机器人的控制器由三台伺服电机带动传动机构与胶枪进行X/Y/Z轴的点线运动来完成点胶工作。机器人的控制器是在运动板卡上采用VC++语言进行二次开发，集成了日本三菱A系列PLC的协议（此协议的集成是为了更好的匹配DOP人机界面）。由于采用了运动板卡，存贮介质一般选用为电子盘。但考虑到使用了人机界面，一些重要的数据、参数与工艺要求存贮在HMI中。
3.1HMI功能设计
（1）实现50套工艺参数存储要求，包括单轴，多轴完成MOVEARCLINE等参数的字符存贮。
（2）在人机界面上需要完成较为复杂的功能（目前很多人机界面做不到）包括：下拉列表的选择；自由点选字符命令参数并记忆选择的参数；由选择到的参数组合成工艺。
（3）字符信息实时反馈机构的执行情况等。
3.2下拉列表编程
以下拉列表的实现，可以达到如图1所示的效果。
图1 工艺参数下拉列表
箭头按键
工艺内容
工艺参数编号
图2自由点选功能
图1工艺参数下拉列表
通过对测箭头按键的点击来选择不同的编号工艺，而且只可以在一个画面操作，不可以用换画面来实现。同时，点击任意工艺内容，可以轻松的修改工艺。
由于DOP系列触摸屏组态软件中并没有这样的下拉列表组件。终用简易指示灯、切换子画面、数值显示、设常数值、指针并配合控制器程序实现，达到了通常只有桌面形计算机才能完成的功能。
3.3自由点选命令编程
要将如图2所示的这些命令点选后组成工艺参数，然后下达给控制器。难点在于“数字”与“字符”的转换处理。这一难点的实现得益与DOP内部丰富的宏指令。
3.4系统信息实时DOP显示
系统信息实时DOP显示难点在于要显示长字符串，长字符串中还要由“随时可变”的字符。这一技术
要点的实现终靠*$指针来实现，“随时可变”的字符也用指针变量。单然，程序上还要做一些运算和处理来显示正确的信息。
以上介绍的只是程序上众多技巧的一部分，由于篇幅的关系和基于可以技术产权的关系，本文并不能详述更多。客户的技术人员特别聘请了韩国很有声望的工程师，这位工程师对于DOP强大的功能赞不绝口。
3.5界面装饰
界面的装饰是常经常被自动化研发工程师忽视的一个问题。人机界面的使用不仅在操作的方便性上，同时也会显示更多的信息。界面的装饰对人的视觉感观影响很大，一个好的界面会对人产生强烈的冲击，所以一个好的人机界面程序一定包含美的视觉。本程序在美化界面方面做了很多工作，很多按键都是用图形软件精心处理过的。几幅程序美化的截图如图3所示。
图3人性化界面装饰
4 结束语
现代机电装备人机界面技术和过去已经有很大不同，突出的表示就是功能的强大。某些领域完全可以替代“工控机”＋“组态软件”的惯用架构。台达DOP系列触摸屏性能在M型桌面机器人的控制器系统表现的灵活实用，无论是与台达机电产品和其它主流自动化产品集成应用，台达DOP的兼容性都非常出色。同时友好的界面，强大的软件，人性化的设计，都会让您在严肃的设计中体会到别样的乐趣。
对排灌站的8个并列格栅和4台水泵进行统一管理，实现设备全工作过程(抽水、清污、输送、挤压)的自动化控制，出现故障及时报警停机并自我诊断，确保其正常运转，这是设计自控系统的思路和初衷。捞污、挤压设备及自行设计的整套自动控制系统现安装于江苏省南京市的一个水利排灌站，同时也适用于其它市政部门的泵站应用。
排灌设备主要由4台水泵、8台捞污机、2台输送机(水平和倾斜输送各1台)、1台污物挤压机和自控系统组成，湿落落的污物经设备处理后，变成干的块状垃圾，既可减少该站的污物存放场地(在城市尤为重要)，又能增加车辆装载量，减少运输次数和节约运输成本;同时可避免运输途中的抛撒、滴漏所造成的二次污染，有利于环境保护。
2 控制原理设计
该工程自控系统分手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种方式，操作人员可根据需要任选一种，四种控制方式实现互锁。
2.1 水泵
在自动状态下，水泵的开停由水位高度决定，当超声波传感器测得的模拟量相当于6m水位时，水泵电机按顺序启动，开始抽水;当模拟量相当于4.5m水位时，水泵全部停止抽水。自控系统根据水量的大小做出判断，自动选择开启水泵的数量。
(1) 水泵1工作30min后还未达到模拟量相对应的低水位(说明水量较大)，系统自动开启水泵2。
(2) 水泵1、2同时工作30min后还未达到低水位(说明水量很大)，系统自动开启水泵3。
(3) 水泵1、2、3同时工作30min后还未达到低水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵4。
(4) 水泵1工作30min后还超过高水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵2、3、4。
(5) 水泵过载时，热继电器将切断主电路，整套设备停止工作，同时做出水泵电流过载的声、光报警。
2.2 捞污机
(1) 格栅前后两个超声波测得的模拟量相对应的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统通过模拟量比较，按顺序启动捞污电机开始回转捞取污物。
(2) 格栅前后水位差小于等于50mm时，捞污机全部停止工作。
(3) 捞污机采用双重安全保护，捞污机过载时，热继电器或磁性开关动作，切断主电路，整套设备停止工作，并做出捞污机电流或机械过载的声、光报警。
2.3 输送机
(1) 捞污机启动数秒钟后，自控系统启动输送电机，水平然后再向上倾斜输送污物。
(2) 输送机过载时，热继电器将切断主电路，设备停止工作，同时做出输送机电流过载的声、光报警。
2.4 挤压机
(1) 大推头动作
箱内污物达到预定高度(可调，调节光电传感器的垂直角度)，2个光电传感器同时反馈信号，大推头进(水平初压)。
(2) 主压头动作
大推头进限位开关动作，主压头下(垂直高压)，下压8s钟后，延时15s钟进行次挤压污水;主压头继续下(垂直高压)，下限位开关动作，主压头停留15s钟进行第二次挤压污水。
(3) 二循环或三循环动作
如果污物挤压得较松散，可选用“二循环”或“三循环”，挤压机对污物高压后，主压头和大推头复位，再把第二批或第三批污物与批一起挤压。
(4) 小门动作
保压15s钟后，小门开(放料)，同时主压头上。
(5) 推头动作
小门开限位和主压头上限位开关同时动作，小推头进将污物推至污物车。
(6) 复位动作
小推头进限位开关动作，数秒钟后，小推头、主压头、小门、大推头按顺序复位。
(7) 挤压机过载时，压力继电器或热继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压或电流过载的声、光报警。
(8) 液压站采用双重油压安全保护，当污物初压或高压过程中遇到硬物卡住，压力继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压过载的声、光报警;若其失灵，则溢流阀动作，避免液压部件受损。
3 控制对象及任务分析
3.1 控制对象
采用西门子S7-200PLC主要控制水泵的4台电机、捞污机的8台电机、输送机的2台电机的开停和液压站的4个油缸的双向动作。
其中包括:
(1) 控制手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种运行方式。
(2) 控制14台电机分别完成抽水、捞取污物、输送污物等动作。
(3) 控制液压站电机完成复位、水平初压、垂直高压、放料、出料等动作。
(4) 控制设备的运行技术安全。即控制各运行方式的互锁保护;控制垂直方向与水平方向动作的互锁保护;控制水泵、捞污机、输送机和油泵的电流过载保护;控制捞污机的机械过载保护;控制液压站的油压过载保护。
3.2 控制任务
(1) 现手动方式控制，即手动独立完成上述9个基本动作。
(2) 实现半自动方式控制，即自动完成上述基本动作1至动作9。
(3) 实现全自动间歇和全自动水位差方式控制，在间歇工作开或水位差≤50mm的状态下，即自动进行上述基本动作5至动作9的循环。
4 硬件选型与配置设计
4.1 主控系统选型与配置
系统采用了西门子S7-200可编程控制器，使自控系统结构紧凑，执行指令快捷，可靠性提高。编程软件基于bbbbbbs平台。PLC在清污设备中的应用，使修改控制参数、扩展控制功能等变得非常简便，避免了分立电气元件抗震性能差、误动作多、定位精度不高等弊端。设计中该系统的控制点数为116点，其中输入点数66点，输出点数50点，拟选用的PLC的控制点数为120点。实际选用的主要控制硬件有:PLC选用西门子的中央处理单元CPU224一块(14入10出)、数字量扩展模块EM223二块(16入16出)、EM223一块(8入8出)、EM221二块(8入)，总输入点数70点，总输出点数50点，实际使用为66入50出，一般需要预留出5至10%的点数，考虑到成本问题，所有的按钮输入都采用点动方式，省去了不必要的输入点数，预留输入点数为5%，所以能够满足设计要求。
4.2 前端传感变送器选型
(1) 控制水位和水位差的反馈元件选用德国TU- RCK超声波传感器(型号Q45ULIU64BCR)。
(2) 控制大推头、主压头、小门、小推头两端限位的元件选用行程开关。
(3) 控制捞污机安全销过载的信号反馈元件选用霍尔式传感器。
(3) 控制水泵、捞污机、输送机、液压站电机电流的元件选用热继电器。
5 控制程序设计
5.1 固定时序工作方式
全自动间歇方式即设备工作X小时，停机Y小时(简化为X/Y)，共有4档可调(2h/1h;1h/1h ;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停机时间，正在进行的程序保持至结束，然后设备停机待命(与水泵的自动开停无关)。
5.2 水位差工作方式
全自动水位差方式即当格栅前后两个超声波传感器测得的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统从捞取污物开始，至出料结束，然后等待下一个污物箱装满信号;当水位差小于等于30mm时，抽水、捞污、输送停止，而正在进行的程序将保持至结束，然后等待下一个水位差信号(与水泵的自动开停无关)。
排灌站设备控制程序框图见图4。
