西门子6ES7231-0HF22-0XA0技术数据
开放式PLC的概念及设计
目前，国内用户选用的可编程控制器(PLC)仍以国外产品为主，造成这种局面的一个重要原因是欧、美、日等发达工业国家掌握了高端PLC的核心技术，其硬软件技术对应用者来说完全是封闭的，使用者只能从应用的角度学习PLC，而不能参与PLC的开发[1-2]。近年来，IEC61131-3的颁布和实施为各PLC生产厂家提供了统一的软件开发准则，开放的高性能单片机技术的发展，为硬件开发提供了有效的物质基础[3]。在这样的背景下，研制开放的PLC系统无论对于科学研究还是促进PLC行业的发展都有积极的现实意义。
PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件主要由中央处理器、存储器、输入/输出接口等组成[4]，其硬件结构如图1所示。
1 开放式可编程控制器
开放式PLC硬件结构采用CPU+外围模块+接口构成，各个接口都按标准设计，大大提高了PLC的开放性，使其能方便地与大系统连接。编程语言遵循IEC61131-3，并将基于PC的编程软件作为PLC编程工具。系统硬件部分采用高性能51内核处理器STC89C51，其为模块化设计，采用滤波、隔离电路，以降低成本。主要电路有：微控制器STC89C51RC、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路、RS232通信接口电路、电源电路、时钟复位电路和USB通信接口电路等，PLC硬件系统框图如图2所示，软件采用Borland公司集成开发软件C++ Builder，通过集成平台对51内核处理器指令集进行解释、编译，使梯形图语言转换为能被51内核处理器识别的代码。
2 系统硬件设计
可编程控制器单片机部分电路图如图3所示。
USB通信部分选择Philips公司的PDIUSBD12[5]芯片作为系统的USB接口器件，片内集成了高性能USB接口电路、SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部控制器或微处理器实现高速并行通信，其速率为2 Mb/s，完全能够满足设计所要求的数据传输速度。USB通信接口模块电路如图4所示。
3 系统软件设计
系统软件结构如图5所示。图中，系统编辑模块为用户提供编辑环境，接收用户的梯形图程序输入，并将其存储为相应的文件。梯形图语言为一种图形语言，要直接对其进行编译十分困难，因此并不是直接对梯形图程序进行编译，而是先将其翻译成指令语言的文本形式，再对指令语言进行编译。图形语言编译问题的解决，提高了代码的利用率[6-7]。通过提取数据结构中的数据，形成C语言程序文件，经过C51编译器、连接器、转换器的编译、连接、转换过程，生成能够在PLC硬件上运行的可执行文件。
3.1 用户界面
PLC用户界面是实现可编程人机交互的重要部分，它以梯形图语言的形式录入用户控制程序，以二进制形式通过串口下载到PLC硬件，其梯形图表示的用户编程区如图6所示。
PLC在进行逻辑运算之前，必须对外部信号进行采样[8]，若要实现指令的功能，首先要设置外部I/O在梯形图中的地址，系统才能够对用户程序中所使用的I/O地址与单片机的引脚地址相匹配。本设计在I/O设置对话框底层设计了如表1所示的数据处理函数。
3.2 USB通信
PDIUSBD12的固件设计成完全的中断驱动，当CPU处理前台任务时，USB的传输可在后台进行；后台中断服务程序和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件标志和数据缓冲区来实现。当PDIUSBD12从USB收到一个数据包，即对CPU产生一个中断请求，CPU立刻响应中断。在中断服务程序中，固件将数据包从PDIUSBD12内部缓冲区移到循环数据缓冲区，并将PDIUSBD12的内部缓冲区清零，以便接收新的数据包，使CPU可以继续执行当前的前台任务直到完成。本文利用PDIUSBD12的端点1进行命令的传输和应答，端点1每次接收计算机发送过来的8 B指令，其指令格式如表2所示。例如，接收到十六进制码52 01 00 03 00 07 00 50，表示读24C01器件从03字节开始的7个字节的数据。52H为R的ASCII码，57H为W的ASCII码。端点2用于数据的传输。
本文在了解PLC国内外研究状况以及其市场需求的基础上，提出了研发开放式PLC的概念，完成了PLC集成开发系统的C51模块实现方案的设计，将USB通信方式引入PLC领域，所设计的梯形图编辑器提供了梯形图编辑平台，实现了PLC的基本逻辑指令，完成计算机与控制器的USB通信。
西门子是全球工业技术创新和应用，中国作为高速发展的全球大工业制造国正是西门子工业技术的核心应用场所。西门子一直致力于自动化产品的研究与创新工作，它推出的西门子S7-400系列PLC在电厂输煤程控系 统中的得到了广泛应用。
输煤系统是燃煤火力发电厂重要一环，输煤系统的可靠性、稳定性及其自动化程度直接关系到机组的正常运转和全厂的经济效益。本文以某发电厂输煤程控系统为例，介绍该系统的结构配置以及软件编程等。
本输煤系统主要的控制检测对象包括：30条胶带机及附属设备拉绳、堵煤、跑偏、煤流、蝶阀、除尘器等；17个分煤挡板控制及监测；8台移动设备(门机、桥机、斗轮机)的无线联锁；30个煤仓的煤位、犁煤器的监测与控制；2台碎煤机的监测与控制。
入厂煤在万吨码头、5千吨码头由桥机搬运上皮带，通过后级输送皮带等设备运送到煤场或煤仓。煤场3台斗轮机分别将煤流与3条传送皮带连接。运煤输送线路分A、B两路，两路之间通过三通和分煤当班的切换实现交叉运行。输煤系统流程示意图见图1，图中省略了部分设备如斗轮堆取料机、除尘器、除铁器、电动犁煤器等。图中箭头方向为煤流方向。除铁器、除尘器等辅助设备既参与局部联锁，即随着本级皮带机等设备的启停而启停； 同时又可在监控系统下通过操作对其进行控制。系统提供自动、主控手动、现场手动3种运行方式；系统提供顺序煤流停车、逆煤流停车及故障停车3种停车方式；系统提供标准煤
流程序及自定义流程程序；系统允许多达4条流程同时启动监控；系统交互周期小于40ms。
1系统硬件组成
本系统选用的下位机PLC为西门子公司的S7系列。上位机监控软件为自主开发的监控系统软件，运行于bbbbbbs2000或者bbbbbbs XP微软操作平台。为了提高控制系统的可靠性，上位机为双机双缆热备冗余，下位机均为双机双缆半热备冗余⋯ 。系统配备西门子$7-400系列双CPU半热备冗余主机系统。工作中主CPU带电运行，备用CPU不带电，主CPU出现故障时，备用CPU手动通电以后投用，保证整个PLC程控系统的正常运行。2台上位机互为备用、并列工作。PLC主机CPU与上位机之间通PR0FIBUS 网络通讯。在本系统中，设置16个远程站柜。主站设置在中控室，在煤仓间设置了3个远程站。主站机与各远程站(即ET2OOM远程分站)的通讯网络为PR0FIBUS—DP现场总线网络，采用双通道、双缆热备冗余配置。各站以及上下位机之间通讯均通过光端机使用光缆通讯。大通讯速率为1 5Mb／s。系统中，CPU主站接受外部2路独立的220VAC电源，当一路电源失去时，另一路电源能自动投入。各远程站均由一路220VAC独立供电 。系统硬件及网络结构配置见图2。
2 系统功能与软件设计
2．1程控自动
2。1。1 流程控制
在上位机程控员根据运煤路线定义好皮带运行流程并进行确认后，PLC程序根据流程选定的皮带和设备自动对位挡板。在限定时间内挡板不到位时，发出报警，并闭锁相应的启动命令。如挡板到达正确位置，则发出启动允许提示，操作人员可通过启动流程按钮来启动选中的流程上的皮带和设备。
在定义的流程中所有的运煤设备按输煤工艺要求进行联锁，防止任何设备超出顺序启动或停止(除解开联锁试验调试以外)， 以防止在启动或停止时煤在系统中堆积起来，甚至损坏设备。联锁按下述方式进行：a)启动时按逆煤流方向，从后一条皮带(及相关设备)开始依次启动，直到条皮带(及相关设备)启动后，才开始供煤。系统主要设备启动前，均自动打铃30S。b)停运时按顺煤流方向，先停供煤设备，然后从台至后一台设备依次停止，每台设备之问按预定的联锁停机使能信号发停机命令，即要求前面设备的余煤清除后。
2．3 就地(手动)控制
程控操作(程控自动和主控手动)、就地手动两类运行方式可通过监控界面上的“程控／手动”切换按钮或者就地各设备控制箱上切换开关切换。只有当切换开关放在程控时， 中控室才能通过程控操作控制该设备； 当切换开关放在就地位置时， 只能在就地手动操作设备。就地手动操作时， 无程序联锁保护。
2．4 配煤加仓控制
本系统中配煤分为程控配煤和现场配煤2种方式，程控配煤方式下又分为自动配煤和手动配煤2种方式。各种方式的切换通过煤仓监控图的“程控／现场” 切换按钮来实现。具体见图3。再停止后面设备的运行。C)故障时，故障点及其上游设备瞬时停机，故障点下游设备保持原工作状态不变。待故障解除后，可以从故障点向上游重新启动设备，也可以在故障未解除时，从故障点下游开始延时停设备。一般障碍或轻度故障(如轻跑偏)则只发出报警提示运行人员。在监控画面上可以滚动条和报表的形式实时显示当前新故障和设备启停状态。当保护和报警信号装置失效时，可在上位机上设置有关故障信号的屏蔽，从而保证整个控制流程的顺利启停。
2．1．2 紧急停止
当系统出现危害设备和人身的危险状况时，运行人员可通过控制台或者监控操作界面上的紧急停止按钮使系统瞬间全停。除非运行人员复位紧急停止按钮，否则，系统一直处于禁止启动状态 ]。
2．2 主控手动
此运行模式下，可通过监控界面对单条皮带或单个设备进行操作。
2．3 就地(手动)控制
程控操作(程控自动和主控手动)、就地手动两类运行方式可通过监控界面上的“程控／手动”切换按钮或者就地各设备控制箱上切换开关切换。只有当切换开关放在程控时， 中控室才能通过程控操作控制该设备； 当切换开关放在就地位置时， 只能在就地手动操作设备。就地手动操作时， 无程序联锁
保护。
2．4 配煤加仓控制
本系统中配煤分为程控配煤和现场配煤2种方式，程控配煤方式下又分为自动配煤和手动配煤2种方式。各种方式的切换通过煤仓监控图的“程控／现场” 切换按钮来实现。具体见图3。
2．4．1手动配煤加仓
手动配煤方式下，程控操作人员可通过监控界面对犁煤器进行抬起／落下操作，并进行检“修仓” 和
“尾仓” 设置。
2．4．2 自动配煤加仓
自动配煤状态下，无须对其进行任何操作，当皮带开始运行，系统寻找除检修仓和尾仓以外其他所有煤仓中煤位低的煤仓进行加仓或补仓。加仓包含加低仓和补仓两种方式，加低仓：如果低煤位低于底限(可设置，如图3中的6m)则对该煤仓进行加仓，加至高限(可设置，如图3中的7m)，再找到低的煤仓进行加仓或补仓；补仓：如果所找到的低煤位高于低报警限，则进行补仓，即加至高限(在管理员用户
里进行设置，左右两侧高度不同)，再找到低仓进行加仓或补仓，在补仓过程中，如果其他煤仓出现低报警(小于低限)则停止对当前煤仓的补仓，对出现低报警的煤仓进行加仓。
2。4。3现场配煤加仓
现场配煤方式下，程控操作人员无法对犁煤器和煤仓进行任何操作。
3总束语
西门子S7-400系列PLC在传统的PLC监控系统中引入了面向对象的PLC编程方式和含有动态数据库的自主开发的上位机监控程序，为监控系统的开发开辟了一条崭新的道路。根据现场生产试运行情况，本系统运行稳定可靠、功能具体完备、操作快捷方便。投运至今反馈良好。
