西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8详细资料
目前，实现对机动车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，需要在生产中对汽车尾气污染物进行检测。本文就一种符合EU-2标准，基于嵌入式bbbbbbs CE操作系统和组态王6.0组态软件的集工况模拟、样气采集、样气分析于一体的汽车尾气污染物智能检测系统进行介绍。
一、系统综述
整个系统由中央控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。首先底盘测功机模拟汽车的工况，然后尾气取样系统对样气进行jingque的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，中央控制单元实现对整个系统的自动控制。其中中央控制单元采用嵌入式系统作为核心控制单元，系统操作站为运行bbbbbbs CE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。同时工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。
精简的bbbbbbs CE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，完全可以满足设备现场运行的需要。
1. 工作原理
系统总体示意图如图1所示。打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾气排放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：
mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）
式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33 KPa时的密度；dCO=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci —稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。
2. 控制系统的工作过程
工控机通过CVS系统和分析单元的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。同时，触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。另外，配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。控制系统结构框图如图2所示。
二、系统硬件组成
为了确保系统的准确性和可靠性，本文选用了工控领域中稳定可靠的bbbbbbs CE嵌入式操作系统作为工控机的控制核心。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。
1. 工控机
作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbs CE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbs CE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单高效，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。
组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发周期短，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。
硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：
液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。
触摸屏对外数据传输接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。
采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、效率高，而且触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。
2. PLC
本文选用SIMATIC S7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有可靠性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。
PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。
3. 传感器与数据采集模块
系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的流量计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：
标准长径喷嘴流量计：BYW-S-80，4 m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定流量测量；
数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴流量计前端压力测量，输出信号4 mA～20mA DC，24V；
电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴流量计前端、后端压力差测量，输出信号4-20mA DC，24V；
防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴流量计后端温度测量，输出信号4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；
压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4 mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。
数据采集模块：研华16通道A／D PCL-818数据采集卡。
4. 通讯模块
系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。
三、系统软件设计
本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器获取的测量数据判断目前的工作状态，然后将控制指令发送给各单元的PLC，同时生成交互式的人机对话界面。
1. PLC编程
（1） 控制流程描述
分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC首先控制CVS单元排气过程，将气囊中的废气排空；然后控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。控制过程如图3所示。
（2）控制程序
整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：
LD SM0.1 ／／初始化，调用子程序0
CALL SBR_0
S M2.0，4 ／／设置程序执行标志位
LD M0.1 ／／启用等待程序
A M2.0 ／／M2．0设为1
LPS
LD M8.1 ／／有复位请求
ALD
CALL SBR_I／／调用子程序1
／／SBR_0：
LD SM0.0
…．． ／／初始化泵阀状态
CRET
，，SBR_I：
LD SM0.0
LD M3.0
…．． ／／控制CVS工作流程
CRET
2. 触摸屏控制程序设计
系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。
四、结束语
整个系统完全满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统可靠性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地提高了我国汽车生产厂家生产管理水平。
长期以来，PLC始终活跃于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因在于，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化应用的需求。
随着PC及因特网时代的到来，工业PC或PC-based控制器由于可以完全融入到网络时代的信息系统中，具有网络系统的基本特性，即具有高性能、低价格、系统开放、丰富的人才基础等优势，因此PC-based控制器一经出现就具有很强的生命力，发展极为迅猛。有观点说，PC-BASED控制器将取代传统PLC，当然首先必须解决可靠性及编程问题。近几年来，这些问题已基本得到解决，PC-based控制器从外观到可靠性也都开始可以与PLC相近。在编程方面，由于IEC61131-3编程语言标准的推出和广泛采用，为PC-based控制器的高速发展铺平了道路。这样，PC-based控制器不仅具有PC的优势，也具有传统PLC的优势。它可无缝地融合到网络时代的信息系统中。
那么，PC-based一定会取代PLC吗？二者应用于包装生产线时，它们各自发挥着何种不同的作用？让我们听听来自三位专家的看法。
贝加莱工业自动化公司行业销售经理 董继鑫
在自动控制领域，PLC技术和PC-based技术是当前比较具有代表性的控制技术，两者的技术起源和发展有较大的差异。
PLC（Programmable Logic Controller）产生于上世纪70年代初。早的PLC是以替换继电器系统的角色出现，其主要实现的功能仅仅是逻辑简单的顺序控制功能。PLC一经出现，就以其高可靠性、小体积和直观的编程模式而显示出强大的生命力，成为自动控制领域的“明星”。
PC-based是一种基于PC技术的控制系统。早的PC-based控制系统是以工控机为核心，通过扩展带PCI接口的专用板卡组成。PC-based借助于IT技术的发展，在运算、存储、组网和软件开放性方面具有优势。
从以上的阐述可知，PLC和PC-based两者在技术特点上存在明显区别。PLC具有体积小、功耗低、抗干扰能力强；具有很高的可靠性，其平均无故障率时间间隔（MTBF）可达50万、甚至100万个小时；具有简单直观的编程模式（如梯形图）；具有内部实时时钟。而PC-based具有大运算能力；具有开放标准的系统平台和PCI接口；精美且低成本的显示技术；丰富的组网能力。但系统的可靠性略差，如性能较好的IPC的平均无故障时间间隔约5万小时。此外，PC-based虽然具有很强的CPU，但其多任务操作系统是非实时的，所以程序的循环周期反而没有高性能的PLC快。
这些差异决定了PLC和PC-based两者在包装机械上发挥不同的作用。PLC通常处于设备底层，为设备提供可靠的、实时的控制，包括IO和Motion方面的控制。而PC-based通常处于设备的操作层，用于数据的采集、存储和人机界面显示等。就目前国内的包装机械的发展水平来说，与国际领导厂商相比还存在较大差距，拥有高度自动化和大型化的成套包装机械设计、生产能力的厂商不多。控制简单、自动化程度较低的单机设备占主流，所以基本都采用PLC作为控制器。
随着中国包装技术的飞速发展，未来包装设备的控制器应该能够融合PLC和PC-base两者的技术优势。事实上现代控制技术发展的确呈现出这种趋势，如贝加莱公司的B&R 2005系列PCC控制器就是这种发展趋势的杰出代表。这种融合了PLC和PC-based的控制器，其技术优势是非常明显的，势必成为未来包装机械自动化的主流控制器。
北京和利时系统工程股份有限公司事业部总经理 徐昌荣
尽管PLC和PC-based均可用于包装设备自动化，但二者的侧重点有所不同。PLC更适合于设备控制，而PC-based更多地用于设备运行状态的监视。相对于PC-based而言，PLC具有配置灵活、体积小、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高等优点，但在软件功能及系统开放性等方面比PC-based稍差。当然，随着计算机技术和控制技术的不断发展，PLC和PC-based都在吸收对方的优点，以适应更多的应用现场。就我所了解的情况而言，PLC在包装设备中的应用远远多于PC-based在包装设备中的应用。
凭借十几年工业控制产品的开发经验和雄厚的技术积累，和利时公司研制出新一代小型一体化PLC产品HOLLiAS-LEC G3。该产品已在各类包装设备中成功应用，应用案例包括DXD自动包装机、挂面包装机等。应用G3 PLC控制的DXD全自动包装机集送料、制袋、填充、封切等包装工序于一体，具有电眼跟踪、PLC控制、无级变速纠偏等功能，计量jingque，符合行业标准，具有性能稳定、操作方便、运行效率高等优点。
随着包装设备自动化需求的不断增多，越来越多的包装设备厂商考虑在其设备中配备先进的自动化产品，以提高产品的技术含量，提升市场竞争力。个人认为，在通用设备中，用户更倾向于采用PLC加HMI的方式对包装设备进行控制。在部分具有特殊需求的设备中，一部分用户也可能会采用PC-based作为自动化解决方案，或者用PLC加PC-based的解决方案。就产品的可靠性、稳定性、灵活性、性价比等方面考虑，PLC在包装设备自动化领域比PC-based具有更广阔的应用前景。
西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团OEM 管理部灌装与包装行业业务发展经理 张春林
PLC又叫做可编程控制器。从传统意义上讲，它主要应用在逻辑控制，顺序控制及时序控制等相对比较简单的工业控制场合。它具有体积小，编程简单实用，安装方便灵活等优点。缺点是处理速度慢、扩展不够灵活，各个厂商的编程语言不同等。
随着PC-BASED的工业计算机（简称工业PC，与普通的计算机相比，它具有防尘、防振、抗电磁、耐高低温等优点）的发展，以工业PC、I/O及监控装置、控制网络组成的PC-BASED的自动化系统逐渐成为工业自动化的另一种实现方式。PC-BASED自动化系统源于PC，可完全融入到网络时代的信息系统中，具有高性能、低价格、系统开放、丰富的人才和应用基础等优势。
对于一般的包装设备，如袋成型/填充/封口机、饮料灌装机等等，主要用到的是逻辑，顺序及时序等控制。西门子公司的S7-200和S7-300系列PLC广泛地应用于这一类包装机。
如某个场合不仅要有逻辑、顺序及时序等控制，还要有强大的计算、数据处理和过程控制，PLC则很难胜任。如一条可生产上百种产品的食品加工和包装生产线，需要大量的配方存贮与调用。普通的PLC受内存的影响，很难完成此任务。在类似这种场合，SIEMENS基于PC的工业自动化控制系统WinAC是非常合适的产品。通过适当的二次开发，还可实现设备运行状态动态显示；电气参数、工艺参数、实时显示；实时曲线显示、历史曲线显示、大型动态标准数据库，提供年报表、月报表、日报表和随机打印报表的功能。
当前基于PLC的控制系统仍占主导地位，这和包装机械的整体水平有关。目前国内包装机械的状况是单机的自动化应用多，整条包装线联网的少，全厂或全公司联网控制的更少。随着经济的发展，MES和ERP的普及，PC-BASED控制系统会越来越多地被采用。
PLC目前较多地应用于工业控制，因为它有较高的稳定性和可靠性。兼有PLC和PC的优势，在网络化和信息时代，它更符合时代的潮流。这样看来，在工业控制和信息管理要求日益提高的情况下，PLC确实将逐渐失去部分市场；但我们还应看到，PLC生产商早已经开始利用IT业的一些新的软硬件成果不断完善和扩充PLC的功能。PLC上现场总线、通讯和网络接口的出现，使得一个个PLC不再是孤立的。PLC将继续向开放式控制系统方向发展，使现代意义上的PLC具有新的内涵。实际应用中常常是PLC和IPC结合在一起，PLC在下位，IPC在上位。从技术上看，PLC在逐渐采用一些IT技术，IPC也在向PLC的某些特性靠拢。PLC和PC-BASED控制系统将呈现融合和竞争并存的状况。
