邵阳西门子PLC总代理商
一 简介
水制备系统包括纯化水处理(二级反渗透)和注射水制备系统。随着科学技术的发展，人们对水质(包括医用水和饮用水)的要求也越来越高。因此，近几年净水及制水设备的更新和改造的步伐发展非常快，为了得到合格的纯化水，对水处理设备的自动化要求也越来越高。本文介绍一种以软PLC为主站，以S7-200系列的PLC为从站的全自动水制备控制系统，这是西门子WinAC和Profibus现场总线在纯化水处理和制备领域中的应用实例。
二 系统简介
1. 控制对象
该水制备系统由两部分组成：反渗透纯水系统和注射水制备系统。
反渗透纯水系统包括一级反渗透、二级反渗透。主要控制对象有原水阀、原水泵、砂滤后水控温阀、一级RO进水阀、一级高压泵、一级RO冲洗阀、一级PW回流/出水阀、二级高压泵、二级RO冲洗阀、二级PW回流/出水阀、纯水泵、药洗泵、计量泵等。输入监控点有2个电导率(水质监测)、2个流量、1个pH值、3个水箱液位、2个温度点以及故障信号等。
注射水制备系统包括1个蒸馏水机、2个PID调节回路。主要控制对象有原料水进口阀、注射水出口阀、纯蒸汽出口阀、注射水泵、原料水泵、冷却水泵、回收
冷凝水泵、蒸汽调节阀和冷却水调节阀等。输入监控点有1个电导率(水质监测)、1个流量、3个水箱液位、8个温度点以及故障信号等。
2.控制流程
系统分5个控制回路：(1)原水控制回路：自来水通过原水阀进入原水箱，原水阀的开/关由原水箱的高低液位来控制；(2)一级纯化水控制回路：原水箱的水通过原水泵进入砂滤、碳滤和精滤，再由一级高压泵送入一级RO装置，经过一级RO处理过的纯化水检验合格进入中间水箱，不合格则回到原水箱；(3)二级纯化水控制回路：中间水箱的水通过二级高压泵送入二级RO装置，经过二级RO处理过的纯化水经检验合格后进入纯水箱，不合格则回到中间水箱；(4)纯化水使用点控制回路：纯水箱中的纯化水通过纯水泵送到各使用点和原料水箱，根据各使用点的用水量和原料水箱的液位控制纯水泵；(5)注射用水控制回路：原料水箱中的纯化水通过原料水泵送入蒸馏水机，生成注射用水，经电导仪检验，合格的进入注射用水水箱，不合格的则流到回收水箱。
三 控制系统的构成
1. 系统配置框图
控制系统由一台工控机配CP5613通信卡和WinAC软PLC为主站，以S7-200 系列的PLC为从站。该系统的配置框图如图1所示。
2. 系统配置特点
根据这种水制备系统的技术要求，现场实时控制采用S7-200系列PLC——CPU226和CPU224，再加扩展模块EM222、EM231和EM232，通过EM277从站模块，作为从站上挂到Profibus-DP现场总线。这样的配置成本较低，从站可以不依赖于主站独立运行。上位机监控采用WinAC软PLC作主站，用微软的Visual Basic(VB)或西门子的ProTool/Pro软件开发监控画面，这符合水制备系统的实时控制和动态监视要求，实现过程也比较容易，因为主从PLC之间的通信接口可通过WinAC实现，而无须费力去开发。
四 控制系统的功能与自动化的实现
1. 系统功能
运行方式：自动运行和手动操作。用户界面：系统提供友好的用户界面和方便的操作按钮。实时监控：动态显示水箱的液位、泵阀的开关状态、模拟水流、水质、温度、pH值、液位、瞬时流量和积算流量等，并根据液位、流量和水质的情况自动控制泵阀的开关、流量的大小和出口回流等。报警功能：系统有自动报警功能，并能记录故障的时间、原因等信息。打印输出：系统能定时或实时打印出故障信息、水箱液位、流量、水质、温度等信息。保存数据：系统具有保存数据和与其他应用程序交换数据的功能。在线帮助：系统提供完备的在线帮助信息，操作员遇到问题时能及时得到帮助和指导。
2. WinLC组态及编程
用STEP编程软件组态软PLC主站和EM277从站的配置，并对主机编程。该程序主要是处理主站的应用程序(用户界面)与实时控制的从站PLC之间的数据信息交换、报警事件的处理、两个从站之间的运行协调和一些运行参数的存储等。
a. 上位机应用程序
用Visual Basic语言或ProTool/Pro组态软件设计友好的用户界面和监控画面，通过WinLC主机，向Profibus-DP上的EM277从站(S7-200系列PLC)发送命令，同时读取从站PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。根据这些实时数据，系统在屏幕上动态显示整个水制备装置的运行情况，包括水流方向、水箱液位、电导率、pH值、流量、温度和泵阀的开/关状态等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显的警示画面，通过WinLC主机向各从站PLC发出停机命令，保存并记录故障发生的时间、方
位和原因等原始数据。上述程序还可以根据用户要求保存所需要的历史数据，定时、实时(如故障信息)或按操作键打印所需的数据和信息，如电导率、pH值、流量、温度和有无故障发生等。
b. 从站PLC程序
用STEP7 Micro/WIN软件设计从站PLC(S7-200系列)程序。该主程序由自动运行程序、手动操作程序、状态及故障检测程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序和PID回路调节中断程序等组成。由于采用Profibus-DP总线结构，因此从站PLC程序无须考虑与主站的通信问题，只需在已指定的输入/输出缓冲区中交换数据即可。同时，该从站PLC还可以脱离主站而单独运行。
c. 系统的可扩展性
通过OPC，系统可以与其他应用程序连接，也可以实现数据共享。从站数量可以扩展，从站PLC的模块亦可以根据要求扩展，甚至还可以扩展一些新的功能，如利用从站PLC上的编程口(按自由口通信协议)接打印机、变频器或其他智能仪表等。
五 结束语
该系统是根据纯化水处理的特点，利用WinAC可替代硬件作为主站这一特性，并使用S7-200系列的PLC作为从站。这种设计方便地解决了上位机应用程序在Profibus现场总线上的通信问题，从站也可以单独运行。该系统设计合理、技术先进、可靠性高、硬件成本低，便于推广和应用。
什么是WinAC系统？
SIMATIC WinAC是SIEMENS基于PC的自动化控制产品，从功能上和产品系列上与其他基于PC的控制产品相比均有所区别。WinAC不是简单地将PLC替换为PC，而是将PLC和PC的功能完美地结合，包括控制功能、通信功能、可视化功能、网络功能以及工艺技术等功能，产品包括WinAC插槽型、WinAC实时型、WinAC基本型和WinAC嵌入型等。
WinAC 控制功能
WinAC允许用户使用普通PC或工业PC完成PLC的控制功能。WinAC基本型/实时型提供软件PLC，采用PC机的硬件资源(如CPU、内存、硬盘)来实现控制要求；WinAC插槽型提供硬件PCI插卡型PLC，控制性能与S7 400系列PLC中的412-2DP/416-2DP相同。
计算功能
WinAC提供标准的ActiveX控件，用于标准化软件包（如MS Visual Basic或Office）对过程数据的实时存取。同时，WinAC内置Software Container(ActiveX容器)用于集成自带的和第三方的ActiveX 控件。
可视化功能
WinAC 提供两种与人机界面软件的连接方式：
通过SIMATIC软件之间的内部集成，WinCC和ProTool/Pro是WinAC优的可视化和数据存取工具；WinAC内置的OPC服务器可以完成与任何第三方的人机界面软件的集成。
网络功能
WinAC提供连接 Profibus-DP通信板卡的驱动程序，用于连接远程I/O和电气驱动装置或进行远程编程调试。同时WinAC可以采用现成的PC技术，通过以太网和互联网实现与生产和管理网络的连接。
工艺技术功能
对于用户的特殊工艺要求，可配合西门子的功能模块来实现，或使用VB、VC、Java等语言编程，由WinAC ODK进行集成
一、改造原因：
现用控制设备是建厂时原始设备厂家提供的S5系统，设备运行了近十年，逐步进入故障高发期。由于S5产品正逐步退出市场，模块备件供应周期很长，保障性差，某些部件甚至有价无市。为了保证设备满足稳定生产的需要，决定将S5升级到S7。
原S5系统的构成：
控制主机采用的是西门子S5-95U，控制机配有两个机架，I/O配置共有数字输入64点，数字输出80点，其中包含了CPU集成的I/O通道。人机界面为OP393，用于修改CPU的内部参数和工艺数据，实际生产中很少用到。系统所用流量，压力，温度及液位传感器的状态正常。
二、改造方案：
为恢复控制设备的可维护性、兼容性和可扩展能力，消除设备这些方面的不稳定对正常生产的影响和隐患，需要对现有控制系统进行改造升级。
根据目前设备稳定性和可维护性问题主要集中在控制主机PLC上，为尽可能减少升级改造工作对正常生产的影响，原有控制柜改造不进行整体升级替换，而是保留现有低压主回路，控制柜体和端子等部分均予保留，只对PLC部分进行拆除，然后用替代新产品在现场重新安装、配线成柜。PLC的程序也对应由S5状态升级到S7。由于用户方所提供的时间比较紧，故采取局部更换升级的方案：一方面是缩短工期和费用，利用大修有限的停机时间完成改造升级工作，节省时间、降低成本；另一方面原有柜体和低压器件等元器件仍有保留的价值。
PLC:根据设备的工艺及性能要求，PLC采用西门子S7-300系列产品。更新替代产品根据原有技术要求和状态选型，不兼容的部分在设计时通过增加接口来解决。
HMI：混比机的人机界面OP393因工艺上没有保留的必要,故改造升级后不再保留。
三、效果反馈：
混比机控制系统S5升级S7的改造工程于2007年完工，设备状态及性能稳定正常。正式投入生产后，设备运行的生产线经过了多品种产品的系列完整考验，运行状况稳定，各项功能指标达到甲方的要求，
一、引言
天津石化烯烃部污水处理装置原来采用的是西门子S5-115U，该套污水装置从1994年投入生产，至今该套系统已经连续运行十多年，按照西门子公司提供的产品元件更换周期，大部分元件（如：I/O卡，通讯卡等）均已经超过使用寿命，而且部分元件已出现明显老化现象，由于PLC故障引发的生产事故近年不断增加，有时会给环境带来一定的影响；另外原污水控制系统有部分余量，但是这些年来随着一些技改技措，增加了许多监视、控制点，原富余点已经基本利用上，再有新的改造或增加监视控制点已基本没有位置，这样为污水装置今后技改技措的发展带来一定的难度。还有由于该型号产品已经淘汰，备件产量较少，价钱比较高且采购周期长。
前段时间操作站与PLC通讯的通讯卡出现故障，不能通讯，加之工控机的硬盘也发生故障，工艺人员只能到现场手动操作控制现场的工况，故决定马上进行升级改造该套控制系统。经过综合考虑决定控制系统采用西门子S7-400,监控系统采用西门子WINCC监控软件，使操作安全、便捷。
二、控制系统硬件配置方案
由于PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。采用以S7-400为核心的控制系统使系统更加安全、可靠而且易操作、易管理、易维护，可以进行优化控制和先进控制。另外从价格因素考虑，改造用的的PLC控制系统可以利旧使用污水车间原来限制下来的一套控制系统，不用从新购置S7-400的硬件设备，大大节省了资金，而且日后维护、检修的费用都较低。
经过对该套装置的控制点数统计以及对复杂回路、联锁回路的分析决定，改造后系统由一个主机架（CPU机架）和扩展机架构成，
其中数字量输入模板为6ES7 421-1BL00-0AA0，DI32*24VDC，
数字量输出模板为6ES7 422-1BL00-0AA0，DO32*24VDC/0.5A，
模拟量输入模板为6ES7 431-1BL00-0AB0，AO8*13Bit；
模拟量输出模板为6ES7 432-1HF00-0AA0，AO8*13Bit；
PLC系统供电由一个20A的SIEMENS电源提供，以保证系统良好运行。
系统硬件组态结构如图一、图二、图三：
系统硬件组态结构如图一
系统硬件组态结构如图二
系统硬件组态结构如图三
三、控制系统软件配置方案
本系统在软件上用STEP7 V5.3用于PLC的编程和硬件及网络的组态；控制室上位机采用DELL产品，系统软件采用bbbbbbS2000，人机界面采用WINCC完成组态，中空可以完成开、停车及控制的所有操作，上位机CRT显示装置开停车状态、压力、温度、液位、等参数，显示报警状态、历史趋势图、调节阀开关状态，并具有报表打印功能。
四、控制系统网络结构及网络协议配置
本系统S7400主机架和其它机架ET200M以及触屏采用PROFIBUS-DP总线连接。PLC与上位机的通讯采用MPI网，通过主机架上的网卡连接，便于以后的网络扩展。CPU上的MPI（多点接口）用于和编程器以及其他的CPU通讯。
控制系统S7-400网络组态如图四所示：
图四控制系统S7-400网络组态图
五、此次改造的难点
软件上需要将S5-115U程序转换为S7-400的程序，一开始尝试用软件的方式将S5-115U程序转换为S7-400的程序，但转换出来的程序S7-400不能识别，没有成功，软件编写只能重新自己编写，地址需要重新定义，另外工期特别紧，只给了半个月的工期，因此工作量比较繁重。
综合故障监控系统
因其是全场的污水处理装置是核心生产设备，它的安全运行至关重要，其运行参数如压力、温度、液位、分析参数等必须严格监控，否则会对环境造成影响，因此有必要设置综合故障监控系统。
需要指出是，上述控制系统不是孤立的，它们应该相互联系起来，才能实现整个系统的协调控制。为了使该系统安全可靠，主要选用AB、SIEMENS和HONEYWELL等国际公司的产品作为系统硬件，将所有的监控点和控制回路组态成画面，组成较DCS更灵活、经济，而且速度更快、更安全可靠的控制系统；具备参数监视、历史记录、各控制回路调节、报警联锁、联锁切除、工作点运行状态显示：故障分析提示、与上位机通讯、自诊断(包括线路诊断)以及各种打印功能等。PLC控制和手动控制双重控制系统，即在PLC断电或不能正常工作的情况下，用手动控制系统来操纵主要系统阀门，保证污水的安全运行。
六、系统构成特点
安全可靠，系统机柜内的220V交流电源和24V直流电源都接入UPS电源，外部电源故障断电后可维持40分钟不间断供电，不会对PLC系统供电产生影响。
组态方便，可在线修改。工程师站和操作员站即可进行离线编程组态和流程图修改，也可进行在线编程组态，并采用软连接的方式对组态控制方案进行动态显示和模拟操作。所有组件可在线插拔，在线增减I/O卡件，在线修改控制组态并下装及在线修改流程图并下装。
易于维护性：组态专有功能块可对各个部件进行测试，诊断和维护，一旦卡件损坏，系统检测到以后立即以声光报警形式报警并启动打印机打印设备名称、故障类别及发生时间等。与此同时故障设备也有发光二极管亮灯提示，维护人员可及时处理。
七、结束语
该套控制系统经调试后机组于2008年7月一次开车成功运行至今，S7-400 PLC控制系统运行良好，人机界面直观，流程图美观大方，运行设备的启动条件和停机联锁一目了然，操作简单方便，控制系统合理、可靠获得了操作和管理人员的一致认可，控制系统的硬件配置和软件组态体现了很高的性价比。由上述可见当今高性能的PLC完全可以完成顺序控制、复杂回路控制和运算功能，而且方式灵活，安全可靠。有着广泛的应用前景
1 引言
PLC因为稳定可靠、结构紧凑、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面广、广泛的通用工业控制装置，成为现代工业自动化控制的主要支柱之一[1]。而单片机因为成本低廉，使用灵活，功能多样，在自动化领域应用及其广泛，往往在一个控制系统中可能会出现单片机和PLC共存的情况，如果使二者互相联系，互相通信，具有非常重要的现实意义。
2 硬件以及通讯原理分析
西门子S7-200系列PLC拥有RS-485串行口，所以要使MCS51单片机与S7-PLC进行通讯，可以采用几种通讯方式。其中之一就是可以通过MCS-51的串行口与MAX485芯片相接，然后与S7-200 PLC的RS-485口进行通讯，其硬件连接如图1所示。
S7-200 PLC是串行通讯方式为丰富的小型PLC，支持多种通信协议，如点对点接口协议（PPI协议）、多点接口协议（MPI协议）和PROFIBUS协议以及自由通信协议等。其中自由通信协议又叫用户定义协议，利用自由端口模式，可以实现用户定义的通信协议，连接多种智能设备，使用起来非常方便，在第三方工程接入中取得了巨大的成功。
在自由端口模式下，PLC的串行通信接口由用户来控制，通过梯形图程序以及和单片机的汇编语言进行配合，来使用完成中断、字符接收中断、发送完成中断等，通信协议由用户完全控制。这时单片机处于主机状态，由单片机主动发送握手信号，PLC接到信号后被动反馈信息即可。
图1 MCS-51单片机与S7-200的硬件接线图
3 通信系统设计
3.1 通信协议设计
定义根据经验和有关参考资料，定义协议结构和参数。
（1）通信波特率为9.6kbps，无校验，8个数据位，1个可编程位，1位起始位，1位停止位。
（2）定义通信协议的数据流结构的格式为起始码、命令码、元件首址、字节数、数据块、BCC校验码和结束码。
● 起始码：表示单片机与PLC开始发送数据，是数据流个字符，告诉PLC开始进行通信了，可以用00H表示
● 命令码：表示单片机对PLC的各种操作：
40H：读取目标元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的数据或状态；
41H：修改目标元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的数据或状态；
42H：强制目标单元为ON；
43H：强制目标单元为OFF；
● 元件首址：表示PLC内部的元件类型以及寄存器的地址（但不能表示一个位地址）。前两个字节表示寄存器类型，后两个字节表示寄存器号。00 00（H）：I寄存器区 01 00（H）：Q寄存器区。02 00（H）：M寄存器区 08 00（H）：V寄存器区；
● 字节数：从元件首地址起，读取或写入PLC元件的数据个数数据块：准备读取或者写入PLC的数据或状态；
● BCC校验码：在传输过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲，此时的指令当然是错误的，为了侦测指令在传输过程中发生的错误，接收方必须对指令作进一步的确认工作，以防止错误的指令被执行，简单的方法就是使用校验码。BCC校验码的方法就是将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或和，并将此异或和作为指令的一部分传送出去；同样地，接收方在接到指令后，以相同的方式对接收到的字符串作异或和，并与传送方所送过来的值作对比，若其值相等，则代表接收到的指令是正确的，反之则是错误的
● 结束码：结束字符标志着指令的结束，在本例中被定义为FFH，不同的PLC从站可以定义不同的结束字符以接收针对该PLC的指令。
3.2 通信程序的实现
（1）单片机端程序的实现。单片机在主程序中初始化，采用串行口工作方式3[2]，波特率为9.6kbps，采用单片机作为主机，向PLC进行呼叫，定期读取数据或者写入数据，其程序流程图参见图2。
图2 单片机端通讯程序流程图
（2）PLC端程序流程图的实现。PLC端作为从机，采用梯形图或者STL编程，主要是先设置通讯协议，然后按照协议把采集到的数据进行处理，再发送给主机单片机，其具体的程序流程图如图3所示。
图3 PLC端通讯程序流程图
4 结束语
本文利用单片机与PLC的串行通信方法，成功的应用于多个项目中，实际表明该方法简单可靠，成本低，而且易于扩充经济实用的其它功能，如A/D、D/A等功能，取得了较好的社会效益和经济效益。
