济宁西门子专业授权代理商

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:系统采用DOP作为人机界面，S7 300-PLC完成过程控制，程控制程序对过程变量实时采集、数字整定、优化控制对象、实施在线控制、应用系统功能块完成洗梗水温恒温控制，保证洗梗机控制系统可靠工作。
关键词：人机界面，PLC，洗梗，过程控制
在烟草制品中，除烟叶可以加工烟丝外，加工过程中产生大量烟梗也可以利用，烟梗加工过程中需要去杂质，恢复柔韧性，才能利于烟梗切片加工，处理过程就需要烟梗回潮。水槽式烟梗回潮机是梗处理线上的一台主要设备，它利用循环恒水温介质将烟梗进行净化处理。设备主要由洗梗箱体、管路系统、输送网带和水分控制四部分。整个水分过程控制主要由水温、烟梗水中停留时间、压缩空气吹水量来控制水分达到工艺要求。
根据设备工作的需要，我们设计基于DOP人机界面的PLC洗梗机控制系统必须保证洗梗机水份达到工艺要求，本系统DOP人机界面作为触摸显示屏，采用S7-300 PLC作为控制主机，组成控制系统，构成系统可以完成水温的模拟量闭环控制，水位的数字量闭环控制，循环水流速度可调节开环控制，上下游水位的联锁控制。系统工作稳定控制精度高，满足系统工艺要求。
1 控制系统的硬件组成
洗梗机硬件系统主要由四部分组成，第一部分是人机界面，系统选用中达电通公司的DOP—AE80THTD触摸屏，AE80触摸屏有65536色，32位RISC微处理器，32M存储器，512K断电保持，USB编程。有3个串行通讯口，RS232/RS422/RS485三种通讯接口可供选择，考虑我们用S7-312C直接通讯，我们用RS485接口，触摸屏完成系统显示和控制以及系统控制参数调整，温度变化趋势图、故障报警等任务。第二部分过程控制部分的PLC由S7-312-5BOO-OABO完成，它有1O个数字量输入，个数字量输出，可以满足本系统的数字量需要，除CPU312C外需要通过硬件组态配置一个模拟量输入模块6ES7331-7KFO2-OABO，它是8路12bit拟量A/D转换模块，12位控制精度可以满足本系统要求，8路输入可以可以配置成3路温度铂电阻PT100输入,0～10V电压输入供变频器输入速度信号，经转化量显示水流速度。一个模拟量输出模块6ES7332-5HB01-OABO,它是4路12位模拟输出模块系统一路输出4～20mA控制气动薄膜调节阀，通过阀门开度控制水箱温度恒定。第三部分是系统输入检测器，数字量输入完成基本起停联锁以及水位控制。模拟量输入温度检测，由pTl00传感器完成3路温度信号检测，供水箱温度闭环控制。一路电压输入，输入变频器输出频率，经系统转化为数字信号供触摸屏显示水流速度。第四部分是执行器，主要控制系统上下游联锁输出信号，水流变频器起停。加水电磁阀控制水位，入水加温电磁阀控制入水温度。保温气动薄膜调节阀，完成水箱温度的恒温控制。具体组成见图1。



2 DOP触摸屏与西门子PLC通讯
西门子S7-312C PLC通讯口只有MPI接口，不具有标准的RS232和RS485接口，通常触摸屏只连接西门子自己的触摸屏，用自己的MPI接口，但西门子触摸屏价格较高，有时考系统性价比，选用其它品牌，这样通讯协议设定就需要多一些技术，通常采用西门子公司PC-MPI转接电缆连接，这样简单可靠但成本较高，硬件安装多个转换盒，安装不方便。本系统采用直接连接，协议设定就尤其重要，具体设置过程如下：首先通讯速率：19200，8,EVEN,1.（RS485）；然后PLC站号：*后是控制区/状态区：DBWO/DBW20。需要注意事项的有此驱动只能用于1台DOP人机界面连1台PLC；PLC通讯速率需改为19200，（8,EVEN,1.）；不可使用2个通讯口都用；DOP站号需设为O～15，若超过此范围，则通讯协议自动改为15；没有接连接电缆时，DOP人机界面约5s后，会显示Error message。若接上连接电缆时，DOP人机界面需重新送电，才能连上通讯成功；送电后，因DOP需接受PLC通知后方可连上。故第1次联机所需时间较长，正常情况下，应在5s内连上；此协议为多段来回的通讯（1个命令需DOP HMI与PLC通讯多次，方可完成）。故通讯速度较一般控制器慢。但与S7-300使用PC adapter速度基本相同。具体DOP触摸屏与PLC硬件接线如图2。



3 模拟量模块的设计
3.1 模拟量模块的设置
在洗梗机水分控制部分中，选用SM331，模拟量输入模块是将模拟信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成是A/D转换器。一般模拟由变送器输出标准直流电压、直流电流信号。SM331可以直接连接不带变送器的温度传感器，这样不用温度变送器，不但节约硬件成本，而且减少故障点。但直接连接传感器需要对测量范围进行设置。S7331-7KFO2-OABO模拟量模块的输入类型用模块侧面的量程卡来设置。量程卡安装在模拟模块侧面，每2个通道一组，8个通道4个量程卡，当设定为温度时，2个通道为1路输入。供货时通常设置在默认的B位置（±10V）。需要设定3路温度检测，根据资料A为温度传感器输入。所以使用改锥，将量程卡从模拟量输入模块中松开，再将量程卡选好位置A指向模块标记点，插入量程卡。系统将3块量程卡设为A，第四块不变仍为B，这样完成3路温度、2路电压输入的量程卡设置。硬件设置完后要进行联机进入STEP7中硬件设置中选择模拟量量程，具体STEP7中模拟量输入模块量程设置如图3。



3.2 模拟值模块转换、循环和响应时间
转换时间由基本转换时问和模块的测试及监控处理时间组成。基本转换时间直接取决于模拟量输入模块的转换方法（积分方法，瞬时值转换）。模拟量输入通道的扫描时间，即模拟量输入值本次转换到下一次转换时所经历的时间，是指模拟量输入模块的所有激活模拟量输入通道的转换时间总和。模拟量输出通道的转换时间由两部分组成：数字量数值从CPU存储器传送到输出模块的时问和模拟量模块的数一模转换时间。模拟量输出通道也是顺序转换，即模拟量输出通道依次转换。扫描时间，即模拟量输出值本次转换到再次转换时所经历的时间，是指模拟量输出模块的所有激活的模拟量输出通道的转换时间总和，所以可以通过在STEP7中禁用所有没有使用的模拟量通道，来降低I/O扫描时间。
3.3 连接传感器至模拟量输入
根据测量方法的不同，我们可以将电压或电阻等不同类型的传感器连接到模拟量输入模块。为了减少电磁干扰，对于模拟信号应使用屏蔽双绞电缆，并且模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电势耦合电流，造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一端接地。对于带隔离的模拟量输入模块，在CPU的M端和测量电路参考点MANA（一般是端子10和11）之间没有电气连接。如果参考电压UN和CPU的M端存在一个电位差UISO,必须选用隔离模拟输入模块。通过在MANA端子和CPU的M端子之间使用一根等电位连接导线，可以确保UISO不会超过允许值。如果使用的传感器是非隔离传感器，在输入通道的测量线M-和测量电路的参考点MAA之间会发生有限电位差UCM（共模电压）。为了防止超过允许值，在测量点之间必须使用等电势连接导线。
4 温度控制程序功能块设计
STEP7程序允许在线和离线编辑程序，首先创建OB1系统组织块，然后创建定时中断组织块OB35,在OB35中调用温度控制功能块FB58，调用FB58前提是在STEP7中安装标准库（Standard Library）,调用过程是打开OB35→点击View→点击Overview→点击右侧Library→点击Standard Librar→点击PID Control Blocks→点击FB58温度控制功能块，在输入参数时，输入背景数据库DB1。DB1作为OB35背景数据库，背景数据库中的数据结构是由系统自动生成，用户不能修改，必须按标准库中的数据格式要求输入数据，在背景数据库中还有一些系统控制参数设定，有些控制参数也可以在背景数据库中修改，打开背景数据库DB1,选择参数视图，就可以修改参数如：采样周期、PID参数、上下限、脉冲输出等。
在OB35中调用FB58功能，输入响应控制量、数字量及模拟量等，当参数输入完成，系统就可以运行程序。在程序调用LAD显示当中有十几个输入中可以选择必须的输入，有些必须输入，有些可以用系统默认值，在本系统启动后输出M6.0,启动FB58。设定值用变量SP＿INT是浮点数格式必需输入，通过触摸屏输人数据MW2,MW2转化成浮点数MD6中，MD6作为SP＿INT；过程变量输入用PV＿PER（外围过程控制变量）输入外围设备（I/O）格式过程变量，即用S7—331—7KF02模拟量输入模块的PIW258的数字值作为过程变量，如果将此数据转化为浮点数，即可输入PV＿IN，梯形图中程序PV＿IN和PV＿PER输入1个即可，输入PV＿PER即简单又减少转化控制程序的编写，在控制功能块中，一般常输入PV＿PER在功能块中将PV＿PER转化为浮点数PV＿IN，用设定值SP＿INT减去PV＿IN就是误差。在系统中参与PID控制。功能块还有手动功能，当外界条件不满足自动工作条件可以用手动控制工作，具体是将其中MAN＿ON设置为M1.O,当M1.0为1时，可以将设定触摸屏设定手动输出数据MD10,设定MAM为MD10中，LMN＿PER过程输出直接输出控制值。　
控制器有7个输出可以作为系统控制的控制输出和显示用输出，其中主要利用PV格式化过程变量，可以作为蒸气调节阀阀开度显示。LMN＿PER是I/O格式的控制量输出值，这里直接输出到PQW272，在模拟量输出端输出4～10mA控制气动薄膜调节阀。功能模块还有QLMN＿HLM、QLMN＿LLM上下限报警。这样功能块程序设计基本完成。温度控制功能块编程界面如图4。

一、人机界面（HMI）产品常识

    1、人机界面产品的定义

    连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

    2、人机界面（HMI）产品的组成及工作原理

    人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机bbbbbbs操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

图1 人机界面硬件构成

图2 人机界面软件构成

    3、人机界面产品的基本功能及选型指标

    基本功能：

• 设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等

• 数据、文字输入操作，打印输出

• 生产配方存储，设备生产数据记录

• 简单的逻辑和数值运算

• 可连接多种工业控制设备组网

    选型指标：

• 显示屏尺寸及色彩，分辨率

• HMI的处理器速度性能

• 输入方式：触摸屏或薄膜键盘

• 画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）

• 通讯口种类及数量，是否支持打印功能 

    4、人机界面产品分类

• 薄膜键输入的HMI，显示尺寸小于5.7ˊ，画面组态软件免费，属初级产品。如POP－HMI 小型人机界面

• 触摸屏输入的HMI，显示屏尺寸为5.7ˊ～12.1ˊ，画面组态软件免费，属中级产品

• 基于平板PC计算机的、多种通讯口的、高性能HMI，显示尺寸大于10.4ˊ，画面组态软件收费，属高端产品

    5、人机界面的使用方法

• 明确监控任务要求，选择适合的HMI产品

• 在PC机上用画面组态软件编辑“工程文件”

• 测试并保存已编辑好的“工程文件”

• PC机连接HMI硬件，下载“工程文件”到HMI中

• 连接HMI和工业控制器（如PLC、仪表等），实现人机交互

    二、人机界面产品问答

    1、人机界面与人们常说的“触摸屏”有什么区别？

    从严格意义上来说，两者是有本质上的区别的。因为“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能，安装在显示屏前端的输入设备；而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。在工业中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为“触摸屏”，但这是不科学的。

    2、人机界面和组态软件有什么区别？

    人机界面产品，常被大家称为“触摸屏”，包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同厂家的HMI硬件使用不同的画面组态软件，连接的主要设备种类是PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、bbbbbbs操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起也可以组成HMI产品；通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。

    3、人机界面产品中是否有操作系统？

    任何人机界面产品都有系统软件部分，系统软件运行在HMI的处理器中，支持多任务处理功能，处理器中需有小型的操作系统管理系统软件的运行。基于平板计算机的高性能人机界面产品中，一般使用WinCE,Linux等通用的嵌入式操作系统。 

    4、人机界面只能连接PLC吗？

    不是这样的。人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的，但随着计算机技术和数字电路技术的发展，很多工业控制设备都具备了串口通讯能力，所以只要有串口通讯能力的工业控制设备，如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等都可以连接人机界面产品，来实现人机交互功能。

    5、人机界面只能通过标准的串行通讯口与其它设备相连接吗？

    大多数情况下是这样的。但随着计算机和数字电路技术的发展，人机界面产品的接口能力越来越强。除了传统的串行（RS232、RS422/RS485）通讯接口外，有些人机界面产品已具有网口、并口、USB口等数据接口，它们就可与具有网口、并口、USB口等接口的工业控制设备相连接，来实现设备的人机的交互。 

    6、是否有通讯功能的设备一定能和人机界面产品连接？

    应该是这样的。因为通用的人机界面产品都提供了大量的、可供选择的常用设备通讯驱动程序；一般情况下，只要在人机界面的画面组态软件中选择与连接设备相对应的通讯驱动程序，就可以完成HMI和设备的通讯连接。如果所选HMI产品的组态软件中没有要连接设备的通讯驱动程序，用户则可以把要连接设备的通讯口类型和协议内容告知HMI产品的生产商，请HMI厂商代为编制该设备的通讯驱动程序。

    7、PC机加触摸屏，能否直接与PLC通讯，完成HMI的功能？

    当然可以。不过还要编制相应的HMI软件，才能使PC机成为一个真正的HMI产品。

    8、未来人机界面的发展趋势是什么？

    随着数字电路和计算机技术的发展，未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显，HMI的功能将越来越丰富；5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色显示屏，屏的寿命也将更长。由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来HMI产品的发展方向。当然，小尺寸的（显示尺寸小于5.7寸）HMI产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的进一步增强（如增加IO功能），将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。