西门子6GK7243-1EX01-0XE0使用说明

西门子6GK7243-1EX01-0XE0使用说明

　随着计算机网络及现场总线技术技术的发展，PLC及触摸屏在工业控制和楼宇自动化中的应用非常广泛。现场总线技术及其总线接口模块、智能仪表、控制设备等组成的综合监控系统已成为当前自动化技术发展的一个重要方向。在工控领域，PLC与触摸屏结合运用的技术已越来越为工程人员所了解与熟悉 ,由于触摸屏具有操作简便、界面美观直接、编程容易掌握、与PLC通讯良好、抗干扰能力强等等特点 ,它正迅速地渗入各个行业 ,发挥自动化控制的大优势。

　　PROFIBUS提供了两种通信协议：DP、FMS，富士UG系列的触摸屏支持其中的DP协议。富士触摸屏具有很强的兼容性，可以与近30个厂家的PLC通讯，兼容性极强，而且还可以和计算机通讯（开放式通讯协议）。

　　通过接口单元、UG031-P通讯卡及总线的连接，UG触摸屏可以作为从站和作为主站的西门子的S7-300或S7-400系列的PLC通信（网络结构示意见图一）。

图一：PROFIBUS-DP的网络结构

1 系统结构

　　本文的背景为某食品加工厂某控制系统包括原料混料线、薯饼生产线、包装线等构成的主线系统，以及蒸汽锅炉系统、水系统、压缩空气系统、照明系统、通风系统和消防系统等构成的辅助系统。各系统位置比较分散，控制点较多，其中包括140多台电机，29台变频器，15个温湿度控制点。

　　由于系统比较复杂，控制采取分层控制策略，由两台上位机完成工厂级的监控及数据管理功能，触摸屏和PLC完成现场级的控制，采用Profibus现场总线的方式进行通讯。上位机留有接口，可连接局域网和广域网，以利于进一步的开发。其中数字输入点有900多点，数字输出有400多点，模拟量输入20 个。

　　下面以这个食品加工厂为例，组成一个集中控制系统，系统结构如图二所示。

　　其中PLC（1）用于主系统，PLC（2）用于辅助系统。辅助系统的组成与主系统相似，因此图中省略了其构成。PLC选用S7-300系列的 CPU315-2DP和S7-200系列的CPU226，PID模块为FM355C，通讯模块为CP342-5，扩展模块为IM153-1，I/O模块则使用到：数字输入模块选SM321、数字输出为SM322、模拟量输入为SM331。上位机选用西门子的工控机，它内置了PCI接口的CP5611卡用于与PLC通讯。

　　选用S7-300系列的CPU315-2DP是为了能进行扩展I/O模块以满足控制点数的要求，而用于扩展的IM模块的选型则是依据IM模块与中央控制器CPU315-2DP的距离。

　　由于所有的I/O模块均放在同一组控制柜里，因此选用了通讯距离在5米范围内的IM153-1[1]。当IM模块与中央控制器的距离较远时可以选择通讯范围为100米的型号的IM模块。

　　触摸屏选用富士UG420H-SC1，10.4英寸、128色STN显示，基于bbbbbbs95/98/NT操作平台下的专用组态软件，界面友好直观，易学易用，大大节省产品开发周期。编程软件中备有大量的图形库（开关、灯、棒图等）供选择，还可以根据用户需求编辑所需要的工艺图形，能够转换BMP 文件和AUTOCAD中的DXF文件。

图二： 控系统硬件组成及结构

2 触摸屏的通讯设置及界面设计

　　在硬件连接完成后，需要在组态软件中指定系统的硬件配置以及设置一些通信参数等等。首先制定所使用的触摸屏的类型，这里选择默认的 UG420（640＊480 10.4inches）;下一步指定和触摸屏通讯的PLC类型及型号，这里选SIEMENS S7-PROFIBUS;后一步指定系统参数，首先是读区和写区，读区是指作为从PLC读入数据的缓冲，如果系统中需要显示趋势图的话那么读区应当设大一些，一般设1000个字就可以了，写区用于显示存储屏幕的状态、页码、画面层叠以及报警状态等等。另外在对话框No.of Word Setting for I/O中需要指出触摸屏的MPI地址，以及传输的帧长度，MPI地址在PLC的硬件组态里已经定义好了，两者必须一致，否则会出现通信错误。另外帧长度为32字节;奇偶校验为奇校验;数据长度8位;停止位1位;通讯方式RS-485。

　　UG00S-CW具有非常完善而强大的组态功能，在开发组态的时候，开发者可以不去考虑通信协议的问题，因为富士公司已经将这一切的技术细节都屏蔽掉了，它具有智能的寻址功能。在建立一个按钮时，这个按钮在PLC中的预先有定义（在西门子PLC中，无论是数字量还是模拟量的定义都是在DB块中）。假设这个按钮的地址是DB2.DBX2.0（它的含义是第2个DB块中第2个字节的第0位），触摸屏中按钮的地址应表示为DB2：2-0。我们可以看到，除了地址的书写方式有所不同以外，你几乎无需作其他的工作，你无需去定义变量、更无需去理会通信的帧结构等等。

　　对于模拟量同样如此，只不过在模拟量中你需要指出模拟量所占的字节个数，其他的同数字量一样简单。

　　可以说，UG00S-CW在处理基本的模拟数字量的时候非常简单、方便，但是在处理一些较为复杂的情况时却遇到了意想不到的问题。在这个食品生产线的集中控制系统，其中就涉及到富士触摸屏和西门子PLC中的通信格式的兼容问题。

　　系统中有些PID控制的模拟量需要用趋势图来显示，UG00S-CW中显示趋势图并不复杂，首先点一下趋势图的图标，在弹出的对话框中选择趋势图的类型，然后选择每条曲线对应的地址即可。但是在联机调试时却总是出现comunication error（通信错误）信息，经过排查发现问题出在趋势图上，如果将趋势图从程序中去掉，则一切正常，后来我就尝试先将西门子PLC中的对应的模拟量数据读入触摸屏的缓冲（即内部存储区），然后将趋势图每条曲线的地址改为对应的内部地址。经过联机调试，发现不再出现comunication error信息，但是趋势图的曲线的显示却极不正常。经过观察，发现除了当模拟量的值为零时曲线显示正常，而为非零时曲线则指向无穷大。这个问题曾让笔者百思不得其解，后来终于想到有可能是西门子PLC和富士触摸屏在存储格式上可能会不兼容。原来富士触摸屏中趋势图中的模拟量一般都是双字（4字节），它从西门子PLC读取的顺序是将字读为高字，第二个字读为低字，而西门子PLC中模拟量的存储为先存低字再存高字，这样富士触摸屏从西门子PLC中读入的数据刚好都是高低字颠倒的。因为一般模拟量的值都比较小，所以高字都为零，这样相当于将原来的值乘了一个2的16次方的数，远远超过了模拟量的上限，所以才出现了以上情况。

　　为了解决以上问题，需要将PLC中的数据读入，然后依次高低字颠倒，然后再将趋势图的曲线地址指向存储修正数据的内部地址即可。为了完成这个功能，需要用到UG00S-CW的宏指令，富士UG00S-CW平台提供了丰富的宏命令集，

　　主要有以下几类：

　　屏幕类，当打开一个界面时可执行的OPEN macro，当关闭一个界面时可执行的 CLOSE macro，当打开一个界面后不断循环执行直到这个界面关闭为止时停止的 CYCLE macro。

　　按钮类，当按下一个按钮时可执行的 ON macro和当松开一个按钮时可执行的 OFF macro。

　　宏模式，即宏指令程序段受某一个比特位的控制，当这一位为1时执行，为0时停止，这个比特位可以是PLC中的地址，也可以是触摸屏的内部地址。

　　富士UG00S-CW的宏命令集和汇编语言非常相似，不过此外还增加了许多系统命令功能和辅助功能，使得开发程序更加方便快捷。触摸屏中的存储格式是字，地址用$u来表示，例如$u1000就表示第1000个字，$u1000-14就表示第1000个字的第14位，触摸屏中没有用来表示字节的地址表示方式。在这个食品生产线上有多个PID控制回路，每个回路对应一个趋势图，以个回路为例，它占用Buffer1（多有12个Buffer可供使用）趋势图有三条曲线PV、SP、OP，它们所对应的PLC地址分别为DB10：DBD0，DB10：DBD4， DB10：DBD8，然后将调整后的地址存入定为$u500～$u505，程序段如下：

　　/＊首先将模拟量读入触摸屏内部，使用块赋值BMOV指令，即将DB10：DBD0～ DB10： DBD8赋值到$u500～$u505＊/

　　$u500=DB0010：0000 C：12（BMOV）

　　//下面将各个量的高字和低字颠倒

　　$u600=$u500 （W）

　　$u500=$u501 （W）

　　$u501=$u600 （W）

　　$u602=$u502 （W）

　　$u502=$u503 （W）

　　$u503=$u602 （W）

　　$u604=$u504 （W）

　　$u500=$u505 （W）

　　$u505=$u604 （W）

　　然后将此程序段拷贝到每一屏幕的CYCLE macro中，然后将buffer地址初始地址指向$500，抽样模式定为：Constant Sample，曲线条数（即No. of Word）定为3条，存储长度为500，其他的设置为默认值，趋势图中对应三条曲线的地址改为$u500,$u502,$u504，这样才能保证触摸屏中的数据和PLC中的数据同步更新。将程序下载到触摸屏，经过联机测试，一切正常。

3 结束语

　　富士触摸屏以及西门子PLC由于其产品具有很高的稳定性，而且在软件开发上非常高效快捷，因此在工控方面，两者相结合是一个很不错的选择，能够充分发挥两者的优点。但是由于两者毕竟不是同一厂商，所以难免会在某些细节的兼容性上会有纰漏，这是我们在设计工控系统时特别要注意的地方，硬件漏洞软件补是 IT界永恒不变的方法，在开发商还没有使他们的产品尽善尽美之前，我们应当运用我们自己的智慧来完善我们的系统。

PLC与DCS技术的统一已经创建一种环境：对过程制造商来说，为他们的应用选择好的技术更具有挑战性。成功的评价应从开发你的应用的要求的清晰的流程和你的设计、维护和操作人员的需要开始。为帮助清晰地定义这些要求和你公司的需要，本文概述了能帮你做出正确的选择七个关键问题。

分布控制系统（DCS）或可编程序控制器（PLC）
对过程工业的制造商来说，选择好的自动化技术的过程并没有以前容易。以前，很容易决定应用选择PLC还是DCS，因为他们理解它们的优点和缺点。近年来，这种选择变得越来越难，主要由于微处理器技术的进步，它已经允许PLC和DCS技术统一。现在，随着工业向柔性制造发展，过程工业中的许多应用共享以前认为是PLC或DCS的要求。这些混合应用典型地要求过程控制系统既具有PLC的能力，也具有DCS的能力。因此，理解PLC和DCS功能的统一对公司选择好的系统是非常重要的。

在本文中，我们摒弃一些传统的DCS和PLC的观点，例如，如表1所示，为了开拓七个关键的标准，这些标准将会帮助你的公司选择满足公司目标的系统。我们也会证实应用的要求的清晰的流程和设计、维护和操作人员的需要为什么对公司发现合适的自动化技术是极为重要的。后，我们会提供统一的清单（表5），从而帮助你决定哪种类型的系统对你的应用合适。

选择“合适的”自动化技术的好处
在全球竞争的时代，过程工业的制造商被迫实现极好的运行从而确保现在和将来位于前列。新自动化技术的选择影响这个目标。因此，选择过程对一个公司保持比以前更有竞争力非常重要。事实上，技术的选择的重要性远远超过自动化投资本身的成本。
选择合适的技术和正确的供应商能帮助你的公司：
① 快速响应变化的市场环境，从而保持有竞争力的优势；
② 在工厂的生命周期内，小化业主的总成本（TCO）；
③ 设计一个容易长期维护与升级的系统；
④ 实现将来的目标。

让我们得到技术原型
在新自动化系统的市场中，对某些人来说，选择基于可用产品的评论的自动化系统是典型的过程。这种方法的问题受原来的原型或个销售人员宣传的影响。让我们看看基于DCS或PLC系统的组件，从而发现它们实际上是怎样不同或相似的。首先，图形化的系统架构看起来类似。两个系统都共享下列组件：
① 现场设备
② 输入/输出模块
③ 控制器
④ 人机界面(HMI)
⑤ 设计（Engineering）
⑥ 监视控制
⑦ 商务集成
当看到下列系统架构时，你应该注意：事实上，在每个系统中使用的技术都是非常相似的；当你考虑应用的本质和要求时，差异变得更明显。

例如，在DCS系统架构图中，通常，I/O、控制器、网络、HMI服务器是冗余的。因为冗余增加成本及复杂性，为实现他们要求的系统可用性与防止非计划停机，DCS用户必须仔细评价他们的冗余需求。
PLC系统架构说明了一个常见的应用：离散现场设备的控制，例如，电机与驱动。为有效地控制电机和驱动，要求控制器能高速执行（典型地，扫描周期为10-20 ms），负责维护PLC的电气技术人员能用他们熟悉的语言（继电器梯形图逻辑）阅读和解决组态的问题。

从技术观点来看，你能发现PLC和DCS是相似的，它们正在准备合并。因此，我们必须超越应用经验的技术和供应商在这些系统中内嵌的专门知识，从而我们能更好地理解好应用的“黄金分割点”。

在选择系统之前，请自问七个问题
现在，我们将会提到本文的核心——在选择系统之前，请自问七个问题。

请认识到我们在以下分析中使用广泛的概括，每个应用对这些“规则”都有例外，然而，规则仍是有效的。因为作者工作在提供DCS和PLC解决方案的供应商PLC/DCS的不同领域长达25年，我们感觉到我们置之度外。

设计七个问题使你考虑你的公司的运作方法和应用要求，考虑你工厂（设计、运行、维护等）所有主要股东的观点。
① 你制造的是什么，怎样制造？
② 制造产品的价值和停机成本是多少？
③ 你认为系统的“心脏”是什么？
④ 操作员需要做什么才能成功？
⑤ 要求系统性能是什么？
⑥ 要求多大程度的定制？
⑦ 设计期望是什么？

注意问题和答复的统一列表如表5所示。测定你应该使用PLC或DCS简单的方法是填这个调查表，填写所有应用的答复。如果你的所有答案都在一列，你的应用明显要求采用这种类型的系统。如果你有多个PLC和DCS的选项，你有要求实现PLC和DCS功能的过程控制系统的混合应用。

1. 你制造的是什么，怎样制造？
这看起来是非常基础的问题，但是它是决定应用以及适合的自动化系统要求的基础。产品制造的方法、需要的性能和任何过程的物理限制，所有这些都影响系统选择。

典型的工厂自动化应用，原来都是采用PLC设计，涉及特殊项目的制造和装配。这些应用也采用一个或多个机器以及相当数量的材料运动。这种加工类型的典型特点是：当材料通过生产线加工时，操作员通常能监视它们。本质上，过程大多是逻辑控制，通常都有高速要求（产量=效益）。这种类型的加工通常由PLC和HMI结合控制。
过程自动化应用典型涉及通过各种化学原料的反应或物理变化导致原材料变形，从而生产新的不同的产品或原料。这些应用也可以由多个过程单元通过管道连接到一起。一个主要的特点是：操作员不能看见产品。通常，它是在容器内，本质上是有危险的。虽然响应时间没有那样快（100ms或更长），但是，通常有从简单到复杂的大量的模拟量控制（例如，PID或回路控制）。虽然PLC的模拟量控制能力也足够使用，但是通常这种类型的过程由DCS控制。选择过程的决定因素通常是控制应用的规模（例如，厂级或单一的单元和一些I/O点）。

也许有顺序控制或批量控制。PLC能有效地用于简单的批量控制，然而，DCS是典型地更适合复杂的批量制造设备，这些设备要求的灵活性和配方管理。批量应用的要求决定是否简单或复杂：

2．制造产品的价值和停机成本是多少？
如果制造每个单一的产品的价值相对低，停机后果只是导致完不成生产任务，但是只有极少的额外成本或对过程有很小的损害，PLC是可能的选择。如果批量的价值非常高，或原材料成本或市场价值非常高，停机不仅导致完不成生产任务，而且有潜在的危险和破坏条件，应选择DCS。有一千万美元的批量癌症制药厂，它依赖严格的连续的温度控制，例如，如果有小故障，则有很多危险。在一些化工应用中，保持过程稳定是关键的，由于系统故障，产品在管道中凝固。如果炼油厂的催化裂化器故障，需要数天才能修复系统。这意味着炼油厂损失许多收入。DCS系统，典型地包括可选冗余，对这些应用的额外的前期投资是值得的。

相反，酿酒厂的装瓶操作每天需要运行10小时才能满足生产计划，它能停机用于系统维护、解决故障、升级，对下一条生产线影响极小，是经典的PLC应用。

在24/7/365运行的过程应用中，停机是不惜一切代价避免的难题之一。金钱不是决定因素。在系统选择过程中，危险的停机明显是另一个决定因素。例如，炼油厂有连续燃烧气体的火炬。控制这些火炬的系统不能发生故障，因为如果气体不燃烧，它逐渐积聚，从而导致极端危险的环境。应用中挥发性气体越多，就越要求多重冗余的解决方案，从而确保需要时系统是可用的。

3．你认为系统的“心脏”是什么？
典型地，工厂自动化控制系统的“心脏”是控制器(PLC), 它包含所有移动产品通过装配线的逻辑。HMI通常是机器控制面板或基于PC的工作站，它为操作员提供补充的或例外的数据。另外，从数据分析产生的运行信息也是工厂自动化应用的要求——极其需要更的HMI。

在过程自动化中，存在可挥发性的和危险的环境，操作员不能看见实际的产品，HMI基本上被认为是系统的“心脏”。在这种形式下，HMI是在过程中提供仅有的完全“窗口”的中控室控制台，使操作员能监视和控制发生在工厂各个管道和容器内的过程。

4．操作员需要做什么才能成功？
在PLC环境中，操作员的主要角色是处理例外。状态信息和例外报警帮助操作员认识到在过程中发生了什么，在许多情况下都是“光输出”。

DCS工厂要求操作员做出决定并连续与过程相互影响来保持系统运行。事实上，利用操作员的过程知识通常对极好运行和保持过程佳运行是关键的。特别是在产品等级变化和当调整过程解决生产环境（例如，不同的给料）的变化问题时，对工厂来说，操作员是值得雇佣的。操作员将会改变设定点，打开/关闭阀，或手动移动批量到生产的下一阶段。在HMI上，面板和模