西门子6ES7221-1BF22-0XA8使用方式

西门子6ES7221-1BF22-0XA8使用方式

0. 引言

　　在现代工业控制系统中，PLC以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，被广泛应用。可实现顺序控制、PID回路调节、高速数据采集分析、计算机上位管理，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。但 PLC无法单独构成完整的控制系统，无法进行复杂的运算和显示各种实时控制图表和曲线，无良好的用户界面，不便于监控。将个人计算机（PC）与PLC结合起来使用，可以使二者优势互补，充分利用个人计算机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格优势，组成高性能价格比的控制系统。

1. 系统构成

　　系统设备组成，如图1所示。

图1 系统组成示意图

　　推进系统中，PC机选用工控计算机。它是整个控制系统的核心，是上位机。其主要利用良好的图形用户界面，显示从PLC接收的开关量和控制手柄的位置，进行一些较复杂的数据运算，并且向PLC发出控制指令。

　　PLC是该系统的下位机，负责现场高速数据采集（控制手柄的位置），实现逻辑、定时、计数、PID调节等功能，通过串行通讯口向PC机传送PLC工作状态及有关数据，同时从PC机接受指令，向蜂鸣器、指示灯、滑油泵、控制手柄的位置等发出命令，实现PC机对控制系统的管理，提高了PLC的控制能力和控制范围，使整个系统成为集散控制系统。

2. 通讯协议

　　计算机与PLC之间的通信是建立在以RS232标准为基础的异步双向通信上的，FX系列PLC有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式，PLC内部不需要编写专门的通信程序，只要把数据存放在相应的数据寄存器中即可，每个数据寄存器都有相应的物理通信地址，通信时计算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以ASCⅡ码为准，常用的字符及其ASCⅡ码对应关系如表1所示。

表 1

　　计算机与PLC进行通讯时，计算机与PLC之间是以帧为单位进行信息交换的，其中控制字符ENQ、ACK、NAK，可以构成单字符帧发送和接受，其余的信息帧发送和接受时都是由字符STX、命令字、数据、字符ETX以及和校验5部分组成，如图2所示。

图2信息帧的组成

　　在图2中,CMD是通信命令字,其意义如表2所示。

表 2

　　校验和在信息帧的尾部用来判断传输的正确与否，和校验码的计算方法是将命令码到ETX之间的所有字符的ASCⅡ码（十六进制数）相加，取所得和的低2位数，在后面的通信程序设计里面还会提到。进行差错检验的方法很多，常用的有奇偶校验码，水平垂直冗余校验LRC，目前广泛使用的是CRC校验码，它能查处99%以上18位或更长的突出错误，而在计算机与PLC点对点的短距离通讯时，出错的几率较小，因而采用校验和法，基本能满足要求。

3. 多线程技术及在VC++串口通信程序中的实现

　　在bbbbbbs的一个进程内，包含一个或多个线程，每个线程共享所有的进程资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。一个进程内的所有线程使用同一个32位地址空间，而这些线程的执行由系统调度程序控制，调度程序决定哪个线程可执行和什么时候执行线程。线程有优先级别，优先权较低的线程必须等到优先权较高的线程执行完任务后再执行。在多处理器的机器上，调度程序可以把多个线程放到不同的处理器上运行，这样可以使处理器的任务平衡，也提高系统的运行效率。

　　bbbbbbs内部的抢先调度程序在活动的线程之间分配CPU时间，bbbbbbs区分两种不同类型的线程，一种是用户界面线程（User Interface Thread），它包含消息循环或消息泵，用于处理接收到的消息;另一种是工作线程（Work Thread）它没有消息循环，用于执行后台任务、监视串口事件的线程即为工作线程。

　　本系统采用MFC编程方法，MFC是把串口作为文件设备来处理的，它用CreateFile（）打开串口，并获得一个串口句柄，用SetCommState（） 进行端口配置，包括缓冲区设置，超时设置和数据格式等。然后调用函数ReadFile（） 和WriteFile（） 进行数据的读写，用WaitForSinglebbbbbb（） 监视通信事件。在用ReadFile（） 和WriteFile（） 读写串口时，一般采用重叠方式。因为同步I/O方式是当程序执行完毕才返回，这样会阻塞其他线程，降低程序执行效率。而重叠方式能使调用的函数立即返回，I/O操作在后台进行，这样线程就可以处理其他事务，同时也实现了线程在同一串口句柄上实现读写操作。

　　使用重叠I/O方式时，线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用，该结构重要的成员是hEvent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hEvent处于有信号状态，表示可进行读写操作;读写函数未完成时，hEvent被置为无信号。

　　利用bbbbbbs的多线程技术，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线程报告;并且，依靠重叠读写操作，让串口读写操作在后台运行。

4. 上位计算机通信程序设计

　　以读取PLC输出线圈Y0为首的2个字节的数据为例，编写一个通信程序。查PLC软元件地址表可知，输出线圈Y0的首地址为00A0H ，2个字节的数据即为Y0-Y7和Y10-Y17，根据返回的数据，就可以知道PLC此时的状态，以实现对PLC的监控。在每一次读操作之前，先要进行握手联络。对PLC发请求讯号ENQ，然后读PLC的响应讯号。如果读到的响应讯号为ACK，则表示PLC已准备就绪，等待接收通讯数据。

　　BOOL CPlcComDlg::ReadFromPLC（char ＊Read_char, char ＊Read_address, int Read_bytes）

　　｛ CSerial Serial;//用于串行通讯的类

　　if（Serial.Open（1））//初始化串行通讯口COM1

　　｛Serial.SendData（&ENQ_request,1）;//发送联络讯号

　　Sleep（20）;//等待20ms秒

　　Serial.ReadData（&read_BUFFER,1）;//读取PLC响应讯号

　　if（read_BUFFER==ACK）｛

　　… …

　　Serial.SendData（&STX_start,1）;//向PLC发送“开始”标志代码

　　Serial.SendData（&CMD0_read,1）;//发送“读”命令代码

　　datasum_check+=CMD0_read;

　　for（i=0;i<4;i++）｛

　　Serial.SendData（&Read_address[i],1）;//发送起始元件地址的ASCⅡ代码

　　… …

　　Serial.SendData（&ETX_end,1）;//发送结束标志代码

　　Change_to_ASCII（senddatasum_CHECK,datasum_check）;//将“和”转化成ASCⅡ代码

　　Sleep（40）;//等待PLC的反应

　　… …

　　Serial.ReadData（&Read_char[i],1）;//读Read_bytes个字节

　　if（＊readdatasum_CHECK==＊readdatasum_check）//“和”效验

　　｛ AfxMessageBox（"数据读取成功!"）;

　　return TRUE;｝

　　else｛AfxMessageBox（"校验错误!"）;

　　return FALSE;｝｝

　　｝

5. 结束语

　　本文作者创新点：笔者提出了一种基于多线程的PC机与PLC的通讯，该通讯程序采用VC比用VB具有更好的实时性;并采用MFC编程方法用重叠结构读写串口，使串口读写在后台进行。该通讯程序可靠、可移植性好。

　　本通讯程序作为该系统的一个重要组成部分，经现场调试证明，既简单又实用，具有很好的实用价值。同时，该系统具有直观的人机界面和方便的操作方式，具有广阔的应用前景。

1．前言

为缓解我国电力供应严重不足的现状，许多大容量的火电厂在全国各地纷纷投入建设和使用，因此对煤炭的需求量也就越来越大，对输煤等公用系统的自动化控制要求也就越来越高。

山西某发电厂2×600MW机组自动控制系统由两类控制设备组成：主控部分（包括锅炉、汽机和发电机等）使用的是HONEYWELL公司的DCS控制系统；公用部分（包括输煤、化水和除灰等）使用的是ROCKWELL公司生产的Contrologix5000系列PLC系统，上位软件使用的是iFix3.5，并且数据通过以太网与DCS系统连接，使得本系统即可以在输煤程控上位机上操作，又可以在DCS上操作。

输煤系统的主要功能是把通过火车和汽车等交通工具运送到火车卸煤沟和汽车卸煤沟的煤炭，通过一系列运送设备运达原煤仓的过程。

由于该电厂发电机组容量大，并且是两台机组公用一套输煤系统，对煤炭的需求量非常大，为了避免一条上煤通路成为瓶颈，耽误正常生产，设计了两条上煤通路，一路运行，一路备用，也可以两条通路同时运行，分别向两个不同的目的地运煤。

2．控制设备

本套输煤系统的控制对象有：皮带机21条（其中5#甲和7#甲皮带可双向运行），斗轮堆取料机2台，滚轴筛2台，环式碎煤机2台，清水泵2台，振动器30台，刮水器2台，电动三通挡板16台，入炉煤取样器2台，除尘器15台，叶轮给煤机6台，盘式电磁除铁器2台，带式电磁除铁器8台，皮带采样装置2台，卸料车2台，共计114台设备。

程控系统所有的输入、输出信号均通过继电器隔离，以提高系统的抗干扰能力并保护PLC模块以避免大电流信号的进入而损毁。

本套输煤系统采用了16个电动三通挡板，为的是使系统组合更加灵活多样。当有设备出现故障需要检修时，可以通过使用其他设备，调整三通挡板的通路绕过故障设备继续上煤，使整个系统不至于因某一个或几个设备的故障造成瘫痪。

3．设备的控制方式

设备的控制方式有以下几种：

1） 实验方式：即手动操作方式。这种方式是在上位机上对单个设备进行开、关，启、停的操作，设备间的联锁关系已经被解除了，不存在联跳功能，因此这种方式下不能带负载运行。

2） 集中联锁手动：此方式是对要启动的流程中的设备按逆煤流方向一对一的启动，按顺煤流方向一对一停机，要求设备启动前须先将三通挡板启动到位，设备的保护动作处理均同自动控制方式。

3） 自动方式：按照预先设定的流程启动或停止相关的设备，是一种正常运行方式，要求现场设备必须处于正常状态。自动方式为系统的佳控制方式，在此方式下，设备的空载运行时间短，操作员的操作步骤少。

4） 就地方式：在就地操作箱上把手自动选择按钮打在就地位置，从操作箱上发出启停或开关命令，实现对现场设备的操控。在此种方式下，PLC就失去了控制此设备的功能了。

输煤系统主要有8种流程可供选择，分别是：

a） 汽车卸煤沟→1号煤场；

b） 汽车卸煤沟→2号煤场；

c） 火车卸煤沟→1号煤场；

d） 火车卸煤沟→2号煤场；

e） 汽车卸煤沟→主厂房煤仓间；

f） 火车卸煤沟→主厂房煤仓间；

g） 1号煤场→主厂房煤仓间；

h） 2号煤场→主厂房煤仓间；

在上位画面上有选择流程的分画面，通过这些画面实现流程和设备的选用。

4．输煤程控系统方案的设计与实施

1） 硬件系统（参见下图）

a） 上位机系统

本系统配置两台上位机，都可作为操作员站，其中一台兼作工程师站，且两台工控机可互为备用。上位机使用屏蔽双绞线同以太网交换机相连，通过以太网模块同PLC主机进行通讯。所有的数据显示和操作都可以在上位机上完成，并且还有报警，历史趋势和报表功能，给操作人员提供完备的使用环境。

b） 控制系统

本系统使用了两台型号是1756-L55M13的CPU，内存1.5M。两个CPU分别安装在两个机架上，互为热备用，先上电的CPU为主。为了避免同时失电，两个机架的电源分别取自厂用电和UPS电源。两个CPU中的程序完全一样，采集信息、处理程序、发出命令由主CPU完成，备用CPU在实时跟踪主CPU工作。一旦主CPU失电或者通讯中断，备用CPU将代替主CPU继续完成工作。

主机通过以太网同PC机相连进行数据交换，其下面带的3个本地I/O机架通过ControlNet网与主站相连（ControlNet网为冗余配置），由CPU通过判断采集的输入信号，经过预先编制好的程序进行运算处理后，再通过输出模块发出命令，来达到控制的目的。

c） 远程系统

本系统设置了一个I/O远程站，通过多模光缆与主站的I/O机架相连。这种应用方式极大地减少了控制电缆的数量和长度，减少了因电缆过长而引起的接地或接线不良等故障，也减少了费用的投入。另外采用光缆连接远程站的通讯方式，使得通讯距离比应用同轴电缆通讯长了很多，并且消除了电压、电流的干扰，提高了数据传输的品质。

d） 同其他系统的通讯

同DCS系统采用以太网通讯，使用光缆连接两台交换机，DCS就可以很容易地直接从PLC主机中读取所需要的数据了。

同斗轮机系统和轨道衡系统通讯也是采用了光缆连接两台交换机的方式，由于输煤系统本身设备比较分散，距离又比较远（输煤主控室距离轨道衡控制室的距离超过了3公里），使用普通电缆或多模光缆不加中继器根本无法达到要求，而使用单模光缆就简单了，不加中继器的远通讯距离可达到几十公里。

e） 工业电视系统

共有4台工业电视放置于前排的工业电视屏上，通过摄像镜头把相应设备的运行情况和事故情况显示在屏幕上，并可通过计算机进行记录存储，以便日后随时可以调出想要察看的那段时间的画面记录情况，分析事故原因。四台工业电视通过屏幕分割技术多可同时显示16幅画面，通过选择按钮，把画面调整到自己想要观察的地方进行监测。

2）软件配置

a） 上位机监控软件

本系统的上位监控软件选用的是Inbbblution公司的iFix3.5作为开发平台，利用该软件的变量存档编辑器和水晶报表设计器，可以很方便地为运行用户过程数据生成用户档案并生成报表。利用ODBC功能，把所有设备的报警和人员的操作都记录下来，通过声音通知操作人员，以便使操作人员能够立即进行处理，并给日后事故原因的分析创造有利条件。

b） PLC控制软件

PLC控制软件采用ROCKWELL公司的RSLogix 5000编程软件、RS-LINX通讯驱动软件和RSNetWorx组态软件作为编程调试软件的开发平台。既可以使用梯形图编程方式，又有IEC的编程方法，给了编程者更大的自由度。这种软件的优点是有强大的功能块系统，针对不同功能都有一种功能块儿与之相对应，编程简便、灵活。

5．系统控制

自动启动时，按照逆煤流方向顺序启动设备；自动停机时，按照顺煤流方向延时停止设备；当某一设备出现事故跳闸时，由故障设备开始进行逆煤流跳闸（除铁器、电子皮带秤、取样器不参与跳闸）。并且本系统允许有多个流程在运行中，但不允许同时操作两个及以上流程启动或停机。当有两条流程在运行时，如果其中一条流程的某一设备出现故障造成此流程设备联跳时，不能影响另一条正在正常工作的流程。具体设备的位置和流程顺序参看“系统总貌”图：

在系统投入自动启动前，需要进行流程选择。如果两个流程同时选择了一个设备，则会发出报警。

流程选择需要通过上位机流程选择画面进行，在本次输煤程控项目中，我们总共设置了8个流程选择分画面，见“流程选择”图：

每一个流程选择分画面都设置了一个全选甲带键和一个全选乙带键，一旦按下全选甲带键，这个流程内的所有甲带就都变成深蓝颜色，表示被选中。

另外每一条皮带自身也有一个选择键，利用此键可以把有故障的皮带退出流程，选择另一侧的皮带来替代它，这样就可以做到甲、乙侧设备交叉使用。在设备选择完成后，按下确认键后就可以知道所选的通路是否正确，如果正确，则可以继续下一步操作，否则需要重新进行选择。当此流程使用完毕后，使用清流程键把这个流程清除，以免在另外的流程中使用相同设备时出现错误。参见“1号煤厂至煤仓间流程”选择图：

若所选流程为有效流程，则由语音提示下一步的“预启”操作。此操作发出后，三通挡板打到所选通路，滚轴筛（如果在流程内）、碎煤机（如果在流程内）运行。如在30秒预启过程中挡板正常启动到位，则发出“允许启动”语音提示，此时可以进行“程启”操作。选择“程启”后沿线设备从末端皮带机按所选流程逆煤流方向延时启动各设备直到煤源。当上煤结束时，立即进行“程停”操作。在多流程同时运行时要先选择煤源再进行“程停”操作，程停操作根据所选流程从煤源设备开始顺煤流方向逐台按预定的延迟时间顺序停止各设备直到末一台设备。延迟时间是为保证每台运行设备上的煤走完后该设备才停机。

在自动运行中，某一设备出现故障或事故时,如皮带撕裂、拉绳，持续2秒以上的重跑偏、打滑或堵煤时，立即停止该皮带，同时联跳逆煤流方向的所有设备。但故障点下游设备保持原工作状态不变。待故障解除后，先进行“复位”操作，再重新进行“预启”操作，从故障点向上游重新延时启动设备；也可在故障未解除时，执行“程停”操作，从故障点下游开始顺煤流方向逐台按预定的延迟时间顺序停止各设备直到末。碎煤机和滚轴筛除本身事故外延时30秒后停机。当按“紧急停机”按纽（操作台上和上位机都有此开关）全线运行设备立即停止运行，碎煤机和滚轴筛延时30秒后停机。

1）皮带机的控制

无论是手动还是自动启动皮带机前，都要先响警铃20秒，通知在皮带周围的人员尽快远离，以免发生事故。皮带机是输煤系统的主要运输设备，因此对它的保护和要求也就相应的多了一些。在皮带机两侧设事故拉线开关，巡检人员发现皮带及其附近设备有异常情况时，可直接拉事故拉线，使皮带停止。

皮带重跑偏、纵向撕裂、打滑、管道堵煤等信号都直接进入了PLC，一旦其中某一个事故出现时，都要使皮带机立即停止。但是为了避免由于这些事故的假信号影响正常上煤，还设置了一些屏蔽这些信号的键，当操作人员能够确认某个信号为误动作时，就可以使用屏蔽键令这个信号不起作用，等信号处理好后，要马上恢复此信号的功能，以免造成更大的损失。参看“一号甲皮带控制状态”图，本设备的所有控制和状态都可以在这一幅图中显示出来。

本系统对每个设备都设置了一个“检修”键，当现场设备需要检修时,在上位机中设定此设备为“检修”状态，则PLC控制程序禁止此设备运行。

2）电动三通挡板的控制

为了使上煤系统更加灵活，设置了16个电动三通挡板，并且要求其参与系统联锁，且能就地、程控操作。在自动工作状态下，当按下预启动键时，三通挡板根据选定的在其前后两条皮带的位置，自动完成通甲路或通乙路的动作（例如现在选中的是1#甲皮带和2#乙皮带，按下预启动键后，1#三通挡板就自动打在了通乙路的位置上），为下一步的程启做好准备。

但是由于种种原因，甲、乙路到位信号有可能在使用过一段时间后失灵，因此就又增加了甲路通到位和乙路通到位的假信号，在到位信号失灵后替代实际信号工作。

　　
为了避免由于误操作而引起上煤中断，在已经运行的流程中对所有三通挡板操作无效（闭锁操作）。

3）除尘器

系统设置了15个除尘器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除尘器信号，但不论除尘器启动与否，都继续向下启动皮带机。除尘器自身故障不连跳主设备。

4）除铁器

系统共有2个盘式除铁器和8个带式除铁器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除铁器信号，但不论除铁器启动与否，都继续向下启动皮带机。除铁器自身故障不连跳主设备。

5）振动器

本系统共有30个振动器。它的功能是在出现堵煤的情况自动振打，或每隔20分钟自动振打10秒，也可切换到手动方式，由操作人员手动随时启停。

6）皮带秤

皮带秤输出的脉冲累加点用于计算累计上煤量。

7）叶轮给煤机

叶轮给煤机利用行走和拨动功能把在火车、汽车卸煤沟中的煤炭运送到皮带上。自动工作状态下，给煤机启动和停止取决于在它后面的皮带的动作，而给煤机的前进和后退，则需要操作人员根据现场的实际情况进行手动操作。参见“一号叶轮给煤机控制状态”画面。

8）斗轮机

两个斗轮机分别在两个煤厂，负责煤厂煤炭的堆取工作。在机组使用煤炭量较少时，利用斗轮机的堆料功能，配合5#甲、7#甲皮带正转，把卸煤沟的煤炭存储在煤厂中；当锅炉使用大量煤炭时，利用斗轮机的取料功能，配合5#甲、7#甲皮带反转，把存储在煤厂中的煤炭运往原煤仓。

9）滚轴筛

滚轴筛位于8#皮带和9#皮带之间，其作用是把煤炭进行筛分，筛下物直接落到9#皮带运往原煤仓，筛上物通过11#皮带和碎煤机进行破碎后返回煤厂。当滚轴筛出现故障时，煤炭直接从8#皮带落在9#皮带上运往原煤仓，可保证原料的供应不会因为滚轴筛的故障而停止。

10）卸料小车

卸料小车共有两个，10#甲带和10#乙带上面各一个，可在皮带上行走。其功能是把10#皮带上的煤炭卸到原煤仓中。

原煤仓共有12个，1～6#原煤仓给1#机组提供燃料，7～12#原煤仓给2#机组提供燃料，6#仓与7#仓之间有一段距离，其它仓都是并在一起的。原煤仓上装有12个位置开关，可标识小车处于哪一个原煤仓上。

卸料小车上面有三个挡板，可以使小车处于卸料/直通状态。初始位置为直通状态，当开始卸料时，两侧的挡板打开，位于皮带上的挡板关闭，煤炭从皮带两侧落入选定的原煤仓；当小车经过6#仓与7#仓之间时，为了避免煤炭撒落到外面，两侧的挡板关闭，皮带上的挡板打开，此时小车处于直通位置，煤炭经过小车后依然还落在皮带上，终进入12#原煤仓中。

小车有两种卸料方式，定点/连续方式。定点方式是小车走到选定的原煤仓后，停止不动向原煤仓内卸料；连续方式是小车在选定的原煤仓上来回行走，把煤炭均匀地卸到原煤仓中。

配煤方式分为自动配煤、手动配煤和就地配煤三种方式。

在自动配煤方式下，当输煤系统发出“程启”操作后，配煤皮带（10号甲、乙）即先运行。当配煤皮带出现运行信号后，首先按照煤仓的顺序进行检测，从仓开始进行顺序配煤，将所有煤仓配至高煤位。此时如果某些仓不使用，则需要把这些仓置于停用状态，这样在轮到这个仓配煤的时候，就会把它跳过去，继续为下一个仓配煤。当所有仓都处于高煤位时，配煤就完成了。

手动配煤是由操作人员根据现场的煤位和卸料小车的信号，在上位机上手动操作小车的运行/停止，卸料/直通，定点/连续等功能，完成原煤仓的配煤工作。

就地配煤是在现场由操作人员根据实际情况，操作小车的运行/停止，卸料/直通，定点/连续等功能，完成原煤仓的配煤工作。

6．结束语

这套系统目前已经运行了半年时间了，根据实际的运行情况证明：整个系统安全可靠，稳定性高，控制灵活性强。随着计算机和PLC技术的提高，输煤系统的自动化水平也在不断提高，目前已经做到了把相对分散的各个设备统一集中到一起控制的情况，几乎涵盖了全部的设备，这其中大部分设备可以自动顺序启/停，个别设备只能够上位机手动操作，表明了目前自动化水平的提高。相信随着我国电力工业的发展和计算机、PLC硬件及软件水平的不断提高，程序控制作为输煤系统的主要控制方式，在火力发电厂将得到更加广泛的应用。