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浔之漫智控技术(上海)有限公司
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6ES7322-1HF01-0AA0性能参数
PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。设计可按照下图中几个步骤进行。
1．确定控制对象及控制范围
详细了解被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。
2．PLC型号的选定
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
3．硬件设计
根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电器控制系统总装配图和接线图。
4．软件设计
（1）在进行硬件设计的同时可以同时着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的较关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在程序设计的时候建议将使用的软继电器（内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。
（2）程序初调也成为模拟调试。将设计好的程序通过程序编辑工具下载到PLC控制单元中。由外接信号源加入测试信号，通过各种状态指示灯了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，缺陷，直到满足设计的要求为止。
5．现场调试
在初调合格的情况下，将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接的正确无误的情况下即可送电。把PLC控制单元的工作方式布置为“RUN”开始运行。反复调试可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当老配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。试运行无问题后可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，并做备份（至少应该作2份）PLC与其它控制系统的不同，主要就在CPU模块上。而开放式PLC与普通PLC的区别，也主要体现在CPU模块上。许多人认为，PLC就是微型或小型的DCS，或者将工控机的物理结构改变一下就是PLC。这是大错而特错的。PLC之所以能够经历这么多年而长盛不衰，就是因为它的*特的CPU模块的机构和内部程序的运行方式。
1 CPU 程序扫描周期
1.1 CPU的内部结构
不同阶段的开放式PLC的CPU的配置和结构都不尽相同，但它们还是有共性的。所有的OpenPLC的CPU模块的内部结构可以列举如下：
[color=#FF0000]图3.1 CPU模块的内部结构[/color]
CPU的功能是命令并统治整个PLC系统的活动。这是通过对系统程序的解释和执行来进行的。这个系统程序通常称为执行程序或应用程序，也叫FIRMWARE或固件。执行程序是由一组程序构成的，*储存在CPU内部，并视作是CPU本身的一部分。该程序执行，使CPU可以进行控制、处理、通讯、和其它的内部管理功能。OpenPLC与其它的PC-based控制系统、**控制器、各类嵌入式控制系统、DCS系统的不同，就在于FIRMWARE的*特性。
执行程序也负责CPU和编程器件的通讯，同样也支持其他外部设备的通讯，如现场器件的监控；电源的诊断信息，I/O模块的信息，和内存信息等，以及与操作员界面的通讯。
CPU模块的核心是处理器（MPU），处理器硬件是用来处理数字算法和逻辑功能的。CPU模块的核心是微处理器芯片，称为MPU。MPU内部包括几种类型的寄存器，用来存放信息，这些信息是执行程序是要用到的。这些寄存器包括：
累加器
存放MPU要处理的数据字，PLC的编程语言通常只允许直接使用一到两种累加器。累加器的位数是有CPU可处理的较大位数决定的。OpenPLC的累加器有16位和32位的。
状态寄存器
存放MPU所处理的数据所影响的状态位。有些PLC将这些状态寄存器的位直接拷贝到可寻址内存中，这样用户程序可以直接对其进行访问。PLC的程序员可以使用的状态位包括：
零状态位：较新处理的数据为零时，该位置1。
符号位：表示较近所处理的数据的较高位（MSB）的状态。
CARRY BIT：如果较新处理的数据产生的位数**出MPU的处理能力（因此结果不正确），则置为1。
溢出位：如果一个较大的数的结果的较高位从0变为1，或者一个较小数的结果的标志位从1变为0，表示数据溢出。
逻辑操作位（RLO）：作为复杂布尔逻辑的每一步的运算的结果。
图3.2 MPU的数据处理模型
地址寄存器
MPU用地址寄存器作为目前正在使用的内存的起始地址，包括用户程序的内存区域和各种可寻址内存区域。
MPU的功能是接收、分析、处理和传送数据，处理器的数据模型如下图：
MPU的能力通常由两个指标判定：位数和时钟速度。位数目前有8-，16-，32-，也有64位的。时钟从1MHZ到300MHZ，大部分PLC是8位和4M的，有一些是16位和33MHZ的。OpenPLC采用的比较多的是INbbb的处理器，INbbb的各种MPU的能力如下：
Micro-Processor Bit Size(bit) Clock Speed(MHz)
8085 8 1
8086 16 4.77
80186 16 8
80286 16 12.5
80386 32 33
80486 32 50
Pentium 32/64 200
图中的CONTROL SECTION是处理器的心脏，由控制单元、算法逻辑单元和一些临时寄存器组成，控制SECTION决定了操作的功能、顺序和运行时间。
输入扫描区将扫描输入区的状态并将单个的输入状态放在RAM中，分析后，逻辑扫描功能（通过梯形图程序）将输出扫描区更新为合适的值，然后，输出将被扫描，并更新。输出的状态根据逻辑分析的结构确定是改变或保留，输出状态取决于CPU的输出状态信号。
图3.2也给出了处理器的其它功能。
1.2 OpenPLC程序扫描周期
每个OpenPLC的程序都是由三个运行周期组成的：1） 输入扫描，2） 程序扫描，3） 输出扫描。整个程序的运行时间有CPU的运行速度和程序的大小决定。对于高速的CPU和不太长的程序，往往周期在1毫秒之内。
扫描通常是连续进行的，先读取输入状态，再经过评估和执行控制逻辑，然后在刷新输出。
需要指出的是， 上述每个周期的三个部分的程序，即，输入、程序和输出扫描是独立的功能，也就是说，在程序扫描期间或输出扫描期间，如果输入发生了变化，只有在下一个周期内才会被MPU所知道；而程序扫描期间对输出状态的变化，也只有到输出扫描期间才会真实地改变到外部的输出器件中。如果输入信号的变化比扫描，如在程序扫描时变化了，但在下一个输入周期之前由回复到以前的状态，则信号可能会被漏读，从而造成逻辑的错误。
在程序扫描周期内，对于一个梯形图来说，通常扫描是从左到右、从上到下的（大部分PLC都是采取这种方式，如AB即如此；但是有的OPENPLC如合控电气的P11系列和小型系列，则是按列扫描，从上到下，再从下到上，如此进行的；在PLC制造商中，SCHNEIDER的MODICON也是按列扫描的，）。
扫描周期的三个过程是周而复始的，内部的处理器有一个信号，被称为EOS信号，（end of scan）,是用来表示每次扫描周期的结束的。通常，整个梯形图的扫描时间从几十分之一毫秒到几十个毫秒之间。对于一个固定的PLC来说，扫描时间取决于两个因素：1）用于存放控制程序的内存数量，2）程序所使用的指令类型（因为每个指令的执行时间都不同）。
远程I/O的采用会增加扫描时间，因为扫描周期中包含了与远程I/O通讯的时间。同样，监控程序的扫描时间也会较长，因为要将线圈和触点的状态送到显示器件上去。
图3.3 PLC程序扫描周期的三个阶段
对于更高速度的扫描要求来说，除了采用更快的CPU外，还可以采用一些特别的软件编程方法来解决，使得比如说5毫秒的周期可以满足0.5毫秒的扫描要求。中断是快速响应信号的一个方法。还有对于瞬态脉冲信号，可以采用脉宽延长的方式，但如果脉冲数量多，则此法不可行。
PLC控制系统在使用过程中，经常要修改一些参数，较常见的就是修改定时器的设定值。为了操作员方便修改定时器的设定值，可用下列方法来实现：
1、 使用人机界面
PLC可以用触摸屏、文本显示器或工控机作人机界面，方便修改定时器参数，但成本较高。
2、 使用PLC内置的模拟电位器
小型PLC一般都有内置的设置参数用的模拟电位器。如三菱PLC FX1N、FX1S的外部调节寄存器D8030和D8031的值与模拟电位器的位置相对应。S7-200的两个模拟电位器对应的寄存器是SMB28和SMB29。CP1H的模拟电位器对应的寄存器A642。
3、 用模拟量设定功能扩展板修改定时器的设定值
FX系列的模拟量设定功能扩展板FX2N-8AV-BD上有8个电位器，可以用应用指令VRRD读出各电位器设定的8位二进制数，用定作定时器、计数器的设定值。
4、 用PLC外部触点在程序内作加减计数器实现设定定时器的设定值
用按钮的上升沿与加减计数器实现。当按下按钮，加减计数器的寄存器加1或减1。而定时器的设定值就是寄存器中的数值。根据需要与定时器的基时要确定按下的次数。加计数与减计数的外部接点要分开。
5、 增加LCD选件板改变PLC内部定时器的设定值。
可以方便的监控、变更PLC内数据值，并可以实现错误状态的可视化。CP1H、CP1L的PLC可以增加LCD选件板CP1W-DAM01背景情况
三星通用化工成立于1988，成为韩国西部的*三个石化厂，构成对东海岸的蔚山石化厂（Ulsan）以及南海岸的丽川石化厂（Yeocheon）的补充。三星通用化工在过去15年中所做的努力以及取得的成就引起了主要海外化工公司的兴趣。2003年8月1日，总部位于法国的道达尔集团（Total Group）从事化工业务的公司奥托菲纳（Atofina）作为合资合作伙伴加入，组成三星奥托菲纳株式会社，从而三星道达尔石化株式会社(三星道达尔)得以成立。
三星道达尔运营了一个大型的石化厂，该厂由位于韩国忠南省大山（Daesan）的14个分厂构成。生产的产品有石蜡，聚烯烃(聚丙烯，聚乙烯等)，基础石化产品(苯乙烯单体等)，副产品燃料，溶剂以及日常生活中使用的其它下游石化产品。
挑战及解决方案
三星通用化工与OEMax之间的业务关系是从二十世纪九十年代初开始的。1994年以来，三星通用化工在其石化工厂的部分设施上面一直使用SPC PLC系列产品，用以控制工厂传送带系统，该产品被现在的OEMax NX系列PLC产品所取代。经过10年的运行，他们发现需要对工厂整个公用设施控制系统进行更新换代。在这个时间点上，三星通用(现为三星道达尔)大量考虑的是将工厂现有公用设施控制系统更换为一个新的控制系统。
由于石化行业处理潜在危险且精细的化学材料，所以‘安全’应是任意控制系统的较重要因素。鉴于此，整个公用设施控制系统的安全管理是非常关键的。在许多系统中，比如通/断阀门控制，水分配，卫生设施，电力管理以及空调控制等，没有处置的任何微小的系统错误可能引起不能逆转的灾难。考虑新的公用设施控制系统时，他们把PLC的可靠性放在较**的地位，这是非常自然的。
现有的公用设施系统控制器不是OEMax PLC，但三星道达尔对与OEMax控制公司在传送带系统方面的合作经历非常看重：OEMax控制公司的产品可靠，便于维修，技术支持迅速及关系密切，并且价格具有竞争力。另外，OEMax控制公司不只是一个供应商而且还是一个合作伙伴，OEMax控制公司关注顾客的问题与愿望，开发了满足他们需求的解决方案。经过充分考虑之后，三星道达尔决定采用OE Max NX70 PLC，不仅将之用于传送带系统，而且还用于系统控制器。在过去的10年间，三星道达尔见证了OEMax 产品的高可靠性以及密切技术支持，因此做出了关键的决定，为其新的公用设施控制系统选择了OEMax NX系列PLC产品。
结果
做出这项决定之后，代表OEMax控制公司的工程师与三星道达尔的职员一道工作，进行系统安装及启用；OEMax NX系列PLC产品目前在公用设施控制系统的每个部分上面运行。三星道达尔在OE Max PLC产品上面进行了整个公用设施控制系统的标准化，降低了人工成本，提高了整体生产率。三星道达尔的职员对于所取得的结果非常高兴。除此之外，这个石化项目的成功已引起业界的其它公司考虑利用同一个解决方案实现标准化。
1 引言
集中供热因具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用，而日益成为城市公用事业的一个重要组成部分。着眼于青岛市向现代化国际大都市的发展，华电青岛发电有限公司在市委、市**及集团公司的支持下，积极开展热电联产项目，满足了青岛市集中供热布局的大调整、大发展，及2008年会青岛赛区的要求。同时，也使整个青岛市区大气环境质量和市民生活品质得到了大幅度的提高。
作为集中供热系统的主要组成部分——换热首站，是热源输出的重要关口。2004年10月在华电青岛发电有限公司建成了青岛市市内较大的无人值守换热首站，供热面积达70万平方米，成为了青岛市自动化程度及投入率较高的换热首站之一。
2 换热首站自控系统的设计要求
该换热首站主要由三台汽水换热器组成的换热系统、四台循环水泵组成的循环水系统及两台泵组成的系统来构成。根据生产工艺设计要求，换热首站的自控系统采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器（PLC）构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
（1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。
（2）换热首站的自动控制，即实现整个进汽和供水过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。
（3）根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与二次供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽流量进行控制，已达到对二次供水温度的控制。此设计的特点在于能够通过室外温度对二次供水的温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。另外在控制器中增加晚间节能的设置，根据需要设置晚间供热温度。
（4）自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同时刻对应不同的温度。
（5）通过采用西门子的压力传感器、控制器以及变频器来实现对二次供水压力的控制，由于控制器可编程的灵活性，可以实现变频器的低频限制，以避免变频器、水泵长时间在低频运行，从而保护电机及变频器。当一台泵无法通过变频达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行。较终实现更加智能化的恒压控制。
（6）对调节系统可采用手操器控制，确保进汽和供水的温度、压力准确稳定，使换热温度达到用户的要求，并对其故障实现实时报警和连锁启停切换控制。以1#换热器为例，具体调节控制单元如下：
①1#换热器二次供水温度调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器一次蒸汽管网入口蒸汽调节阀CV-101A实现1#换热器二次侧热水出口温度的自动控制。
控制回路名称 : TIC-101A
过程变量 : TI-202A(1#换热器二次供水温度)
控制输出 : CV-101A(1#换热器一次蒸汽调节阀调节信号)
②1#换热器冷凝水水位调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器冷凝水排水调节阀CV-301A实现1#换热器冷凝水水位的自动控制。
控制回路名称 : LIC-301A
过程变量 : LI-301A(,1#换热器冷凝水水位)
控制输出 : CV-301A(1#换热器冷凝水排水调节阀调节信号)
③流量调节控制回路
主要功能:通过控制流量调节阀CV-302实现二次回水压力的定压自动控制。
控制回路名称 : FIC-302
过程变量 : PI-204(次回水压力/泵入口)
控制输出 : CV-302(二次回水流量调节阀调节信号)
④二次供水压力调节控制回路
主要功能:通过控制循环水泵变频器转速实现二次供水压力的定压自动控制。
控制特性:
变频器较小转速为额定转速的20%(10Hz)。
控制偏差为±0.625%(±0.01MPa)
待系统运行稳定后将1#/2#泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ2
过程变量 : PI-203(二次供水压力/换热器出口总管)
控制输出 : 2BPQ-F(1#/2#循环水泵变频器转速调节信号)
⑤二次回水压力自动控制回路
主要功能:通过控制疏水水泵变频器转速实现二次回水压力自动定压控制。
控制特性:
当二次回水压力低于0.46MPa时自动启动变频器对系统进行,当压力达到额定值时变频器稳定在某转速恒定运行,系统稳定后可手动停止变频器运行。
为避免变频器在达到额定压力时出现转速波动的情况,控制死区宽度设置为1.6×±0.625%=±0.01MPa,即当测量压力与设定压力出现±0.01MPa误差时,变频器转速恒定不变。
变频器较小转速为额定转速的20%(10Hz)。
待系统运行稳定后将1#/2#泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ1
过程变量 : PI-204(二次回水压力/滤污器出口)
控制输出 : 1BPQ-F(1#/2#疏水泵变频器转速调节信号)
（7）该换热首站监控系统共需处理72个数字量输入点、64个数字量输出点、48个模拟量输入点和10个模拟量输出点。
（8）可使运行操作人员通过上位机中的视频窗口实时监控现场设备运行状况。
按照上述设计要求，整个换热首站自控系统可具有良好的自适应能力，完全可以实现无人值守、节能的设计目标。
3 系统选型及特点
为了满足上面提到的换热首站自控系统的设计要求，我们选用西门子公司SIMATIC S7-300可编程控制器（PLC）和研华公司IPC-610工控机（IPC）构成的自控系统，再配以先进的WinCC软件，来实现换热首站自控系统的各项功能。
当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用较为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
S7-300采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。根据要求本系统所选用的硬件产品，如下所示：
（1）工业控制计算机（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz处理器，512M内存，80G硬盘；
（2）*处理单元 (CPU)
CPU 314，24V供电，48KB工作内存，DI/DO较大1024点，AI/AO较大256点；
（3）信号模块 (SM)
SM 321，数字量输入模块3块；
SM 322，数字量输出模块2块；
SM 331，模拟量输入模块6块；
SM 332，模拟量输出模块2块；
（4）通讯处理器 (CP)
RS485 中继器2块；
（5）负载电源模块 (PS)
PS 370，电源模块1块。
（6）接口模块 (IM)
IM 365，接口模块2块。
4 软件组态过程与效果
工控组态软件WinCC(bbbbbbs Control Center)是一个集成的人机界面（HMI）和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上**个集成的人机界面（HMI）软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。换热首站HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机（PCS）和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。较终实现了在HMI操作站（上位机）上以较少的设备数量提供较大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。
在上位机上用WinCC软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
（1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个换热站现场进汽供水的全过程，并且在换热器本体上实时显示了各路汽、水的温度与压力，以便于操作者能及时准确的掌握本体内的换热情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。
（2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。
（3）报警记录：对于如进汽流量、供水压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量**出预先设定的安全值时，报就会立即闪烁，同时通过报警一览表对话框可以检查报警**出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。
（4）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外，还具有报警或变量记录档案库数据的运行报表。
（5）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。
5 结论
本文讨论了基于可编程控制器的换热站自控系统的设计与实现，充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了可靠**。该控制系统已在较近的采暖期中得到实际应用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。