【摘要】現(xiàn)場空調(diào)分站連接操作面板OP3對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控，主站上掛TP270觸摸屏對所有空調(diào)和排氣風機系統(tǒng)進行監(jiān)控、報警和實時趨勢的顯示，主站和中央控制室上位機采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，上位計算機采用西門子的專用監(jiān)控軟件WINCC進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的歸檔，文中對OP3和TP270的軟件組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)通訊的軟件設(shè)置，控制程序和WINCC監(jiān)控軟件設(shè)計在文中都有詳細的說明。

關(guān)鍵詞：涂裝廠房  空調(diào)子系統(tǒng)  觸摸屏  WINCC

1 系統(tǒng)硬件配置實現(xiàn)

      廠房空調(diào)系統(tǒng)由于設(shè)計是定風量全空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)我們以往項目經(jīng)驗經(jīng)過仔細核算后，將各個區(qū)域自控系統(tǒng)設(shè)備選型有所區(qū)別，以適應(yīng)工程之中建筑物功能的變化引起設(shè)備的變化，以滿足系統(tǒng)要求。本章以S1空調(diào)機組和AC1排氣風機機組硬件配置為例介紹系統(tǒng)硬件的搭建。

      1.1 S1空調(diào)機組硬件配置

      S1空調(diào)機組根據(jù)系統(tǒng)的電器原理圖紙和控制系統(tǒng)要求，我們把控制系統(tǒng)的硬件配置分析歸納，為了簡便清楚，我們繪出各部分的系統(tǒng)硬件配置表1。

表1 S1空調(diào)機組硬件配置表

      S1站控制柜正前方中央位置配有觸摸屏OP3，用來監(jiān)控S1空調(diào)機組，S1站控制柜內(nèi)部設(shè)備有：

      一、穩(wěn)壓電源及UPS：由于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，現(xiàn)場的風機、泵類等大功率感性負載較多，容易引起電源波動，且系統(tǒng)要求配備不間斷電源，故配備穩(wěn)壓電源和UPS。

      二、PLC單元

      1、CPU模塊

      選用SIMATIC S7-300系列CPU 313C。它具有MPI接口，可用于中大規(guī)模的I/O配置，也可用于建立分布式I/O結(jié)構(gòu)，這正適合建立與各遠程子站相接的結(jié)構(gòu)。它具有64K的程序存貯器，2048個位存貯器，64個計數(shù)器，128個定時器，定時范圍為10ms～9990s。

      CPU 313C的總I/O地址空間為1024/1024字節(jié)，其中過程映像I/O為128/128字節(jié)。數(shù)字I/O總數(shù)為8192個通道，其中集中的I/O為1024個通道。模擬I/O總數(shù)為512個通道，其中集中的I/O通道數(shù)為256I/128O。每個系統(tǒng)可以擴展32個模塊，模塊內(nèi)集成背板總線。

      2、電源模塊（PM）

      選用PS307-5A電源模塊1塊，分別給SIMATIC S7-300CPU和擴展模塊供電。S7-300需要24V直流電源，PS307負載電源模塊將120/230V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流工作電壓。電源模塊安裝在DIN導(dǎo)軌上，緊靠在CPU的左側(cè)。使用電源連接器連接到CPU上。模塊的前面板上有電源輸出指示器LED燈、線電壓選擇開關(guān)（120/230V）、24V直流的ON/OFF開關(guān)等。

      3、數(shù)字信號模塊（DI/DO）

      通過SIMATIC S7-300的數(shù)字輸入/輸出模塊，可將狀態(tài)信號和控制信號傳送給PLC的CPU。數(shù)字I/O模塊具有以下性能與優(yōu)點：

      1）結(jié)構(gòu)緊湊：牢固的塑料機殼中包括綠色的LED 用來顯示輸入/輸出端的信號狀態(tài)；連接器由前蓋保護，前蓋上有標簽區(qū)。

      2）組裝簡單：模塊DIN標準導(dǎo)軌上，通過總線連接器與相鄰模塊相連接。

      3）方便用戶的接線：模塊通過插入式的前連接器進行接線。第一次插入連

      接器時，有一個編碼元件與之嚙合，這樣該連接器就只能插入同樣類型的模塊中。更換模塊時，可保持前連接器的接線狀態(tài)，用于同樣類型的新模塊。

      4）優(yōu)化配合：可利用可以任何方式組合的模塊使輸入/輸出點數(shù)與任務(wù)相配合。5）靈活的:過程連接：可通過不同的數(shù)字執(zhí)行元件和傳感器使S7-300與過程相連接。

      4、模擬信號模塊（AI/AO）

      S7-300的模擬量輸入/輸出模塊用于連接不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，完成包含模擬過程的較復(fù)雜的任務(wù)。模擬量輸入模塊將擴展過程中的模擬量信號轉(zhuǎn)化為S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，與它相連的外部設(shè)備有電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻和電阻式溫度計等。它的性能和優(yōu)點類似于數(shù)字量模塊。另外，它具有強大的技術(shù)優(yōu)勢，不同的I/O范圍和高分辨率允許與眾多不同的模擬傳感器和執(zhí)行元件相連。

      它的特性有：

      1）從9到15位+符號位分辨率可調(diào)（用于不同的轉(zhuǎn)換時間）；

      2）各種測量范圍：基本的電流/電壓測量范圍由量程卡機械設(shè)定；微調(diào)由編程裝置中的STEP7“硬件組態(tài)”功能進行設(shè)定；

      3）中斷能力：該模塊將診斷和超限中斷傳送到可編程序控制器的CPU中；

      4）診斷：該模塊將大量的診斷信息傳送給CPU。

      5、PROFIBUS總線通訊模塊CP342-5

      CP 342-5 通訊處理器是與SIMATIC S7-300 / C7-300 PLC系統(tǒng)配合使用的，它可以將 S7-300 /C7-300 系統(tǒng)連接到 PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

      1）最新版本的CP 342-5可以提供如下的通訊服務(wù)：

      可以做為PROFIBUS–DP網(wǎng)絡(luò)的主站或者從站進行網(wǎng)絡(luò)通訊，但是要注意它不能同時做為網(wǎng)絡(luò)主站和從站。

      進行S7 通訊或者與編程器、操作面板通訊：

      – 編程器可以通過CP 342-5上載或下載功能模塊的組態(tài)或診斷；

      – 可以完成控制器與操作面板的通訊接口功能；

      可以和S5系列的產(chǎn)品完成下列類型的通訊：

      – FDL 連接；

      – 自由層的2種連接 (SDA, SDN) ；

      – 廣播功能；

      –多點傳送功能。

      2）最新版本的CP 342-5的通訊能力：

      做為主站的通訊區(qū)達2160字節(jié)；做為從站的通訊區(qū)達240字節(jié)。

      3）對CP 342-5的組態(tài)設(shè)置

      組態(tài)CP 342-5需要用STEP 7軟件，版本 V5.1以上，如果用到 FDL

      連接和診斷功能則需要安裝PROFIBUS NCM可選軟件包。

     6、S1站選件：

      1）CPU模塊S7-313C，型號：6ES7 313-5BE01-0AB0,這個CPU本身集成2個模板，1個為DI24/DO16,一個為AI5/AO2，數(shù)字量DI地址為I124.0～I126.0，DO地址為Q124.0～Q125.0,模擬量AI地址為752～761, AO地址為752～755。

      2）輸出模塊選用8點的帶繼電器輸出的SM322模塊，型號為6ES7 322-1HF01-0AA0，地址為Q12.0～Q12.7。

      3）2個4輸入/2輸出模擬量模塊SM334，型號為6ES7 334-0CE01-0AA0，地址為AI 256～263，AO 256～259。

      4）1個4路模擬量輸出模塊SM332，型號為6ES7 332-5HD01-0AB0，輸出通道地址為288～295。

      5）總線連接模塊CP342-5，型號6GK7 342-5DA02-0XE0, 提供Profibus-DP接口,與CPU模塊或其它Profibus接口設(shè)備相連，PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)地址為1。

      6）電源模塊SITOP

     它是一種直流電源模塊，輸入 AC 220V,輸出DC 24V。SITOP為現(xiàn)場變送器供電。

      7）PS307-5A電源模塊1塊

      為CPU和擴展模塊供電。

      1.2 AC1排氣風機機組硬件配置

      1.2.1系統(tǒng)硬件配置表

      1.2.2 AC1站控制柜選件

      1、控制柜：尺寸2000×800×600。

      2、電源模塊：PS307-2A。

      3、CPU模塊：S7-315-2DP，型號為6ES7 315-2AG10-0AB0,PROFIBUS 網(wǎng)路地址為6。

      4、2個數(shù)字量輸入模塊：SM321,型號為6ES7 321-1BH02-0AA0，地址為I0.0～I1.7, I4.0～I5.7。

      5、2個數(shù)字量輸出模塊：SM322,帶繼電器輸出，地址為Q8.0～Q8.7，Q12.0～Q12.7。

      6、1個以太網(wǎng)通訊模塊：CP343－1，型號為6GK7 343-1EX20-0XE0，IP地址為172.31.96.94,子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，工業(yè)以太網(wǎng)不使用路由器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      隨著自動化技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的成熟和普及，各工業(yè)企業(yè)采用計算機管理、指導(dǎo)生產(chǎn)的應(yīng)用也越來越多。一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)分為下位系統(tǒng)和上位系統(tǒng)兩個部分，下位系統(tǒng)通常采用PLC或智能監(jiān)測儀表作為數(shù)據(jù)采集和處理中心，上位系統(tǒng)通常以上位監(jiān)控組態(tài)軟件為平臺，自主開發(fā)完成。相對于計算機上位系統(tǒng)而言，下位監(jiān)控系統(tǒng)已發(fā)展成為一個相對成熟的技術(shù)，所實現(xiàn)的功能往往受到采用的PLC或智能監(jiān)測儀表的限制，而隨著系統(tǒng)軟件、編程工具軟件及其它第三方應(yīng)用程序的飛速發(fā)展，實現(xiàn)計算機上位監(jiān)控系統(tǒng)可采用的手段越來越多。對于一個計算機上位監(jiān)控系統(tǒng)來說，快捷的開發(fā)周期、良好的界面、支持第三方應(yīng)用程序以實現(xiàn)強大的管理功能是一個優(yōu)秀的上位組態(tài)軟件所必備的素質(zhì)。在眾多的上位組態(tài)軟件中，很多進口軟件難以解決界面漢化問題，人為地增加了現(xiàn)場操作的難度；有的是計算功能太弱，上位所需的數(shù)據(jù)全部或大部分由下位派生計算機生成，加重了PLC的負擔，往往使梯形圖編程復(fù)雜而難以維護；有的是網(wǎng)絡(luò)功能太弱，各控制分站的數(shù)據(jù)交換要通過局域網(wǎng)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸且安全性差；有的是不支持第三方應(yīng)用程序而內(nèi)嵌了一些上位軟件廠家的編程工具，系統(tǒng)開發(fā)員要閱讀大量的資料才能編程，開發(fā)周期大大延長。

      我們采用的編程軟件是西門子公司開發(fā)的STEP7軟件，上位監(jiān)控軟件為西門子和微軟公司聯(lián)合開發(fā)的WINCC軟件，操作面板的圖形設(shè)計組態(tài)軟件為西門子公司的Protools。以上軟件都已經(jīng)成功解決了漢化問題，而且兼容性、開放性非常好，軟件講究人性化設(shè)計，同時西門子公司提供了詳細的資料，使得用戶使用起來快捷、方便。

      2.1 空調(diào)機組和排氣風機程序編制

      程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計的思想，先將整個程序化分為幾個功能塊，每個功能塊放到一個FC中，完成某個具體的控制功能，這樣做便于查錯和系統(tǒng)的維護。

      1、硬件組態(tài)如下圖1所示：

圖1 STEP7硬件組態(tài)

      2、程序塊設(shè)計

      主程序流程圖如圖2：

      3、程序塊說明

      ● 初始化功能塊OB100

      在STEP7的項目中插入OB100，初始化程序放到到OB100中，PLC系統(tǒng)上電后自動調(diào)用一次OB100。

      初始化程序包括：自動狀態(tài)下將風機、噴淋泵的變頻值設(shè)到50HZ，將送風閥的開度設(shè)到100％，新風閥的開度設(shè)為0，熱水閥的開度設(shè)為0；手動狀態(tài)下將風機變頻和噴淋泵變頻設(shè)為0，送風閥開度設(shè)為100％，熱水閥開度設(shè)為0。

      ● 模擬量輸入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及顯示功能塊FC41

      此功能塊完成模擬量輸入數(shù)據(jù)的標量轉(zhuǎn)化，并且按照OP3中對數(shù)據(jù)格式的要求將數(shù)據(jù)進行一定格式的處理，傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，使得數(shù)據(jù)能夠在OP3上顯示。

      現(xiàn)場的傳感器將模擬量實際值轉(zhuǎn)換成0～10V信號，而AI（12位）模塊將0～10V信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成一個內(nèi)碼數(shù)0～27648。PLC讀取的端口數(shù)字僅僅是一個內(nèi)碼值，這就需要編程將此內(nèi)碼數(shù)變成實際值送操作面板顯示。

      公式如下：

      送風溫度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序如圖3：

      先將PIW754中AI模板采集的數(shù)經(jīng)過自己編的一個“AI-FACT”模塊轉(zhuǎn)化為實際值放到MD36里，此時MD36里的數(shù)據(jù)類型為實型，因為OP3中只能顯示十進制的數(shù)，顯示小數(shù)的位數(shù)是自己定義的1位，故將MD36×10，然后將將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化為雙整型的十進制數(shù)。

      ● 風機設(shè)備的控制程序模塊FC46

       此功能塊完成空調(diào)風機變頻器、噴淋泵、循環(huán)泵、新風閥、送風閥、回風閥的本地、遠程啟停等邏輯功能控制。噴淋泵控制流程圖如圖4：

圖4 噴淋泵控制流程圖

      空調(diào)風機控制流程圖如圖5：

圖5 空調(diào)風機控制流程圖

      ● 模擬量輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及相應(yīng)設(shè)備控制塊FC45

      當控制閥或變頻時，需要用到模擬量輸出，這些值需要轉(zhuǎn)化為按照通道要求的輸出值0～27648，此功能塊從程序上進行一些轉(zhuǎn)化，自動和手動需要從不同的數(shù)據(jù)區(qū)對模擬量輸出賦值，此外對各個設(shè)備進行限位處理，熱水閥的最小開度限位2％，噴淋泵和風機的變頻值不能小于25HZ。自動手動開關(guān)轉(zhuǎn)換時對各個設(shè)備的參數(shù)進行初始化。

      ● 報警處理模塊FC47

      此功能塊的作用是，根據(jù)空調(diào)工藝的要求，實時檢測關(guān)鍵部位的信號，當超出范圍時產(chǎn)生報警信號輸出。

      ● 控制算法處理模塊FC48

      此功能塊作用是通過一定的算法對設(shè)備進行相應(yīng)控制，滿足系統(tǒng)對送風溫度、濕度值的要求，具體算法在第八章控制策略研究中詳細說明。

      ● 網(wǎng)絡(luò)通訊程序模塊FC49 

      此功能塊作用是完成網(wǎng)絡(luò)的通訊任務(wù)編程，具體在后面網(wǎng)絡(luò)通訊一章中詳細說明。

      ● 系統(tǒng)延時

      為了減輕CPU的負載，沒有必要每個程序掃描周期都對采集的信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理，此功能塊的作用是產(chǎn)生不同的周期性定時信號，每150ms對采集的模擬量信號處理一次。

      2.2 TP270觸摸屏軟件設(shè)計

      TP-270介紹：TP 270 觸摸面板基于新型的標準Microsoft Windows CE 操作系統(tǒng)，借助于PC 世界的靈活性，它結(jié)合了專用硬件解決方案的堅固性和速度。

      TP 270面板由于提供了廣泛的產(chǎn)品范圍，用戶有機會選擇最適合其特定需要的單元。所有的單元包括下列優(yōu)點：

      • 組態(tài)效率很高，可在組態(tài)計算機上模擬組態(tài)(不需要PLC)。

      • 通過基于Windows 的用戶界面可以對過程進行清晰地顯示和方便地操作。

      • 在組態(tài)期間有大量預(yù)定義的畫面對象可供選擇， 可動態(tài)使用畫面對象(例如移動對象)。

      • 可在配方畫面和配方視圖中簡單快速地處理配方和數(shù)據(jù)記錄，

      • 無需外部圖形編輯器，使用SIMATIC ProTool CS 組態(tài)軟件就可以創(chuàng)建向量圖形。

      • 下載數(shù)據(jù)時，可自動切換到下載模式，通過MPI、PROFIBUS/DP、USB 和Ethernet (以太網(wǎng))傳送，或者串行下載，TeleService (遠程服務(wù))傳送。

      • 可與SIMATIC S5/DP、SIMATIC S7 和SIMATIC 505 以及其它廠商生產(chǎn)的PLC 進行標準連接。

      除了典型的HMI 應(yīng)用程序(使用SIMATIC ProTool 可視化)，多功能面板也支持使用諸如過程診斷，操作單元使得操作狀態(tài)、當前過程數(shù)據(jù)和關(guān)于連接的PLC 的故障能夠以圖形顯示，并且使得相關(guān)的機械設(shè)備或系統(tǒng)能夠被方便地監(jiān)控和操作。高度防護(IP65 前側(cè))和無需硬盤和風扇確保單元也適合直接在簡陋的工業(yè)環(huán)境中現(xiàn)場在各個機械設(shè)備上使用。

      TP 270的監(jiān)控主畫面如圖6所示，整個監(jiān)控系統(tǒng)共分為8部分，按下各個按鈕就會進入相應(yīng)的畫面。

圖6 TP 270監(jiān)控主畫面

      S1－S4送風風機畫面如圖7所示，畫面包括S1～S4空調(diào)機組的各臺設(shè)備運行狀態(tài)，紅燈表示電機停，綠燈表示電機運行；紅燈表示電機有故障，綠燈表示電機無故障。雙擊1＃機運行燈，會出現(xiàn)一個組態(tài)窗口，在窗口中可以設(shè)置燈的不同顏色對應(yīng)它連接的PLC內(nèi)部變量，將紅色對應(yīng)1＃機運行變量的0值，將綠色對應(yīng)1＃機運行變量的1值，其它指示燈的組態(tài)方法類似。

圖7 送風風機畫面

      空調(diào)群控畫面如圖8所示，畫面包括各個機組的手、自動狀態(tài)顯示。還有S1～S5噴淋泵的啟?？刂疲钌厦嬗?個按鈕，操作時觸摸按鈕的藍色部分，按下按鈕，按鈕上面的紅色小燈變綠，松開后變紅。按下S-1～S-4及相關(guān)風機順序啟動按鈕后，S-1、S-2、S-3、S-4，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P11、P13、P14、P15、P16、P17、P18、P19、P20 、S-7、S-8順序啟動，整個過程大約2分鐘；按下S1～S4及相關(guān)風機順序停止按鈕后，上面的設(shè)備反方向關(guān)閉。按下S－5及相關(guān)風機順序啟動按鈕后，S－5、P7、P9順序啟動；按下S－5及相關(guān)風機順序停止按鈕后，上面的設(shè)備反方向關(guān)閉。

圖8 空調(diào)群控畫面

      當S1～S4及相關(guān)風機正常啟動后，空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)顯示為好，否則顯示為不好，畫面中還有微正壓值顯示和設(shè)定微正壓值，設(shè)定范圍為0～100Pa,設(shè)定微正壓時，觸摸設(shè)定值的區(qū)域，此時彈出一個數(shù)字面板，按下相應(yīng)數(shù)字，再按確認鍵，設(shè)定完成。按下微正壓調(diào)節(jié)按鈕，空調(diào)機組進行微正壓自動聯(lián)控，按鈕由紅色變綠色表示啟動調(diào)節(jié)，再按一下，按鈕顏色變紅表示停止調(diào)節(jié)。
 用戶登陸按鈕用來調(diào)出操作密碼畫面，輸入密碼后方可進行有效操作，系統(tǒng)在5分鐘后自動退出登陸，登陸密碼和自動退出時間都在ProTool軟件中設(shè)置。

       2.3 上位監(jiān)測系統(tǒng)WINCC軟件編制
       在該系統(tǒng)中WinCC主要完成對整個生產(chǎn)線的實時監(jiān)控，包括空調(diào)排風系統(tǒng)的群起群?？刂?、系統(tǒng)各種運行參數(shù)的采集、設(shè)備故障狀態(tài)顯示，以及報警記錄及各個生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)匯總，生成報表，定時打印和操作人員操作記錄等功能。
       上位監(jiān)控系統(tǒng)有5部分組成：
       1、系統(tǒng)監(jiān)控畫面是上位監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要包括整個生產(chǎn)線總攬畫面、空調(diào)機組畫面、排風機組畫面。在每個監(jiān)控畫面中，按照工藝流程順序組織各種設(shè)備，操作人員可以監(jiān)視各種工藝參數(shù)及設(shè)備運行情況。
       2、數(shù)據(jù)歸檔畫面主要表格及曲線的形式顯示現(xiàn)場儀表采集上來的數(shù)據(jù)，具有實時及歷史曲線打印和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，歷史數(shù)據(jù)的時間段在三個月內(nèi)可自由選擇。
       3、報表打印畫面能夠按照完成統(tǒng)一要求的格式進行歷史及在線的數(shù)據(jù)報表及曲線打印，對于報警信息可實現(xiàn)在線打印。
       4、報警畫面可以提供最近一千次的報警信息內(nèi)容查詢，包括報警時間、故障地點及部分故障原因。
       5、在該系統(tǒng)中報警信息條、操作權(quán)限信息及更改按鈕貫穿于每個操作界面，使操作員在每個畫面操作時，都不會錯過任何重要信息。操作權(quán)限可根據(jù)操作員身份的不同而設(shè)定，并可以在在線狀態(tài)下修改個人密碼，工程師應(yīng)具有最高權(quán)限。
       起停按鈕組態(tài)說明：
       設(shè)備的遠程控制也是靠標簽連接按鈕來實現(xiàn)的，首先在WINCC中建立群起標簽all_start，讓它和主站PLC中的啟動位相連，在按鈕的屬性中選擇“事件”中的“釋放鼠標左鍵”，對其中的C動作如下進行編譯，來進行設(shè)備的啟、?？刂?。
#include "apdefap.h"
void OnLButtonUp(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName, UINT nFlags, int x, int y)
{SetTagBit("all_start",1);
SetTagBit("all_start ",0);
END
}

3 結(jié)束語
       本文重點介紹了涂裝廠房空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計過程，從空調(diào)機組和排氣風機機組分別介紹了硬件配置和編程編制，并遵循可視化監(jiān)控的要求進行了觸摸屏監(jiān)控軟件的設(shè)計以及控制室監(jiān)控軟件的編制，達到了高自動化監(jiān)控管理的 要求。