基于VIPA 500S PLC的瀝青混凝土攪拌設備模擬演示系統
1引言
瀝青混凝土攪拌設備是筑路行業重要配套施工設備,該設備工藝復雜,體積龐大,無論從對生產企業技術人員的技能培訓講還是從施工單位對設備的認知方面考慮,單純的幻燈演示和文字說明已經不能滿足需求,瀝青混凝土攪拌設備模擬演示系統就是在這樣的背景下產生的.不同的瀝青混凝土攪拌設備生產企業由于產品開發理念的不同對模擬演示系統的設計要求也會有所區別,但是所要實現的主要功能還是一樣的,建立模擬演示系統所依賴的自動化技術和產品還是相通的.目前用來實現模擬演示系統的自動化產品主要有可編程控制器,觸摸屏（HMI）,電腦和相關配套編程與組態軟件.基于VIPA 500S PLC的瀝青混凝土攪拌設備模擬演示系統所依賴的PLC實現了和電腦的一體化,使整個硬件系統更集成,這種集成化設計是模擬演示系統的第一次嘗試,也是VIPA 500S PLC在推出市場后的首次應用.
2系統工作原理與硬件組成
2.1 系統工作原理
模擬演示系統是在不通過其它低壓電器搭建控制電路的前提下,主要由電腦、HMI、PLC三部分通過MPI、串口、以太網通訊協議互相聯通,交換數據來實現模擬演示工業生產現場操作.
2.2 硬件組成
根據目前瀝青混凝土攪拌設備行業控制系統組成現狀,模擬演示系統硬件組成基本可由下圖表達,新功能的擴展只要在總線上掛接就可以了.該圖是以北京德基瀝青攪拌設備控制系統為藍本做出的模擬演示系統硬件組成圖.
2.2.1 電腦系統
包括電腦主機,顯示器,打印機.其中電腦主機可采用商業機,也可為工業控制計算機.鑒于工控機具有較強的防護等級,如較高的抗震,抗干擾等功能,工業現場多采用.因為模擬演示系統系統是在實驗室放置,所以也可考慮商用品牌機. 根據模擬演示系統資源占用實際情況,電腦核心配置如CPU等一般與市場主流配置接軌,其中留有較大擴展空間,如引入視頻控制,遠程監控等功能,這些功能的加入對CPU和內存都有較高的要求.
顯示器按工業現場實際需要配置,目前流行單顯和雙顯兩種模式.多顯示器模式在瀝青攪拌設備行業還不多件.雙顯配置直觀,簡潔,該配置模式在行業應用廣泛,本文所述模擬演示系統即采用雙顯模式.
2.2.2 人機界面（HMI）系統
HMI最初是作為替代傳統按鈕,指示燈而使用的,到現在已經擴展了打印,報警,報表等功能.其在工業自動化控制中正在起著不可替代的作用.在瀝青混凝土攪拌設備控制系統中,HMI更多的是作為冗語控制系統.也就是HMI系統相對獨立,它是電腦控制系統的備用系統.根據瀝青攪拌工藝控制要求的不同,HMI選型標準也不一樣,行業控制需求不外乎生產操作,狀態顯示,數據設定等.隨著瀝青攪拌設備控制系統的智能化和人性化發展,視頻和數據處理功能也開始應用到現場控制中.
2.2.3 可編程控制器（PLC）
模擬演示系統使用的PLC和工業現場設備中應用的PLC有所不同,主要是從控制功能考慮選型.本文所述模擬演示系統選用的是德國VIPA 500S PLC. 確切的講VIPA 500 是一種新型的板卡式的CPU,它需要插接在電腦主板上,通過DP/MPI通訊協議和外掛通訊模塊如DP353連接,實現整機組態.因為模擬演示系統不需要實現對外部設備的實際控制,所以我們只選用VIPA 500 CPU,而不外掛任何其它模塊.這種設計模式大大簡化了模擬演示系統外部硬件電路.
2.2.4 其它
短信模塊和視頻模塊是作為新的事物引入到瀝青混凝土攪拌設備控制系統的.短信模塊包括短信交換器模塊和移動通訊卡（手機號碼卡）;視頻模塊很簡單,根據視頻采集要求選用普通的視頻攝像頭即可.
2.3 軟件組成
2.3.1 電腦操作系統
根據組態軟件安裝和編程軟件安裝要求選用中文WIN 2000操作系統.版本為WIN2000 professional SP2以上版本
2.3.2 PLC程序設計軟件
因為本文模擬演示系統所對應的主機控制系統多采用的是SIEMENS低壓和自動化產品,所以在模擬演示系統PLC選型時考慮了程序開發周期問題,同時根據性價比選擇了VIPA PLC.VIPA PLC和SIEMENS PLC軟硬件完全兼容,所以程序開發軟件仍使用STEP 7.
2.3.3 PC組態開發軟件
本文所論述的模擬演示系統對應PC組態軟件為杰控的Fameview 7.0
2.3.4 HMI組態開發軟件
模擬演示系統HMI產品選用的施奈德XBTGT 5000產品,對應組態開發軟件為Vijeo-Designer
VIPA 500S板卡式CPU在概念上我們可以把它當作一塊以太網卡,上位機組態和500S的通訊是通過以太網通訊協議聯通.作為一個網絡,各個站點的網址就必須要設定.雙擊硬件組態畫面中的CP343-1組件彈出如圖3 的網絡設置畫面.我們需要做的只是在子網區域添加一個”ETHERNET”,然后將IP地址和子網掩碼填寫上即可.圖中IP地址設定為192.168.201.3
PLC的IP地址設定后電腦IP地址同樣需要設定.設定方法為雙擊本地連接,進入本地連接屬性對話框如圖4所示.雙擊”internet 協議（TCP/IP）,在彈出的對話框中選擇手動輸入IP地址和子網掩碼.在本系統中IP地址設定為192.168.201.2
到此硬件組態基本完成.
3.2模擬演示程序設計
帶有冗余控制的瀝青混凝土攪拌設備的PLC程序設計一般分為兩部分，相對應與本文論述的模擬演示系統分為電腦控制和自動控制。這里我們以自動控制為例說明程序設計過程。
3.2.1 電機啟動模擬程序設計
電機啟動程序設計中一般要加入接觸器觸點聯鎖條件，而VIPA 500沒有I/O模塊配置，所以外部輸入點無法接入。為了實現電機的模擬啟動，程序設計可采用內部M繼電器來與原接觸器觸點并接實現.如工業現場應用空壓機啟動對應輸入變量為I20.0,其對應數據塊為DB10.DBX0.0.在模擬演示S7程序中空壓機機啟動部分增加了內部繼電器M100.0,那么只需將M100.0和I20.0并接即可實現M100.0與DB10.DBX0.0的對應,如下圖所示.
3.2.2 生產計量模擬程序設計
生產計量的模擬是整個模擬演示系統的關鍵。該部分程序無法在源程序上修改完成，所以需要重新編程。為了保持原有程序結構的清晰可以考慮在原有項目程序中新增一FC功能，在主程序OB1中調用該功能以實現模擬稱重信號的輸出。
稱重模擬信號的輸出在演示系統共分為四種，包括：骨料秤信號，粉料秤信號，瀝青秤信號，添加劑秤信號。其中骨料又細分為6種，粉料細分為3種，瀝青分為2種，添加劑分為一種。隨著公路施工的要求的不斷提高，有可能還會出現五個秤甚至更多秤的模擬。
稱重模擬信號可以根據稱重時間，卸料時間，稱重誤差等生產參數來調整，要避免生產中頻繁出現某種物料計量超差或計量超時現象。
緊急停機時會出現秤里存料現象，所以秤的清空需要由HMI組態按鈕來實現。按鈕的配置是根據按鈕觸發的變量在程序中的調用來決定的。按鈕對應變量可以對整個計量程序復位，也可以單獨對某一種物料復位，如骨料秤。本文所述模擬演示系統在HMI組態時新增了”PLC復位”按鈕,該鈕對真個PLC計量復位.
3.2.3 燃燒器控制的模擬設計
基于VIPA 500 PLC的模擬演示系統在模擬燃燒器控制時能夠實現風門的開度控制如鼓風門，引風門開和閉，開度百分比值隨風門開閉而增加減小。除塵器出入口溫度值，溜槽溫度值隨風門開度而程比例變化。同時，干燥筒負壓和除塵器壓差也按一定函數關系發生變化。
4 上位機監控組態設計
上位機監控組態設計分為PC監控組態設計和HMI監控組態設計。
4.1 PC監控組態設計
PC監控組態設計可以有兩種方式實現，第一種，獨立的監控組態設計。即充分利用組態軟件所提供的函數功能，實現二次開發，以達到模擬演示效果。Fameview組態軟件支持Vbscript腳本函數，Vbscript腳本函數支持71種以上功能的實現,包括畫面表現,數據庫操作,報表輸出等等.能夠最大限度的的模擬工業現場生產過程，適合給客戶演示。
第二種模式是基于VIPA 500 PLC，即上位機和PLC通過通訊實現監控組態模擬，前面第三章的程序設計即考慮了此組態方式。這種組態方式可以大量的借鑒瀝青混凝土攪拌設備在工業現場實際應用的組態設計，只做較少的修改即可。
短信的組態.短信息服務作為智能化生產的一部分,在瀝青攪拌控制行業開始嶄露頭角.由模擬演示硬件組成圖可以看到,短信服務的原理是通過手機發送短信息給短信處理模塊（相當于另一部手機）,短信處理模塊通過串口和上位PC機通訊,將需要處理的信息反饋回發送短消息的手機.
短消息在上位機組態內容首先是選擇通信方式,傳送速率設定和短信服務中心號碼設定.如下圖所示,其中串口我們選擇COM1,波特率默認為38400,短信中心號碼不同地區有所不同,可咨詢當地運營商.
短信組態第二步就是組態短信息內容.短信內容可以是當前生產數據如,當前產量,當前瀝青溫度等;短信內容也可以是歷史生產數據,如過去某天的產量或溫度,電機電流值等.
4.2 HMI組態設計
HMI組態設計因HMI硬件性能而不同,這里以施奈德XBTGT為例,由于HMI組態軟件功能所限,該型號組態方式必須基于VIPA 500 PLC.相對與PC組態HMI組態更簡單,只是增加了幾個外部生產控制按鈕,如”開始生產”,”停止生產”,”PLC復位”等。
HMI視頻應用是比較新的事物,該應用打破了傳統視頻控制的模式.傳統視頻應用需要多臺監視器和視頻交換器,而HMI這些都不需要,所需要的只是多設定幾個視頻畫面即可.如下圖所示:
另外HMI視頻還可以錄制,拍照并保存.組態設計時首先添加視頻畫面,圖5所示視頻畫面為單窗口單畫面型,也可以在單窗口中顯示多個畫面,這可以根據需要來設置.
視頻、圖象文件的保存路徑需要在組態設計時設定.支持視頻的XBTGT有外接存儲卡,視頻,圖象文件默認保存在存儲卡內.組態時鼠標雙擊項目的”數據定位”選項,彈出下圖設置畫面:
將數據文件選項對應的設置設為”第二驅動器”即可.
5 結論
基于VIPA 500S PLC的模擬演示系統硬件配置簡單,軟件編程和組態任務小,開發周期短.能夠實現工業現場生產工藝流程和工況的模擬演示.該系統已經在北京德基瀝青混凝土攪拌設備銷售演示和公司員工業務培訓中廣泛的應用.
瀝青混凝土攪拌設備是筑路行業重要配套施工設備,該設備工藝復雜,體積龐大,無論從對生產企業技術人員的技能培訓講還是從施工單位對設備的認知方面考慮,單純的幻燈演示和文字說明已經不能滿足需求,瀝青混凝土攪拌設備模擬演示系統就是在這樣的背景下產生的.不同的瀝青混凝土攪拌設備生產企業由于產品開發理念的不同對模擬演示系統的設計要求也會有所區別,但是所要實現的主要功能還是一樣的,建立模擬演示系統所依賴的自動化技術和產品還是相通的.目前用來實現模擬演示系統的自動化產品主要有可編程控制器,觸摸屏（HMI）,電腦和相關配套編程與組態軟件.基于VIPA 500S PLC的瀝青混凝土攪拌設備模擬演示系統所依賴的PLC實現了和電腦的一體化,使整個硬件系統更集成,這種集成化設計是模擬演示系統的第一次嘗試,也是VIPA 500S PLC在推出市場后的首次應用.
2系統工作原理與硬件組成
2.1 系統工作原理
模擬演示系統是在不通過其它低壓電器搭建控制電路的前提下,主要由電腦、HMI、PLC三部分通過MPI、串口、以太網通訊協議互相聯通,交換數據來實現模擬演示工業生產現場操作.
2.2 硬件組成
根據目前瀝青混凝土攪拌設備行業控制系統組成現狀,模擬演示系統硬件組成基本可由下圖表達,新功能的擴展只要在總線上掛接就可以了.該圖是以北京德基瀝青攪拌設備控制系統為藍本做出的模擬演示系統硬件組成圖.
圖1 模擬演示系統硬件組成
2.2.1 電腦系統
包括電腦主機,顯示器,打印機.其中電腦主機可采用商業機,也可為工業控制計算機.鑒于工控機具有較強的防護等級,如較高的抗震,抗干擾等功能,工業現場多采用.因為模擬演示系統系統是在實驗室放置,所以也可考慮商用品牌機. 根據模擬演示系統資源占用實際情況,電腦核心配置如CPU等一般與市場主流配置接軌,其中留有較大擴展空間,如引入視頻控制,遠程監控等功能,這些功能的加入對CPU和內存都有較高的要求.
顯示器按工業現場實際需要配置,目前流行單顯和雙顯兩種模式.多顯示器模式在瀝青攪拌設備行業還不多件.雙顯配置直觀,簡潔,該配置模式在行業應用廣泛,本文所述模擬演示系統即采用雙顯模式.
2.2.2 人機界面（HMI）系統
HMI最初是作為替代傳統按鈕,指示燈而使用的,到現在已經擴展了打印,報警,報表等功能.其在工業自動化控制中正在起著不可替代的作用.在瀝青混凝土攪拌設備控制系統中,HMI更多的是作為冗語控制系統.也就是HMI系統相對獨立,它是電腦控制系統的備用系統.根據瀝青攪拌工藝控制要求的不同,HMI選型標準也不一樣,行業控制需求不外乎生產操作,狀態顯示,數據設定等.隨著瀝青攪拌設備控制系統的智能化和人性化發展,視頻和數據處理功能也開始應用到現場控制中.
2.2.3 可編程控制器（PLC）
模擬演示系統使用的PLC和工業現場設備中應用的PLC有所不同,主要是從控制功能考慮選型.本文所述模擬演示系統選用的是德國VIPA 500S PLC. 確切的講VIPA 500 是一種新型的板卡式的CPU,它需要插接在電腦主板上,通過DP/MPI通訊協議和外掛通訊模塊如DP353連接,實現整機組態.因為模擬演示系統不需要實現對外部設備的實際控制,所以我們只選用VIPA 500 CPU,而不外掛任何其它模塊.這種設計模式大大簡化了模擬演示系統外部硬件電路.
2.2.4 其它
短信模塊和視頻模塊是作為新的事物引入到瀝青混凝土攪拌設備控制系統的.短信模塊包括短信交換器模塊和移動通訊卡（手機號碼卡）;視頻模塊很簡單,根據視頻采集要求選用普通的視頻攝像頭即可.
2.3 軟件組成
2.3.1 電腦操作系統
根據組態軟件安裝和編程軟件安裝要求選用中文WIN 2000操作系統.版本為WIN2000 professional SP2以上版本
2.3.2 PLC程序設計軟件
因為本文模擬演示系統所對應的主機控制系統多采用的是SIEMENS低壓和自動化產品,所以在模擬演示系統PLC選型時考慮了程序開發周期問題,同時根據性價比選擇了VIPA PLC.VIPA PLC和SIEMENS PLC軟硬件完全兼容,所以程序開發軟件仍使用STEP 7.
2.3.3 PC組態開發軟件
本文所論述的模擬演示系統對應PC組態軟件為杰控的Fameview 7.0
2.3.4 HMI組態開發軟件
模擬演示系統HMI產品選用的施奈德XBTGT 5000產品,對應組態開發軟件為Vijeo-Designer
3 程序設計
3.1硬件組態
如圖2所示,該組態是通過STEP 7組態實現的.從圖中可以看出硬件組態只添加了CPU 318-2和組件CP343-1.其中總線上掛接的DP300通訊模塊在該項目中沒有應用.從圖中可以看到VIPA 500硬件組態和普通西門子硬件組態存在一定的區別,下面分項加以解釋.
VIPA PLC和西門子PLC軟硬件兼容是相對來說的.就I/O模塊同系列的VIPA 和西門子可以互換互通.但是就軟件組態來說還需要一定的規則.因為PLC硬件設計原因VIPA 500S系列PLC CPU在硬件組態時對應西門子S7-300系列的 CPU 318-2.雙擊MPI/DP項設置MPI地址為2.此地址可以隨意設定,但是不能和MPI通訊伙伴的地址一樣.
圖2 硬件組態
VIPA 500S板卡式CPU在概念上我們可以把它當作一塊以太網卡,上位機組態和500S的通訊是通過以太網通訊協議聯通.作為一個網絡,各個站點的網址就必須要設定.雙擊硬件組態畫面中的CP343-1組件彈出如圖3 的網絡設置畫面.我們需要做的只是在子網區域添加一個”ETHERNET”,然后將IP地址和子網掩碼填寫上即可.圖中IP地址設定為192.168.201.3
PLC的IP地址設定后電腦IP地址同樣需要設定.設定方法為雙擊本地連接,進入本地連接屬性對話框如圖4所示.雙擊”internet 協議（TCP/IP）,在彈出的對話框中選擇手動輸入IP地址和子網掩碼.在本系統中IP地址設定為192.168.201.2
圖3 CP 343-1參數設置
圖4 本地網絡屬性設置
到此硬件組態基本完成.
3.2模擬演示程序設計
帶有冗余控制的瀝青混凝土攪拌設備的PLC程序設計一般分為兩部分，相對應與本文論述的模擬演示系統分為電腦控制和自動控制。這里我們以自動控制為例說明程序設計過程。
3.2.1 電機啟動模擬程序設計
電機啟動程序設計中一般要加入接觸器觸點聯鎖條件，而VIPA 500沒有I/O模塊配置，所以外部輸入點無法接入。為了實現電機的模擬啟動，程序設計可采用內部M繼電器來與原接觸器觸點并接實現.如工業現場應用空壓機啟動對應輸入變量為I20.0,其對應數據塊為DB10.DBX0.0.在模擬演示S7程序中空壓機機啟動部分增加了內部繼電器M100.0,那么只需將M100.0和I20.0并接即可實現M100.0與DB10.DBX0.0的對應,如下圖所示.
3.2.2 生產計量模擬程序設計
生產計量的模擬是整個模擬演示系統的關鍵。該部分程序無法在源程序上修改完成，所以需要重新編程。為了保持原有程序結構的清晰可以考慮在原有項目程序中新增一FC功能，在主程序OB1中調用該功能以實現模擬稱重信號的輸出。
稱重模擬信號的輸出在演示系統共分為四種，包括：骨料秤信號，粉料秤信號，瀝青秤信號，添加劑秤信號。其中骨料又細分為6種，粉料細分為3種，瀝青分為2種，添加劑分為一種。隨著公路施工的要求的不斷提高，有可能還會出現五個秤甚至更多秤的模擬。
稱重模擬信號可以根據稱重時間，卸料時間，稱重誤差等生產參數來調整，要避免生產中頻繁出現某種物料計量超差或計量超時現象。
緊急停機時會出現秤里存料現象，所以秤的清空需要由HMI組態按鈕來實現。按鈕的配置是根據按鈕觸發的變量在程序中的調用來決定的。按鈕對應變量可以對整個計量程序復位，也可以單獨對某一種物料復位，如骨料秤。本文所述模擬演示系統在HMI組態時新增了”PLC復位”按鈕,該鈕對真個PLC計量復位.
3.2.3 燃燒器控制的模擬設計
基于VIPA 500 PLC的模擬演示系統在模擬燃燒器控制時能夠實現風門的開度控制如鼓風門，引風門開和閉，開度百分比值隨風門開閉而增加減小。除塵器出入口溫度值，溜槽溫度值隨風門開度而程比例變化。同時，干燥筒負壓和除塵器壓差也按一定函數關系發生變化。
4 上位機監控組態設計
上位機監控組態設計分為PC監控組態設計和HMI監控組態設計。
4.1 PC監控組態設計
PC監控組態設計可以有兩種方式實現，第一種，獨立的監控組態設計。即充分利用組態軟件所提供的函數功能，實現二次開發，以達到模擬演示效果。Fameview組態軟件支持Vbscript腳本函數，Vbscript腳本函數支持71種以上功能的實現,包括畫面表現,數據庫操作,報表輸出等等.能夠最大限度的的模擬工業現場生產過程，適合給客戶演示。
第二種模式是基于VIPA 500 PLC，即上位機和PLC通過通訊實現監控組態模擬，前面第三章的程序設計即考慮了此組態方式。這種組態方式可以大量的借鑒瀝青混凝土攪拌設備在工業現場實際應用的組態設計，只做較少的修改即可。
短信的組態.短信息服務作為智能化生產的一部分,在瀝青攪拌控制行業開始嶄露頭角.由模擬演示硬件組成圖可以看到,短信服務的原理是通過手機發送短信息給短信處理模塊（相當于另一部手機）,短信處理模塊通過串口和上位PC機通訊,將需要處理的信息反饋回發送短消息的手機.
短消息在上位機組態內容首先是選擇通信方式,傳送速率設定和短信服務中心號碼設定.如下圖所示,其中串口我們選擇COM1,波特率默認為38400,短信中心號碼不同地區有所不同,可咨詢當地運營商.
短信組態第二步就是組態短信息內容.短信內容可以是當前生產數據如,當前產量,當前瀝青溫度等;短信內容也可以是歷史生產數據,如過去某天的產量或溫度,電機電流值等.
4.2 HMI組態設計
HMI組態設計因HMI硬件性能而不同,這里以施奈德XBTGT為例,由于HMI組態軟件功能所限,該型號組態方式必須基于VIPA 500 PLC.相對與PC組態HMI組態更簡單,只是增加了幾個外部生產控制按鈕,如”開始生產”,”停止生產”,”PLC復位”等。
HMI視頻應用是比較新的事物,該應用打破了傳統視頻控制的模式.傳統視頻應用需要多臺監視器和視頻交換器,而HMI這些都不需要,所需要的只是多設定幾個視頻畫面即可.如下圖所示:
圖5 HMI視頻組態畫面
另外HMI視頻還可以錄制,拍照并保存.組態設計時首先添加視頻畫面,圖5所示視頻畫面為單窗口單畫面型,也可以在單窗口中顯示多個畫面,這可以根據需要來設置.
視頻、圖象文件的保存路徑需要在組態設計時設定.支持視頻的XBTGT有外接存儲卡,視頻,圖象文件默認保存在存儲卡內.組態時鼠標雙擊項目的”數據定位”選項,彈出下圖設置畫面:
圖6 HMI數據定位設置
將數據文件選項對應的設置設為”第二驅動器”即可.
5 結論
基于VIPA 500S PLC的模擬演示系統硬件配置簡單,軟件編程和組態任務小,開發周期短.能夠實現工業現場生產工藝流程和工況的模擬演示.該系統已經在北京德基瀝青混凝土攪拌設備銷售演示和公司員工業務培訓中廣泛的應用.
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