西門子PRODAVE與S7-300 PLC的氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在自動(dòng)化領(lǐng)域，DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線、SCADA、PLC技術(shù)的蓬勃發(fā)展為自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。該領(lǐng)域*技術(shù)與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的結(jié)合，已使得生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量得到了較大的改善與提高。本文以南京順風(fēng)氣力輸送有限公司的氣力輸送機(jī)械平臺(tái)為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合SIEMENS公司的PRODAVE數(shù)據(jù)鏈接庫(kù)、S7-300系列PLC等軟硬件方面的*技術(shù)，經(jīng)過二次開發(fā)，成功的構(gòu)建了一套能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)的氣力輸送自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為氣力輸送自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供了極大的幫助。

　　2 氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝及功能要求

　　氣力輸送就是利用氣流作為輸送動(dòng)力，在管道中搬運(yùn)粉、粒狀固體物料的方法。一個(gè)完整的氣力輸送系統(tǒng)通常由空氣或氣體源、把物料加入管內(nèi)的設(shè)備、輸送管道以及從輸送空氣中分出被輸送物料的分離設(shè)備等組成。以常用的粉煤灰倉(cāng)式泵氣力輸送系統(tǒng)為例，它主要由倉(cāng)式輸送泵、管道、氣源、輸送目的地(如灰?guī)?和控制部分組成。

　　一個(gè)完整的氣力輸送工藝流程大體可分為倉(cāng)泵裝料階段、倉(cāng)泵充壓階段、物料輸送階段和管道清掃階段。在卸料裝灰階段，打開進(jìn)料閥和透氣閥，灰斗中的物料在重力的作用下落入倉(cāng)泵;然后，關(guān)閉進(jìn)料閥和透氣閥，并打開進(jìn)氣閥為倉(cāng)泵中的物料加壓，即倉(cāng)泵充壓階段;當(dāng)壓力達(dá)到某一定值時(shí)，則打開出料閥，進(jìn)入物料輸送階段，此時(shí)，倉(cāng)泵中的物料在氣力作用下經(jīng)輸送管道被輸送到目的地;為了防止在下次進(jìn)行輸送時(shí)發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象，當(dāng)倉(cāng)泵中的物料被輸送完成以后，還要讓空氣流對(duì)管道進(jìn)行清掃。這樣就完成了一個(gè)流程的物料輸送，如此循環(huán)，可不斷的將灰斗中的物料送往目的地。

　　作為一套氣力輸送實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它不僅應(yīng)當(dāng)滿足氣力輸送系統(tǒng)的基本要求，使得操作人員能夠在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)的儀表參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。而且還應(yīng)具備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所*的在硬件與軟件的靈活、可修改性、開放等方面的特點(diǎn)。

　　在對(duì)氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足氣力輸送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的需要外，還應(yīng)具有對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的壓力、延遲時(shí)間、循環(huán)次數(shù)等工藝參數(shù)的設(shè)置功能;而且，根據(jù)實(shí)際需求，在監(jiān)控界面上要能夠容易地實(shí)現(xiàn)不同工藝流程之間的簡(jiǎn)單切換，或者實(shí)現(xiàn)工藝流程的隨意組態(tài);同時(shí)，為了以后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，軟件的設(shè)計(jì)還應(yīng)具備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存檔以及數(shù)據(jù)的分析繪圖功能。

　　此外，氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)、操作方便、界面友好等方面的因素。

  　　3 氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建方案

　　氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括機(jī)械部分硬件、電氣自動(dòng)化方面硬件以及自控系統(tǒng)軟件等幾部分組成。氣力輸送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械部分設(shè)備主要包括：空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、輸送倉(cāng)泵、喂料機(jī)、除塵器、氣動(dòng)閥門、壓力表、稱重傳感器、以及輸送管道等。自控系統(tǒng)方面，通過比較，系統(tǒng)采取了目前比較常用且穩(wěn)定性較高的工控計(jì)算機(jī)(IPC)——可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)集成模式。該模式下，IPC與位于其上的監(jiān)控軟件作為監(jiān)控級(jí)，PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，兩者通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸共同完成數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控任務(wù)。在軟件組成方面，為了節(jié)省成本，增加系統(tǒng)靈活性，監(jiān)控軟件采取了Visual Basic與PRODAVE相結(jié)合進(jìn)行二次開發(fā)的方式，與SIMATIC Step 7編寫的PLC軟件一起共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

　　3.1 氣力輸送實(shí)驗(yàn)自控系統(tǒng)硬件配置與選型

　　在PLC的選型上，氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用了西門子公司SIMATIC S7-300系列中型PLC，由于該系列PLC基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有高速的指令處理和浮點(diǎn)運(yùn)算、方便的人機(jī)界面、自診斷等功能，因此，深受國(guó)內(nèi)用戶歡迎，應(yīng)用廣泛。

　　氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況和氣力輸送工藝功能要求，通過對(duì)各被控設(shè)備與輸入/輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)，然后分別對(duì)PLC所需的I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)容量估算，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的PLC模塊組可按以下方式進(jìn)行配置：482.6mm單機(jī)架通用導(dǎo)軌一個(gè)、PS 307 2A電源模塊一塊、CPU 312C一塊、DO 16×DC24V/0.數(shù)字輸出模塊一塊、DI 16×DC24V數(shù)字輸入模塊一塊、AI 8×12Bit模擬輸入模塊兩塊。同時(shí)，還為CPU模塊配置存儲(chǔ)容量為64KB的微存儲(chǔ)卡MMC，用于存儲(chǔ)CUP的用戶程序(所有功能塊)、歸檔和配方、S7項(xiàng)目組態(tài)數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)更新和備份數(shù)據(jù)等，參見圖2。

　圖2 氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PLC模塊配置示意圖

　　另外，系統(tǒng)配置研華IPC 610工控機(jī)，其性能為In Pentium Ⅲ,800MHz CPU, 256M內(nèi)存，40G硬盤，64M顯存的顯卡，三星19″，純平面顯示器，帶多種通訊接口，易于擴(kuò)展的ISA和PCI插槽，聲卡及音響(作報(bào)警和提示用)，配置滿足系統(tǒng)要求。

　　3.2 氣力輸送實(shí)驗(yàn)自控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件主要包括用于控制工藝流程的PLC軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件、上位機(jī)和PLC相互的通訊軟件、數(shù)據(jù)分析與作圖軟件以及系統(tǒng)所要求的其他軟件。

　　(1)PLC 軟件部分設(shè)計(jì)。S7-300系列PLC的軟件設(shè)計(jì)工作是在Step 7 SIMATIC Manager中完成的，塊操作是STEP 7 PLC程序的一大特色，軟件程序功能是通過對(duì)功能塊的不斷調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。因此，氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以通過對(duì)功能塊編程來實(shí)現(xiàn)。

　　一個(gè)完整的氣力輸送工藝流程主要包括進(jìn)料、輸送、清掃三個(gè)階段，以普通無(wú)壓開泵氣力輸送方式為例，其工藝流程根據(jù)順序可分為如下幾個(gè)步驟：系統(tǒng)啟動(dòng)—開透氣閥(透氣閥開到位)—開進(jìn)料閥(進(jìn)料閥開到位)—開喂料機(jī)(料位滿信號(hào)到)—關(guān)喂料機(jī)—延時(shí)T1(T1可設(shè)定，下T2、T3同)—關(guān)透氣閥、關(guān)進(jìn)料閥(透氣閥、進(jìn)料閥關(guān)到位)—開除塵器、開出料閥(出料閥開到位)—開一次氣閥—延時(shí)T2—開二次氣閥(料位下限到)—關(guān)一次氣閥—延時(shí)T3—關(guān)二次氣閥—關(guān)出料閥(出料閥關(guān)到位)—關(guān)除塵器—設(shè)定泵數(shù)S未到，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán);否則，系統(tǒng)停止。

　　根據(jù)上述工藝要求，該氣力輸送工藝的PLC軟件組成可分為組織塊OB1、功能塊FB1、FB1的背景數(shù)據(jù)塊DB11、共享數(shù)據(jù)塊DB20、功能FC1、FC2、FC3以及循環(huán)中斷組織塊OB35幾個(gè)部分。其中，OB1是程序循環(huán)執(zhí)行的主體;FB1是氣力輸送工藝流程執(zhí)行主體，氣力輸送的工藝流程可通過對(duì)FB1的編程來實(shí)現(xiàn);FC1的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)外界設(shè)備、儀表信號(hào)，并將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給功能塊FB1;FC2的作用是將工藝流程的執(zhí)行結(jié)果傳遞給外界，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制;FC3是為了和上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)通訊而建立的功能塊，它和監(jiān)控計(jì)算機(jī)共用共享數(shù)據(jù)塊DB20中的數(shù)據(jù);為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，程序中設(shè)計(jì)有中斷組織塊OB35。　

　　氣力輸送系統(tǒng)PLC程序調(diào)用過程示意圖　　同理，按照以上方法，可以根據(jù)工藝要求對(duì)氣力輸送系統(tǒng)的普通無(wú)壓開泵、一次氣智能方式、有壓開泵、一次氣智能方式、普通無(wú)壓開泵、流化、流化智能方式、有壓開泵、流化、流化智能方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過建立不同的FB以實(shí)現(xiàn)不同的工藝和功能。

　　(2)監(jiān)控軟件部分設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件是人機(jī)交互的主要界面，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，通常由監(jiān)控軟件與和PLC通訊的軟件兩部分組成。

　　Visual Basic上位機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計(jì)。由于Visual Basic采用可視化的編程環(huán)境，具有簡(jiǎn)單易學(xué)的特性，因此，在對(duì)實(shí)驗(yàn)室氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以結(jié)合Visual Basic的編程特點(diǎn)并根據(jù)系統(tǒng)的工藝功能要求開發(fā)出符合實(shí)際應(yīng)用需要的IPC監(jiān)控軟件。

　　上位機(jī)與PLC通訊軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要與PLC通信時(shí)，通信軟件的設(shè)計(jì)必須根據(jù)所采用PLC產(chǎn)品使用相應(yīng)的通信協(xié)議，MPI(Muti-Point-Interface)便是集成在西門子公司的可編程序控制器、操作員界面和編程器上用于建立小型的通信網(wǎng)絡(luò)的集成通信接口。為解決PC與SIEMENS PLC之間的通訊，西門子公司的PRODAVE函數(shù)包提供有一系列已經(jīng)測(cè)試的DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))或LIB(庫(kù))功能函數(shù)，為程序建立與S7-200、S7-300 系列PLC通訊提供了極大的方便。

　　PRODAVE的函數(shù)可分為基本函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)和服務(wù)函數(shù)(eService Functions)?；竞瘮?shù)用于建立、斷開和激活PC與PLC的連接，以及讀、寫PLC中的各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理函數(shù)用于PC中用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。服務(wù)函數(shù)用于PC通過線與PLC建立連接。另外，當(dāng)利用MPI通訊口進(jìn)行通訊時(shí)，首先要將PC Adapter的兩端分別插在計(jì)算機(jī)的串行口和PLC CPU模塊的MPI口通訊口上，PC適配器的波特率可根據(jù)情況設(shè)為187.5 kbps或者更高。

　　氣力輸送實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，利用Visual Basic編寫的上位機(jī)監(jiān)控軟件在和S7-300 PLC進(jìn)行通訊時(shí)，主要調(diào)用了load_tool、unload_tool、new_ss、db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write等函數(shù)。其中，load_tool的作用是檢查通訊、對(duì)通訊參數(shù)初始化;new_ss用于上位機(jī)需要和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，進(jìn)行通訊檢查并激活通訊連接;db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write分別用來對(duì)S7-300系列PLC的數(shù)據(jù)單元(WORD或BYTE)進(jìn)行讀寫操作;unload_tool用于在退出系統(tǒng)以前斷開和PLC之間的通訊連接，當(dāng)需要退出監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)可以調(diào)用此函數(shù)。

　　在對(duì)上述函數(shù)調(diào)用之前，需要在VB模塊中作類似如下的聲明，以調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，例如，當(dāng)在程序執(zhí)行過程中調(diào)用load_tool函數(shù)時(shí)，可聲明如下：

　　Declare Function load_tool Lib “w95_s7m.dll” (ByVal nr As Byte, ByVal dev As String, adr As plcadrtype) As Long

　　這樣，當(dāng)上位機(jī)執(zhí)行到對(duì)load_tool的調(diào)用時(shí)，它會(huì)自動(dòng)訪問安裝在操作系統(tǒng)上的w95_s7m.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，從而可以實(shí)現(xiàn)初始化通訊連接的目的。

　　下面給出了氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件程序運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)與PLC通訊檢查并加載主監(jiān)控界面功能的程序代碼。

　　Public Sub Form_Load()

　　Dim ss As String

　　Dim msg As Integer

　　plcadr(0).adr = 2

　　plcadr(0).SEGMENTID = 0

　　plcadr(0).RACKNO = 0

　　plcadr(0).SLOTNO = 2

　　plcadr(1).adr = 0

　　plcadr(1).SEGMENTID = 0

　　plcadr(1).RACKNO = 0

　　plcadr(1).SLOTNO = 2

　　res = load_tool(1, “S7ONLINE”, plcadr(0))

　　If (res <> 0) Then

　　ss = “通訊失敗，無(wú)法建立連接!”

　　msg = MsgBox(ss, vbExclamation + vbRetryCancel, “提示信息!”)

　　If msg = 4 Then Call Form_Load

　　Else： maincontr.Show

　　End If

　　End Sub

　　上述代碼執(zhí)行時(shí)，用戶啟動(dòng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，軟件首先檢查是否有在線的PLC連接，如果在線連接成功，即上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)經(jīng)由適配器與PLC的CPU模塊通訊無(wú)誤，那么系統(tǒng)將執(zhí)maincontr.Show語(yǔ)句，顯示主監(jiān)控界面。否則，將顯示“提示信息”對(duì)話框，提示操作人員無(wú)法與PLC建立通訊，操作人員應(yīng)當(dāng)檢查通信線路，然后重試建立連接，或者取消連接檢查而直接查看監(jiān)控畫面。

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件中其它諸如數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)控制等方面功能的實(shí)現(xiàn)與此類似，不再贅述。

　　(3)數(shù)據(jù)采集與分析軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與分析是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重要組成部分，是改進(jìn)系統(tǒng)和完善工藝的理論依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。為了滿足工藝研究人員對(duì)采集數(shù)據(jù)多方面的查看與分析要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析可借助于專門的工程軟件MATLAB來實(shí)現(xiàn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖GUI對(duì)話框

　　圖4是在GUI環(huán)境下開發(fā)的對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖的初始對(duì)話框，它主要由兩個(gè)操作按鈕和文字提示信息組成。使用時(shí)，操作人員可通過點(diǎn)擊“上載”按鈕來采集數(shù)據(jù)所在位置，然后，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制各采集模擬量的MATLAB圖形，當(dāng)操作人員點(diǎn)擊“取消”按鈕時(shí)，將關(guān)閉該對(duì)話框并返回?！∩鲜龅挠脩艚缑嬖贛ATLAB中保存為兩個(gè)文件，它們分別時(shí)SF.m和SF.fig，其中SF.m為“上載”按鈕的調(diào)用(Callback)函數(shù)，函數(shù)主要內(nèi)容如下所示：

　　function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

　　Mpic

　　function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

　　close

　　其中，pushbutton1、pushbutton2分別是提示對(duì)話框中兩個(gè)操作按鈕的名稱，而Mpic是被調(diào)用的又一M-file，作用是根據(jù)需要對(duì)采集到的各量繪制其MATLAB圖形。作為示例，圖5給出的是繪制倉(cāng)泵重量隨時(shí)間變化圖形的M-file代碼及趨勢(shì)圖。

　　clear

　　x=load(‘E：/matlab6p5p1/work/數(shù)據(jù)/009.txt’)

　　t=1：360

　　plot(t,x(：,7),‘.-k’)

　　title(‘Container Weight (Kg)’)

　　ylabel(‘DATA NO. 9’,‘fontsize’,12)

　　xlabel(‘TIME (S)’,‘fontsize’,10)

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)上述的氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們以粉煤灰為輸送介質(zhì)，通過對(duì)有壓、無(wú)壓、流化等不同工藝流程進(jìn)行氣力輸送，為粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)的研究和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)施提供了大量的參考數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)，借助本文所構(gòu)造的氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的氣力輸送實(shí)驗(yàn)，我們完成了江蘇靖江熱電廠粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)與上海外高橋熱電廠煙氣脫硫工程石灰石粉氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在工程實(shí)際實(shí)施過程中為現(xiàn)場(chǎng)工作的順利開展提供了大量的指導(dǎo)。

　　通過將該氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工業(yè)應(yīng)用實(shí)際相結(jié)合，并通過在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的多次實(shí)驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)的氣力輸送系統(tǒng)可以很大程度地改進(jìn)目前在氣力輸送領(lǐng)域所存在的問題，優(yōu)化當(dāng)前的氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并為以后氣力輸送的發(fā)展與應(yīng)用提供新的思路，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。