固体输送泵接入充填站DCS系统的实现.pdf

224 1 概况介绍中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿主西矿体充填站采用膏体充填，使用德国普茨迈斯特输送泵作为充填膏体的输送设备。输送泵主要分为两部分，一是液压站部分，一是泵体部分。液压站部分正常运行，泵体部分才能正常运行。电气控制部分采用西门子S7-314 2C作为控制CPU。充 填 站 初 期 设 计 时 采 用 了 DCS 系 统，并 采 用WINCC 软件专门设计了人机界面，达到集中控制的目的。但是输送泵因为种种原因，未能接入该 DCS 系统中。操作时必须由操作人员到输送泵旁通过触摸屏操作，造成操作不便，影响了生产效率。如果将输送泵接入 DCS 系统，应该实现：液压站和泵体部分可以被远端启停；液压站的油温，液压，油位可以直接显示被监控；泵体部分可以速比可以调节；同时还应该在 WINCC 人机界面内补充新增输送泵这一部分示意界面和对应的操作界面。本文将以解决这一问题为目标，全面阐叙设计思路及实施过程。2 物理连接输送泵采用的 S7-314 2C CPU 具备两个接口，一个MPI 接口，一个 DP 接口。MPI 接口用于触摸屏通信，作为本地操作载体。DP 接口用于和其他系统组态和通信所用。充填站 DCS 系统采用 315-2 PN/DP 作为 CPU，该 CPU 具有一个 DP 接口和一个 RJ-45 接口。理论上使用 RJ-45 接口，采用 TCP/IP 协议通信为最佳通信方式。但由于输送泵的通信接口限制，只能选择 DP 接口采用 Profibus 协议的连接方式。Profibus 协议仅支持串联连接方式，除了输送泵，固体输送泵接入充填站DCS系统的实现吕宙（中色非洲矿业有限公司，赞比亚基特韦 22592）摘 要：当前电气自动化技术日新月异，如果使用传统的继电器式控制符合初中级需求，那么高级应用需求必然需要掌握自动化编程、通信、人机界面设计等一系列先进控制技术。针对普茨迈斯特（Putzmeister）固体输送泵如何接入充填站 DCS 系统的问题，从物理连接、硬件组态、软件逻辑编程、WINCC 人机界面 4 个方面系统阐述了设计思路及设计过程，实现了西门子 PLC 之间智能主从之间的通讯，并经过实际操作和调试，确实达到了设计目标，解决了实际存在的问题，大幅提高了充填站作业效率，使操作人员更加易于掌握输送泵设备状态，更加易于对生产状况进行调整，实现一定程度经济效益。本文内容符合当前自动化控制技术解决问题的主要流程，其解决问题的思路与经验，适用于其他环境下解决问题的参考及借鉴。关键词：电气自动化；DCS 系统；WINCC 人机界面图1 物理连接示意图 225 还有另外一台设备也通过 DP 接口接入 DCS 系统内。这里我们称呼 DCS PLC 为主站，已经接入的设备 PLC 为1 号从站，输送泵 PLC 为 2 号从站。现在再接入 2 号从站，即三台设备 PLC 通过 DP 接口连接在一起。物理连接示意图如图 1。示意图从左到右依次为主站、1 号从站和 2 号从站。从 CPU 组织架构上看，由主站开始，经过 1 号从站，到 2 号从站截止。因为物理连线为串联连接，所以任何一个站点做主站都可以，并不会有主从区别。主从的设置在硬件组态里区分。另外注意 DP 接头在起始和结束终端，必须投入终端电阻。由示意图可见，起始和结束端的终端电阻开关都在“ON”状态，而中间的接头电阻开关在“OFF”状态。3 硬件组态物理连接之后，需要对新加入的设备进行必要的硬件组态。因为是 PLC 与 PLC 间互相通信，必须设立对应的主从关系。DCS PLC 负责采集所有设备状态，所以此 PLC 应为主 PLC，而其他设备应为从 PLC。常见 CPU 组态应有 2 种方法：（1）下载每个 CPU 的 GSD 文件，按实际 CPU 进行组态；（2）不下载 CPU 的 GSD 文件，按照通用 CPU 模板进行组态。本文中主站和 1 号从站已采用了第二种方法进行组态，为了保证 2 号从站添加组态不影响 1 号从站的运行，所以继续采用第 2 种组态方法。组态时应依照先从站再主站的原则，所以首先对2号从站进行设置。使用编程电缆在STEP 7软件内读取当前主站和1号从站的DP地址，区别11和12。因为主站和第一从站已经使用11和12，DP站号只要不超过32，其他任意数字都可以，这里将 2 号从站 DP 地址设置为 14。其他的参数设置按照传输率一致、诊断接口一致原则即可。需要注意的是从站的 IO 组态。因为是智能从站，每套 CPU 的 IO 彼此独立，所以需要建议 IO 的对应关系表。按照厂家提供的 IO 表，可以得知该输送泵本地IO 一共使用 24 位数字量，4 个整数字处理模拟量。所以在对应关系表中，需要分配一部分 IO 用于主从站的通信。这里起始由地址位 100 开始，设置长度为 16 个字节，足够用于主从站通信。完成从站设置之后，需要设置主站。因为采用了通用 CPU 模板进行组态，这样的组态状态下从站的地址写入之后无法再次被读取。所以需要单独为硬件组态建立图2 2号从站IO表示意图一个项目。如果不这样建立新项目，硬件组态无法通过编译，即使从 PLC 上载的项目文件也无法逆写入，关键问题就在于通用模块无法保存组态时写入 DP 地址，虽然把主 PLC 的地址写入，但是从站地址在组态写入之前没有通信状态，是无法写入从站 PLC 并保存下来的。新建项目，并插入 3 台 CPU，分别对应实际的三台PLC。为了保证状态一致，可以把三个 PLC 项目全部复制到这个项目内。之后，只需要在主站的 CPU 内建立硬件组态即可。图3 重建硬件组态建立硬件组态如图 4 所示，在该组态下，必须将两个从站的 DP 地址指定，才可以使该组态通过系统编译。否则系统始终会判断从站 DP 地址不存在而无法编译成功。图4 编译成功后的硬件组态硬件组态时的本地地址和伙伴地址对应关系是最难以理解情况。从站是被应用站点，默认其所有地址不变，226 主站是设计站点，所有地址可以自由调整变化。按照这个原则举例如下：从站输入 I100 和输出 Q100 都被提前定义，不能变化；主站必然有同等长度的 IO 与其对应。可以选取地址位一致的 Q100 和 I100 与其对应，也可以选取地址位不同的 Q20 和 I20 与其对应。对应的原则应该遵守以下 3 点：（1）对应地址长度一致；（2）主站选取地址不能被重复使用或是超过主站范围；（3）输出 I 对应输出 Q，输出 Q 对应输入 I。参照 3 项原则，2 号从站输入 I100 对应主站 Q20，2 号从站输出 Q100 对应主站 I20。图5 输入与输出的对应关系示意图4 软件编程输送泵为了保证通信正常，专门设置两个数字量用于接收脉冲和发出脉冲。通过 IO 表可以确定 I100.0 用于接收信号，Q100.0 用于发出信号。这里的 IO 对象是从站 PLC，根据主从站的 IO 对应关系，从站 I100.0 对应主站的 Q20.0，从站 Q100.0 对应主站的 I20.0。按照输送泵手册要求，脉冲信号每秒 1 个为宜，编程需要实现每秒向 Q20.0 输出一个脉冲信号，同时I20.0 每隔一秒要接收到一个脉冲信号，且两者时序间隔 1 秒。如果 Q20.0 超过 5 秒未能正常发送脉冲信号，输送泵的 PLC 内部会判断通信出现故障，发出报警信号。根据这些程序需求，编写程序如下：程序编写完分别连接主站和从站 CPU，新建变量表验证编程结果如图 6。图6 变量监控验证编程结果I20.0 每隔一秒转置一次，Q20.0 每隔一秒转置一次，两者高低电平相反。编程结果符合设计需求。将程序下载到 PLC 内，完成软件编程。5 人机界面为了便于普通人员操作，还需要设计人机界面。当前 DCS 系统使用 WINCC 设计人机界面。根据设计需求及 IO 表，需要增加运行电流、液压站油压、液压站油位、液压站油温、泵输出速度这五个变量。其中前 4 项对于从站 CPU 为输出量，最后 1 项对于从站 CPU 为输入量。按照通信部分设置，从站的输出量对应主站的输入量，从站的输入量对应主站的输出量。且地址对应关系为从站输入 I100 对应主站输出 Q20，从站输出 Q100 对应主站输入 I20。按照对应关系整理 IO对应表如表 1。表1名称主站从站运行电流IW28QW108液压站油压IW30QW110液压站油位IW26QW106液压站油温IW24QW104泵输出速比QW22IW1025 个变量里，泵输出速比作为主站的输入变量可以直接调用，为了避免数据混乱，可以指定一个临时变量作为中间变量以作缓冲。编写程序如下：227 程序中 MW300 为指定的临时变量。其他 4 个变量如油压、电流等都包含小数位，而从站内这 4 个变量定义为整数型，且数值比实际值放大10 倍。为了正确使用，需要将整数型变量转换为浮点型变量。为了存储这些浮点数变量还需要提前分配存储地址，同时也可以起到方便调用的目的，4 个变量地址如表 2。表2名称输出量浮点型变量运行电流IW28DB7.DBD62液压站油压IW30DB7，DBD66液压站油位IW26DB7.DBD58液压站油温IW24DB7.DBD54变量地址分配之后，需要将 IW 整数型变量转换为浮点型变量，基本原则为将 16 位整数型转换为 32 位长整数型，再将 32 位长整数型转换为 32 位浮点型，最后将 32 位浮点型变量除以整数 10，得到实际值编写程序如下（因为程序除了变量不同，逻辑一致，只以 IW24和 DB7.DBD54 为例）：对照输送泵的 IO 表，一共有 23 个变量需要被调用。数字量对于主站 PLC 可以直接调用，模拟量需要做上文的预处理才能在 WINCC 中被调用。在 WINCC中新增变量表如表 3。使用 WINCC 的目的，是为这些变量设计逻辑，并把这些逻辑转换成图文界面，显示给操作人员，以方便操作人员获取设备生产信息，进行正确操作。在 WINCC 内，有大量图形模板可供直接调用。根据需求设计显示图表如图 7。在该显示底图上主体元素包含输送泵液压站，输送泵高压泵，一个状态显示栏。液压站可以点击，点击后出现提示文字，显示判断逻辑流程图如图 8。根据流程图，编写如下程序：将变量 2#oilcool-run 与液压站的背景颜色进行变量捆绑，变量发生改变，液压站的背景颜色也跟着变化，这样使操作界面更加智能化。输送泵部分与液压站部分设计原理类似，只有变量不同，此处不再赘述。状态显示栏中，按钮“输送泵使能”“故障复位”既是操作触发条件，同时又是状态显示。两个按钮背景色和变量“2#enable-fault”和“2#fault”分别捆绑，使能故障和设备故障时按钮背景色会变色显示。同时点击按钮会触发功能“输送泵使能”和“故障复位”。按钮操作也必须具备逻辑，逻辑关系与液压站逻辑类似，此处略去编程源文件。显示栏中 4 个显示框“油温”“油压”“电流”“油位”，只做变量数值显示。显示栏中“输送泵速比”设置文本框可以输入数据，该数值由操作人员进行设置，逻辑执行由 PLC 主站执行。228 表3名称数据类型长度格式调整地址2#alarm二进制变量1I22.02#clear-fault二进制变量1Q20.62#current32-位浮点数 IEEE 7544Float To FloatDB7，DD622#enable-fault二进制变量1Q20.72#fault二进制变量1I22.12#hmc-auto二进制变量1Q20.32#hmc-close二进制变量1I22.42#hmc-open二进制变量1I22.52#local二进制变量1I20.22#oil-start二进制变量1Q20.12#oilcool-run二进制变量1I21.32#oilcool-run2二进制变量1I21.42#oilfault二进制变量1I22.22#oillevel32-位浮点数 IEEE 7544Float To FloatDB7，DD582#oilpressure32-位浮点数 IEEE 7544Float To FloatDB7，DD662#oilrun二进制变量1I20.42#oiltemperature32-位浮点数 IEEE 7544Float To FloatDB7，DD542#pump-start二进制变量1Q20.22#pumpbackrun二进制变量1I21.12#pumpfault二进制变量1I22.32#pumprun二进制变量1I21.02#romte二进制变量1I20.12#setpoint无符号的 16 位值2Word To Unsigned WordMW300图7 输送泵WINCC内示意图图8 WINCC内操作逻辑流程图 229 至此，输送泵这一部分的 WINCC 设计已经完成。将其添加入整个流程图中，即具备了操作功能，满足最初的操作需求。6 总结按照上述流程，经过实际现场操作及调试，已将输送泵接入到充填站 DCS 系统中。经过一段时间的跟踪观察，使用效果良好。后续利用 WINCC 的强大数据统计功能，还可以扩展运行数据阈值报警、设备运行数据分析等数据流向应用，实现精细管理，数字化管理。电气自动化专业的专业界定已经越来越模糊，WINCC 的人机界面与 IT 行业的前端/UI 设计相通。虽然都只是应用层级，但是相对传统电气控制确实完全是另外一个领域了。面对时刻更新的技术和应用，唯有多实践多接触先进设计及技术才能适应当前高速发展的技术环境。参考文献：1 西门子公司.SIMATIC HMI WINCC系统手册（A5E40801177-AA）.2017-02.2 张丹丹.基于以太网的工业网络PROFINET技术概览J.制造业自动化，2011，33（2）：198-200.3 杨新德.基于西门子S7系统PLC的机电设备分布式监控系统的实现J.电工技术，2015，5：47-48.4 西门子公司.通过PROFIBUS-DP实现带集成DP接口CPU之间的主从通信（84526580）.2016-10.5 西门子公司.STEP 7 Professional V6系统手册.2016-09.图9 增添输送泵后WINCC完成后整体效果图