基于VIPA 500S PLC的沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统
1引言
沥青混凝土搅拌设备是筑路行业重要配套施工设备,该设备工艺复杂,体积庞大,无论从对生产企业技术人员的技能培训讲还是从施工单位对设备的认知方面考虑,单纯的幻灯演示和文字说明已经不能满足需求,沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统就是在这样的背景下产生的.不同的沥青混凝土搅拌设备生产企业由于产品开发理念的不同对模拟演示系统的设计要求也会有所区别,但是所要实现的主要功能还是一样的,建立模拟演示系统所依赖的自动化技术和产品还是相通的.目前用来实现模拟演示系统的自动化产品主要有可编程控制器,触摸屏（HMI）,电脑和相关配套编程与组态软件.基于VIPA 500S PLC的沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统所依赖的PLC实现了和电脑的一体化,使整个硬件系统更集成,这种集成化设计是模拟演示系统的第一次尝试,也是VIPA 500S PLC在推出市场后的首次应用.
2系统工作原理与硬件组成
2.1 系统工作原理
模拟演示系统是在不通过其它低压电器搭建控制电路的前提下,主要由电脑、HMI、PLC三部分通过MPI、串口、以太网通讯协议互相联通,交换数据来实现模拟演示工业生产现场操作.
2.2 硬件组成
根据目前沥青混凝土搅拌设备行业控制系统组成现状,模拟演示系统硬件组成基本可由下图表达,新功能的扩展只要在总线上挂接就可以了.该图是以北京德基沥青搅拌设备控制系统为蓝本做出的模拟演示系统硬件组成图.
2.2.1 电脑系统
包括电脑主机,显示器,打印机.其中电脑主机可采用商业机,也可为工业控制计算机.鉴于工控机具有较强的防护等级,如较高的抗震,抗干扰等功能,工业现场多采用.因为模拟演示系统系统是在实验室放置,所以也可考虑商用品牌机. 根据模拟演示系统资源占用实际情况,电脑核心配置如CPU等一般与市场主流配置接轨,其中留有较大扩展空间,如引入视频控制,远程监控等功能,这些功能的加入对CPU和内存都有较高的要求.
显示器按工业现场实际需要配置,目前流行单显和双显两种模式.多显示器模式在沥青搅拌设备行业还不多件.双显配置直观,简洁,该配置模式在行业应用广泛,本文所述模拟演示系统即采用双显模式.
2.2.2 人机界面（HMI）系统
HMI最初是作为替代传统按钮,指示灯而使用的,到现在已经扩展了打印,报警,报表等功能.其在工业自动化控制中正在起着不可替代的作用.在沥青混凝土搅拌设备控制系统中,HMI更多的是作为冗语控制系统.也就是HMI系统相对独立,它是电脑控制系统的备用系统.根据沥青搅拌工艺控制要求的不同,HMI选型标准也不一样,行业控制需求不外乎生产操作,状态显示,数据设定等.随着沥青搅拌设备控制系统的智能化和人性化发展,视频和数据处理功能也开始应用到现场控制中.
2.2.3 可编程控制器（PLC）
模拟演示系统使用的PLC和工业现场设备中应用的PLC有所不同,主要是从控制功能考虑选型.本文所述模拟演示系统选用的是德国VIPA 500S PLC. 确切的讲VIPA 500 是一种新型的板卡式的CPU,它需要插接在电脑主板上,通过DP/MPI通讯协议和外挂通讯模块如DP353连接,实现整机组态.因为模拟演示系统不需要实现对外部设备的实际控制,所以我们只选用VIPA 500 CPU,而不外挂任何其它模块.这种设计模式大大简化了模拟演示系统外部硬件电路.
2.2.4 其它
短信模块和视频模块是作为新的事物引入到沥青混凝土搅拌设备控制系统的.短信模块包括短信交换器模块和移动通讯卡（手机号码卡）;视频模块很简单,根据视频采集要求选用普通的视频摄像头即可.
2.3 软件组成
2.3.1 电脑操作系统
根据组态软件安装和编程软件安装要求选用中文WIN 2000操作系统.版本为WIN2000 professional SP2以上版本
2.3.2 PLC程序设计软件
因为本文模拟演示系统所对应的主机控制系统多采用的是SIEMENS低压和自动化产品,所以在模拟演示系统PLC选型时考虑了程序开发周期问题,同时根据性价比选择了VIPA PLC.VIPA PLC和SIEMENS PLC软硬件完全兼容,所以程序开发软件仍使用STEP 7.
2.3.3 PC组态开发软件
本文所论述的模拟演示系统对应PC组态软件为杰控的Fameview 7.0
2.3.4 HMI组态开发软件
模拟演示系统HMI产品选用的施奈德XBTGT 5000产品,对应组态开发软件为Vijeo-Designer
VIPA 500S板卡式CPU在概念上我们可以把它当作一块以太网卡,上位机组态和500S的通讯是通过以太网通讯协议联通.作为一个网络,各个站点的网址就必须要设定.双击硬件组态画面中的CP343-1组件弹出如图3 的网络设置画面.我们需要做的只是在子网区域添加一个”ETHERNET”,然后将IP地址和子网掩码填写上即可.图中IP地址设定为192.168.201.3
PLC的IP地址设定后电脑IP地址同样需要设定.设定方法为双击本地连接,进入本地连接属性对话框如图4所示.双击”internet 协议（TCP/IP）,在弹出的对话框中选择手动输入IP地址和子网掩码.在本系统中IP地址设定为192.168.201.2
到此硬件组态基本完成.
3.2模拟演示程序设计
带有冗余控制的沥青混凝土搅拌设备的PLC程序设计一般分为两部分，相对应与本文论述的模拟演示系统分为电脑控制和自动控制。这里我们以自动控制为例说明程序设计过程。
3.2.1 电机启动模拟程序设计
电机启动程序设计中一般要加入接触器触点联锁条件，而VIPA 500没有I/O模块配置，所以外部输入点无法接入。为了实现电机的模拟启动，程序设计可采用内部M继电器来与原接触器触点并接实现.如工业现场应用空压机启动对应输入变量为I20.0,其对应数据块为DB10.DBX0.0.在模拟演示S7程序中空压机机启动部分增加了内部继电器M100.0,那么只需将M100.0和I20.0并接即可实现M100.0与DB10.DBX0.0的对应,如下图所示.
3.2.2 生产计量模拟程序设计
生产计量的模拟是整个模拟演示系统的关键。该部分程序无法在源程序上修改完成，所以需要重新编程。为了保持原有程序结构的清晰可以考虑在原有项目程序中新增一FC功能，在主程序OB1中调用该功能以实现模拟称重信号的输出。
称重模拟信号的输出在演示系统共分为四种，包括：骨料秤信号，粉料秤信号，沥青秤信号，添加剂秤信号。其中骨料又细分为6种，粉料细分为3种，沥青分为2种，添加剂分为一种。随着公路施工的要求的不断提高，有可能还会出现五个秤甚至更多秤的模拟。
称重模拟信号可以根据称重时间，卸料时间，称重误差等生产参数来调整，要避免生产中频繁出现某种物料计量超差或计量超时现象。
紧急停机时会出现秤里存料现象，所以秤的清空需要由HMI组态按钮来实现。按钮的配置是根据按钮触发的变量在程序中的调用来决定的。按钮对应变量可以对整个计量程序复位，也可以单独对某一种物料复位，如骨料秤。本文所述模拟演示系统在HMI组态时新增了”PLC复位”按钮,该钮对真个PLC计量复位.
3.2.3 燃烧器控制的模拟设计
基于VIPA 500 PLC的模拟演示系统在模拟燃烧器控制时能够实现风门的开度控制如鼓风门，引风门开和闭，开度百分比值随风门开闭而增加减小。除尘器出入口温度值，溜槽温度值随风门开度而程比例变化。同时，干燥筒负压和除尘器压差也按一定函数关系发生变化。
4 上位机监控组态设计
上位机监控组态设计分为PC监控组态设计和HMI监控组态设计。
4.1 PC监控组态设计
PC监控组态设计可以有两种方式实现，第一种，独立的监控组态设计。即充分利用组态软件所提供的函数功能，实现二次开发，以达到模拟演示效果。Fameview组态软件支持Vbscript脚本函数，Vbscript脚本函数支持71种以上功能的实现,包括画面表现,数据库操作,报表输出等等.能够最大限度的的模拟工业现场生产过程，适合给客户演示。
第二种模式是基于VIPA 500 PLC，即上位机和PLC通过通讯实现监控组态模拟，前面第三章的程序设计即考虑了此组态方式。这种组态方式可以大量的借鉴沥青混凝土搅拌设备在工业现场实际应用的组态设计，只做较少的修改即可。
短信的组态.短信息服务作为智能化生产的一部分,在沥青搅拌控制行业开始崭露头角.由模拟演示硬件组成图可以看到,短信服务的原理是通过手机发送短信息给短信处理模块（相当于另一部手机）,短信处理模块通过串口和上位PC机通讯,将需要处理的信息反馈回发送短消息的手机.
短消息在上位机组态内容首先是选择通信方式,传送速率设定和短信服务中心号码设定.如下图所示,其中串口我们选择COM1,波特率默认为38400,短信中心号码不同地区有所不同,可咨询当地运营商.
短信组态第二步就是组态短信息内容.短信内容可以是当前生产数据如,当前产量,当前沥青温度等;短信内容也可以是历史生产数据,如过去某天的产量或温度,电机电流值等.
4.2 HMI组态设计
HMI组态设计因HMI硬件性能而不同,这里以施奈德XBTGT为例,由于HMI组态软件功能所限,该型号组态方式必须基于VIPA 500 PLC.相对与PC组态HMI组态更简单,只是增加了几个外部生产控制按钮,如”开始生产”,”停止生产”,”PLC复位”等。
HMI视频应用是比较新的事物,该应用打破了传统视频控制的模式.传统视频应用需要多台监视器和视频交换器,而HMI这些都不需要,所需要的只是多设定几个视频画面即可.如下图所示:
另外HMI视频还可以录制,拍照并保存.组态设计时首先添加视频画面,图5所示视频画面为单窗口单画面型,也可以在单窗口中显示多个画面,这可以根据需要来设置.
视频、图象文件的保存路径需要在组态设计时设定.支持视频的XBTGT有外接存储卡,视频,图象文件默认保存在存储卡内.组态时鼠标双击项目的”数据定位”选项,弹出下图设置画面:
将数据文件选项对应的设置设为”第二驱动器”即可.
5 结论
基于VIPA 500S PLC的模拟演示系统硬件配置简单,软件编程和组态任务小,开发周期短.能够实现工业现场生产工艺流程和工况的模拟演示.该系统已经在北京德基沥青混凝土搅拌设备销售演示和公司员工业务培训中广泛的应用.
沥青混凝土搅拌设备是筑路行业重要配套施工设备,该设备工艺复杂,体积庞大,无论从对生产企业技术人员的技能培训讲还是从施工单位对设备的认知方面考虑,单纯的幻灯演示和文字说明已经不能满足需求,沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统就是在这样的背景下产生的.不同的沥青混凝土搅拌设备生产企业由于产品开发理念的不同对模拟演示系统的设计要求也会有所区别,但是所要实现的主要功能还是一样的,建立模拟演示系统所依赖的自动化技术和产品还是相通的.目前用来实现模拟演示系统的自动化产品主要有可编程控制器,触摸屏（HMI）,电脑和相关配套编程与组态软件.基于VIPA 500S PLC的沥青混凝土搅拌设备模拟演示系统所依赖的PLC实现了和电脑的一体化,使整个硬件系统更集成,这种集成化设计是模拟演示系统的第一次尝试,也是VIPA 500S PLC在推出市场后的首次应用.
2系统工作原理与硬件组成
2.1 系统工作原理
模拟演示系统是在不通过其它低压电器搭建控制电路的前提下,主要由电脑、HMI、PLC三部分通过MPI、串口、以太网通讯协议互相联通,交换数据来实现模拟演示工业生产现场操作.
2.2 硬件组成
根据目前沥青混凝土搅拌设备行业控制系统组成现状,模拟演示系统硬件组成基本可由下图表达,新功能的扩展只要在总线上挂接就可以了.该图是以北京德基沥青搅拌设备控制系统为蓝本做出的模拟演示系统硬件组成图.
图1 模拟演示系统硬件组成
2.2.1 电脑系统
包括电脑主机,显示器,打印机.其中电脑主机可采用商业机,也可为工业控制计算机.鉴于工控机具有较强的防护等级,如较高的抗震,抗干扰等功能,工业现场多采用.因为模拟演示系统系统是在实验室放置,所以也可考虑商用品牌机. 根据模拟演示系统资源占用实际情况,电脑核心配置如CPU等一般与市场主流配置接轨,其中留有较大扩展空间,如引入视频控制,远程监控等功能,这些功能的加入对CPU和内存都有较高的要求.
显示器按工业现场实际需要配置,目前流行单显和双显两种模式.多显示器模式在沥青搅拌设备行业还不多件.双显配置直观,简洁,该配置模式在行业应用广泛,本文所述模拟演示系统即采用双显模式.
2.2.2 人机界面（HMI）系统
HMI最初是作为替代传统按钮,指示灯而使用的,到现在已经扩展了打印,报警,报表等功能.其在工业自动化控制中正在起着不可替代的作用.在沥青混凝土搅拌设备控制系统中,HMI更多的是作为冗语控制系统.也就是HMI系统相对独立,它是电脑控制系统的备用系统.根据沥青搅拌工艺控制要求的不同,HMI选型标准也不一样,行业控制需求不外乎生产操作,状态显示,数据设定等.随着沥青搅拌设备控制系统的智能化和人性化发展,视频和数据处理功能也开始应用到现场控制中.
2.2.3 可编程控制器（PLC）
模拟演示系统使用的PLC和工业现场设备中应用的PLC有所不同,主要是从控制功能考虑选型.本文所述模拟演示系统选用的是德国VIPA 500S PLC. 确切的讲VIPA 500 是一种新型的板卡式的CPU,它需要插接在电脑主板上,通过DP/MPI通讯协议和外挂通讯模块如DP353连接,实现整机组态.因为模拟演示系统不需要实现对外部设备的实际控制,所以我们只选用VIPA 500 CPU,而不外挂任何其它模块.这种设计模式大大简化了模拟演示系统外部硬件电路.
2.2.4 其它
短信模块和视频模块是作为新的事物引入到沥青混凝土搅拌设备控制系统的.短信模块包括短信交换器模块和移动通讯卡（手机号码卡）;视频模块很简单,根据视频采集要求选用普通的视频摄像头即可.
2.3 软件组成
2.3.1 电脑操作系统
根据组态软件安装和编程软件安装要求选用中文WIN 2000操作系统.版本为WIN2000 professional SP2以上版本
2.3.2 PLC程序设计软件
因为本文模拟演示系统所对应的主机控制系统多采用的是SIEMENS低压和自动化产品,所以在模拟演示系统PLC选型时考虑了程序开发周期问题,同时根据性价比选择了VIPA PLC.VIPA PLC和SIEMENS PLC软硬件完全兼容,所以程序开发软件仍使用STEP 7.
2.3.3 PC组态开发软件
本文所论述的模拟演示系统对应PC组态软件为杰控的Fameview 7.0
2.3.4 HMI组态开发软件
模拟演示系统HMI产品选用的施奈德XBTGT 5000产品,对应组态开发软件为Vijeo-Designer
3 程序设计
3.1硬件组态
如图2所示,该组态是通过STEP 7组态实现的.从图中可以看出硬件组态只添加了CPU 318-2和组件CP343-1.其中总线上挂接的DP300通讯模块在该项目中没有应用.从图中可以看到VIPA 500硬件组态和普通西门子硬件组态存在一定的区别,下面分项加以解释.
VIPA PLC和西门子PLC软硬件兼容是相对来说的.就I/O模块同系列的VIPA 和西门子可以互换互通.但是就软件组态来说还需要一定的规则.因为PLC硬件设计原因VIPA 500S系列PLC CPU在硬件组态时对应西门子S7-300系列的 CPU 318-2.双击MPI/DP项设置MPI地址为2.此地址可以随意设定,但是不能和MPI通讯伙伴的地址一样.
图2 硬件组态
VIPA 500S板卡式CPU在概念上我们可以把它当作一块以太网卡,上位机组态和500S的通讯是通过以太网通讯协议联通.作为一个网络,各个站点的网址就必须要设定.双击硬件组态画面中的CP343-1组件弹出如图3 的网络设置画面.我们需要做的只是在子网区域添加一个”ETHERNET”,然后将IP地址和子网掩码填写上即可.图中IP地址设定为192.168.201.3
PLC的IP地址设定后电脑IP地址同样需要设定.设定方法为双击本地连接,进入本地连接属性对话框如图4所示.双击”internet 协议（TCP/IP）,在弹出的对话框中选择手动输入IP地址和子网掩码.在本系统中IP地址设定为192.168.201.2
图3 CP 343-1参数设置
图4 本地网络属性设置
到此硬件组态基本完成.
3.2模拟演示程序设计
带有冗余控制的沥青混凝土搅拌设备的PLC程序设计一般分为两部分，相对应与本文论述的模拟演示系统分为电脑控制和自动控制。这里我们以自动控制为例说明程序设计过程。
3.2.1 电机启动模拟程序设计
电机启动程序设计中一般要加入接触器触点联锁条件，而VIPA 500没有I/O模块配置，所以外部输入点无法接入。为了实现电机的模拟启动，程序设计可采用内部M继电器来与原接触器触点并接实现.如工业现场应用空压机启动对应输入变量为I20.0,其对应数据块为DB10.DBX0.0.在模拟演示S7程序中空压机机启动部分增加了内部继电器M100.0,那么只需将M100.0和I20.0并接即可实现M100.0与DB10.DBX0.0的对应,如下图所示.
3.2.2 生产计量模拟程序设计
生产计量的模拟是整个模拟演示系统的关键。该部分程序无法在源程序上修改完成，所以需要重新编程。为了保持原有程序结构的清晰可以考虑在原有项目程序中新增一FC功能，在主程序OB1中调用该功能以实现模拟称重信号的输出。
称重模拟信号的输出在演示系统共分为四种，包括：骨料秤信号，粉料秤信号，沥青秤信号，添加剂秤信号。其中骨料又细分为6种，粉料细分为3种，沥青分为2种，添加剂分为一种。随着公路施工的要求的不断提高，有可能还会出现五个秤甚至更多秤的模拟。
称重模拟信号可以根据称重时间，卸料时间，称重误差等生产参数来调整，要避免生产中频繁出现某种物料计量超差或计量超时现象。
紧急停机时会出现秤里存料现象，所以秤的清空需要由HMI组态按钮来实现。按钮的配置是根据按钮触发的变量在程序中的调用来决定的。按钮对应变量可以对整个计量程序复位，也可以单独对某一种物料复位，如骨料秤。本文所述模拟演示系统在HMI组态时新增了”PLC复位”按钮,该钮对真个PLC计量复位.
3.2.3 燃烧器控制的模拟设计
基于VIPA 500 PLC的模拟演示系统在模拟燃烧器控制时能够实现风门的开度控制如鼓风门，引风门开和闭，开度百分比值随风门开闭而增加减小。除尘器出入口温度值，溜槽温度值随风门开度而程比例变化。同时，干燥筒负压和除尘器压差也按一定函数关系发生变化。
4 上位机监控组态设计
上位机监控组态设计分为PC监控组态设计和HMI监控组态设计。
4.1 PC监控组态设计
PC监控组态设计可以有两种方式实现，第一种，独立的监控组态设计。即充分利用组态软件所提供的函数功能，实现二次开发，以达到模拟演示效果。Fameview组态软件支持Vbscript脚本函数，Vbscript脚本函数支持71种以上功能的实现,包括画面表现,数据库操作,报表输出等等.能够最大限度的的模拟工业现场生产过程，适合给客户演示。
第二种模式是基于VIPA 500 PLC，即上位机和PLC通过通讯实现监控组态模拟，前面第三章的程序设计即考虑了此组态方式。这种组态方式可以大量的借鉴沥青混凝土搅拌设备在工业现场实际应用的组态设计，只做较少的修改即可。
短信的组态.短信息服务作为智能化生产的一部分,在沥青搅拌控制行业开始崭露头角.由模拟演示硬件组成图可以看到,短信服务的原理是通过手机发送短信息给短信处理模块（相当于另一部手机）,短信处理模块通过串口和上位PC机通讯,将需要处理的信息反馈回发送短消息的手机.
短消息在上位机组态内容首先是选择通信方式,传送速率设定和短信服务中心号码设定.如下图所示,其中串口我们选择COM1,波特率默认为38400,短信中心号码不同地区有所不同,可咨询当地运营商.
短信组态第二步就是组态短信息内容.短信内容可以是当前生产数据如,当前产量,当前沥青温度等;短信内容也可以是历史生产数据,如过去某天的产量或温度,电机电流值等.
4.2 HMI组态设计
HMI组态设计因HMI硬件性能而不同,这里以施奈德XBTGT为例,由于HMI组态软件功能所限,该型号组态方式必须基于VIPA 500 PLC.相对与PC组态HMI组态更简单,只是增加了几个外部生产控制按钮,如”开始生产”,”停止生产”,”PLC复位”等。
HMI视频应用是比较新的事物,该应用打破了传统视频控制的模式.传统视频应用需要多台监视器和视频交换器,而HMI这些都不需要,所需要的只是多设定几个视频画面即可.如下图所示:
图5 HMI视频组态画面
另外HMI视频还可以录制,拍照并保存.组态设计时首先添加视频画面,图5所示视频画面为单窗口单画面型,也可以在单窗口中显示多个画面,这可以根据需要来设置.
视频、图象文件的保存路径需要在组态设计时设定.支持视频的XBTGT有外接存储卡,视频,图象文件默认保存在存储卡内.组态时鼠标双击项目的”数据定位”选项,弹出下图设置画面:
图6 HMI数据定位设置
将数据文件选项对应的设置设为”第二驱动器”即可.
5 结论
基于VIPA 500S PLC的模拟演示系统硬件配置简单,软件编程和组态任务小,开发周期短.能够实现工业现场生产工艺流程和工况的模拟演示.该系统已经在北京德基沥青混凝土搅拌设备销售演示和公司员工业务培训中广泛的应用.
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