S7-400PLC系列在玻璃棉生产线控制系统的应用

摘要?针对玻璃棉生产过程的控制特点，选用SIEMENS S7-400软件冗余系统完成整个生产线自动控制系统的设计。
关键词：S7-400?软件冗余?PID算法
０ 前言
玻璃棉生产线由窑炉、成纤、固化炉及冷线成型等系统构成。整个生产工艺过程较为复杂。同时，因使用液化气和重油作为燃料，对安全的要求特别高，所以生产线对自动控制系统有很高的要求。此前，国内一般厂家都选用智能仪表控制系统，或引进国外的ＤＣＳ控制系统，性能价格比都不理想。我们针对其生产过程的控制特点，选用了ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７－４００软件冗余系统，投用以来，取得较好的控制效果。
１ 系统概况
１．１ 工艺特点
（１）玻璃棉生产兼有连续生产和批次生产的特点：窑炉生产（玻璃液烧熔）是一个连续、不可间断的过程，任何过程的中断都有可能造成不可预测的后果和损失，所以系统对控制的可靠性要求很高；而固化炉及冷线处理系统则只在出产品时运行。
（２）生产所用燃料是液化气和重油，必须严格控制燃料和助燃风的混合比例，任何比例失调都会造成工艺状况的不稳定，甚至会有爆炸的危险，所以系统对自控回路的精度要求很高。
（３）生产过程复杂，系统的检测、控制点及ＰＩＤ自控回路较多（见表１），而且整个系统的生产是一个高度关联的动态平衡过程，各ＰＩＤ回路之间关系密切而复杂，这对ＰＬＣ系统的性能和软件设计工作都提出了考验。
１．２ 系统结构
固化炉及冷线成型系统由设备厂家自带的ＰＬＣ系统控制（Ｓ７－３００ＰＬＣ和ＴＰ１７０Ａ），工艺信息送控制室显示。
控制的重点和难点是窑炉和成纤系统。根据上述的工艺特点，我们采用了ＣＰＵ和通讯模块的双冗余系统（见图１系统结构图）。

图１系统结构图
１．２．１ 网络构成
整个系统由两级网络构成：主站网和从站网。两台操作站（操作站１、操作站２）、一台工程师站、两台ＣＰＵ４１４、一台Ｓ７－３００组成主站网；五个现场站与ＣＰＵ４１４之间组成了从站网。
操作站及工程师站实质上没有任何差别，只是设置操作等级的限制，各站上的操作权限不一样。通过系统管理员的授权（密码控制）任何一个站都可实现其他两个站的所有功能。操作站、工程师站通过ＭＰＩ卡接入主站网。网络协议为ＰＲＯＦＩＢＵＳ，通讯速率最高可达１２Ｍｂｉｔ／ｓ，考虑到传输距离较远（约２００米），途中电磁干扰较严重，为保证通讯畅通，将通讯速率设置为１．５ Ｍｂｉｔ／ｓ。
两台ＣＰＵ４１４通过ＰＬＣ通讯模块（ＣＰ４４３）接入主站网，固化炉系统的ＣＰＵ３１４则通过ＣＰＵ上的ＤＰ口直接接入主站网。
现场站是连接ＰＬＣ系统和工业现场的接口，所有的输入／输出模块都安装在五个现场站上。每个现场站上都有两块通讯模块（１５３－２）?分别接到两台ＣＰＵ４１４的ＤＰ口上，组成从站网，通讯协议为ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ，通讯速率为１２Ｍｂｉｔ／ｓ。
１．２．２ 系统冗余
为提高系统的可靠性，对控制系统的核心部分ＣＰＵ及ＰＬＣ通讯模块都采用了软件冗余技术，两套ＣＰＵ４１４处理器、电源模块、通讯控制模块（ＣＰ４４３）分别安装在两块冗余机架上，同时各Ｉ／Ｏ站上也都装有两块通讯处理模块（１５３－２）。正常工作时，两台ＣＰＵ一台为主，一台为从。主ＣＰＵ执行控制程序，并控制着对应的通讯模块，同时不断地将需要冗余备份的数据发往从ＣＰＵ；从ＣＰＵ则处于热备状态，不运行控制程序，只是不停地接受数据，同时判断其自身的运行状态。一旦主ＣＰＵ停止工作，从ＣＰＵ立即接过系统控制权，同时主从位置互换，完成无扰动切换。
２ 软件设计
２．１ 系统软件
ＰＬＣ系统软件选用ＳＴＥＰ７ Ｖ５．２软件包，对于系统中的逻辑控制选用梯形图（ＬＡＤＤＥＲ）编程，直观、方便；对于模拟量处理和ＰＩＤ回路控制部分则采用语句表（ＳＴＬ）编程，结构紧凑而又灵活。另外，为实现软件冗余，利用ＳＩＥＭＥＮＳ公司专门提供的冗余软件包，它实际上是一组系统功能块，供用户在程序中调用、设置，实现用户的软件冗余功能。
上位机软件选用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｗｉｎｃｃ Ｖ５．１组态软件。Ｗｉｎｃｃ功能强大，可方便快捷地组态出各种操作界面。开放式的数据库系统为用户提供了强大的数据管理功能。
２．２ 应用软件设计
根据该系统具体情况，软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
（１） 软件冗余
（２） ＰＩＤ算法
（３） 安全措施
２．２．１ 软件冗余
（１） 在ＯＢ１００（热启动模块）中调用系统冗余软件包中的系统功能块ＦＣ１００，程序如下：
ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＳＴＡＲＴ″
ＡＧ＿ＫＥＮＮＵＮＧ ?＝＇Ａ＇ ／／站名称
ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ?＝ＤＢ１ ／／内部数据块
ＤＢ＿ＳＥＮＤ＿ＮＯ ?＝ＤＢ２ ／／内部数据块
ＤＢ＿ＲＣＶ＿ＮＯ ?＝ＤＢ３ ／／内部数据块
ＭＰＩ＿ＡＤＲ ?＝３ ／／ＭＰＩ地址（由硬
件组态决定）
ＬＡＤＤＲ ?＝８１８９ ／／ＣＰ地址（由硬件
组态决定）
ＶＥＲＢ＿ＩＤ ?＝１ ／／连接号（由硬件
组态决定）
ＤＰ＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＳＹＳ＿ＩＤ?＝１ ／／网络地址（由硬
件组态决定）
ＤＢ＿ＣＯＭ＿ＮＯ ?＝ＤＢ５ ／／冗余工作数据块
ＤＰ＿ＫＯＭＭＵＮ ?＝１ ／／ＤＰ—ＭＡＳＴＥＲ为ＣＰＵ
ＡＤＲ＿ＭＯＤＵＳ ?＝１ ／／Ｉ／０地址连续
ＰＡＡ＿ＦＩＲＳＴ ?＝０ ／／第一个输出字节地址
ＰＡＡ＿ＬＡＳＴ ?＝３ ／／最后一个输出字节地址
ＭＢ＿ＮＯ ?＝１０
ＭＢ＿ＬＥＮ ?＝１０ ／／冗余的Ｍ存储区Ｍ１０
－Ｍ１９ 共１０字节
ＩＥＣ＿ＮＯ ?＝０
ＩＥＣ＿ＬＥＮ ?＝０
ＤＢ＿ＮＯ ?＝６
ＤＢ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ?＝５０ ／／冗余的ＤＢ存储区ＤＢ６
－ＤＢ５５ 共５５个
ＳＬＡＶＥ＿ＮＯ ?＝３ ／／第一个从站地址
ＳＬＡＶＥ＿ＬＥＮ ?＝５ ／／５个从站
ＳＬＡＶＥ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ ?＝１
ＤＢ＿Ａ＿Ｂ＿ＮＯ ?＝ＤＢ２５５
ＤＢ＿Ａ＿Ｂ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ?＝Ｗ＃１６＃０
ＤＢ＿Ｂ＿Ａ＿ＮＯ ?＝ＤＢ２５６
ＤＢ＿Ｂ＿Ａ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ?＝Ｗ＃１６＃０
ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ?＝ＭＷ１００ ／／返回状态字
ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ?＝ＭＷ１０２ ／／信息输出字
该段程序设置了软件冗余的基本信息，其中包括硬件信息、冗余备份数据的范围等。根据实际需要，这里设定了Ｍ１０－Ｍ１９、ＤＢ６－ＤＢ５５为备份数据区。ＯＢ１００在上电时运行一次，完成上述冗余约定。这里特别要注意的是备份数据的地址必须是连续的，否则程序将不作处理。
（２） 在ＯＢ１中调用系统功能块ＦＢ１０１。程序如下：
ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＺＹＫ″ ? ＤＢ５ ／／调用ＦＢ１０１
ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ?＝ＤＢ１ ／／内部数据块
ＣＡＬＬ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ?＝ＴＲＵＥ
ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ?＝ＭＷ１１０ ／／返回状态字
ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ?＝ＭＷ１１２
Ａ ＤＢ５．ＤＢＸ ９．１ ／／冗余状态位，
判断是否为从站
ＪＣ Ｍ００１
ＣＡＬＬ ＦＣ ５０ ＦＣ５０调用所有的控制程序
Ｍ００１? ＮＯＰ ０
ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＺＹＫ″ ? ＤＢ５
ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ?＝ＤＢ１
ＣＡＬＬ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ?＝ＦＡＬＳＥ ／／传送结束
ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ?＝ＭＷ１１４
ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ?＝ＭＷ１１６
这段程序用来发送、接受冗余数据，同时判断ＣＰＵ是否为主（ＭＡＳＴＥＲ）状态（ＤＢ５．ＤＢＸ ９．１为ＦＡＬＳＥ表示ＣＰＵ为主ＣＰＵ），如果不是，则不执行监控程序（ＦＣ５０）。
（３） 在ＯＢ８６中调用冗余诊断程序，程序如下：
ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＤＩＡＧ″
ＤＢ＿ＷＯＲＫ ?＝Ｗ＃１６＃１
ＯＢ８６＿ＥＶ＿ＣＬＡＳＳ ?＝＃ＯＢ８６＿ＥＶ＿ＣＬＡＳＳ
ＯＢ８６＿ＦＬＴ＿ＩＤ ?＝＃ＯＢ８６＿ＦＬＴ＿ＩＤ
ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ?＝ＭＷ１３０
这段程序用来诊断从站的故障信息，如有问题将切换从站通讯模块。
（４） ＷＩＮＣＣ中的每个外部变量都连接着ＣＰＵ中的一个地址，当两台ＣＰＵ切换时，这些连接地址也要同时切换。ＷＩＮＣＣ提供了动态向导，可自动产生相关的变量和全局脚本，实现上述转换。
２．２．２ ＰＩＤ算法
ＳＴＥＰ７提供了两种常用的ＰＩＤ算法：连续型ＰＩＤ（ＦＢ４１）和离散型ＰＩＤ（ＦＢ４２），根据实际要求，选用的是ＦＢ４１?其原理图如图２。
ＰＩＤ算法的输出实际上是比例（Ｐ）、积分（Ｉ）、微分（Ｄ）三部分作用之和：Ｍｎ＝ＭＰｎ＋ＭＩｎ＋ＭＤｎ
ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ?（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）
ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ ? ＴＳ／ ＴＩ?（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）＋ ＭＸ
ＭＤｎ ＝ ＧＡＩＮ ? ＴＤ／ ＴＳ?（ＰＶｎ－１－ ＰＶｎ）
Ｍｎ：第ｎ次采样时刻的输出值。
ＭＰｎ：第ｎ次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
ＭＩｎ：第ｎ次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
ＭＤｎ：第ｎ次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。
ＳＰｎ：第ｎ次采样时刻的设定值。
ＰＶｎ：第ｎ次采样时刻的过程值。
ＭＸ：第ｎ－１次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
ＧＡＩＮ：回路增益，Ｐ参数。
ＴＩ：积分时间常数，即Ｉ参数。
ＴＤ：微分时间常数，即Ｄ参数。
ＴＳ：采样时间。
根据原理框图，结合实际工艺要求，编写程序（以供料道温度回路为例）如下：
Ｌ ＤＢ４４．ＤＢＤ ０ ／／温度设定值，浮点型
Ｔ ＃ＴＥＭＰ０
Ｌ ＰＩＷ ５２４ ／／温度反馈值
ＩＴＤ ／／整型转双整型
ＤＴＲ ／／双整型转浮点型
Ｌ ２．７６４８００ｅ＋００４
／Ｒ
Ｌ ３．２０００００ｅ＋００２ ／／量程范围３２０度
?Ｒ
Ｌ ９．８０００００ｅ＋００２ ／／零点是９８０度
＋Ｒ
Ｔ ＃ＴＥＭＰ１ ／／温度反馈对应量程范围
９８０～１３００度，计算出浮点型数据。
Ｌ ＤＢ４４．ＤＢＷ ４ ／／阀门开度
ＩＴＤ
ＤＴＲ
Ｌ ２．７６４８００ｅ＋００２ ／／阀门开度转为百分数
／Ｒ
Ｔ ＃ＴＥＭＰ２
Ｌ ＤＢ４４．ＤＢＤ ２０
Ｔ ＃ＴＥＭＰ３１
Ａ Ｍ ５６．３ ／／自动标志位
ＮＯＴ
＝ ＃ＴＥＭＰ４
ＣＡＬＬ ″ＣＯＮＴ＿Ｃ″ ? ＤＢ１４４ ／／调用ＦＢ１
ＣＯＭ＿ＲＳＴ?＝ＦＡＬＳＥ
ＭＡＮ＿ＯＮ?＝＃ＴＥＭＰ４
ＰＶＰＥＲ＿ＯＮ?＝ＦＡＬＳＥ
Ｐ＿ＳＥＬ?＝ＴＲＵＥ
／／ 使用Ｐ调节
Ｉ＿ＳＥＬ?＝ＴＲＵＥ
／／使用Ｉ调节
ＩＮＴ＿ＨＯＬＤ?＝ＦＡＬＳＥ
Ｉ＿ＩＴＬ＿ＯＮ?＝ＦＡＬＳＥ
Ｄ＿ＳＥＬ?＝ＦＡＬＳＥ
／／使用Ｄ调节
ＣＹＣＬＥ?＝Ｔ＃２Ｓ ／／采样时间
ＳＰ＿ＩＮＴ?＝＃ＴＥＭＰ０ ／／设定值
ＰＶ＿ＩＮ?＝＃ＴＥＭＰ１ ／／过程值
ＰＶ＿ＰＥＲ?＝
ＭＡＮ?＝＃ＴＥＭＰ２
／／ＰＩＤ自动标志
ＧＡＩＮ?＝ＤＢ４４．ＤＢＤ８
／／参数Ｐ
ＴＩ?＝ＤＢ４４．ＤＢＤ１２ ／／参数Ｉ
ＴＤ?＝ＤＢ４４．ＤＢＤ１６ ／／参数Ｄ
ＴＭ＿ＬＡＧ?＝Ｔ＃２Ｓ
ＤＥＡＤＢ＿Ｗ?＝＃ＴＥＭＰ３１
／／死区范围
ＬＭＮ＿ＨＬＭ?＝ＤＢ４４．ＤＢＤ２４ ／／输出上限
ＬＭＮ＿ＬＬＭ?＝ＤＢ４４．ＤＢＤ２８ ／／输出下限
ＰＶ＿ＦＡＣ?＝１．００００００ｅ＋０００
ＰＶ＿ＯＦＦ?＝０．００００００ｅ＋０００
ＬＭＮ＿ＦＡＣ?＝１．００００００ｅ＋０００
ＬＭＮ＿ＯＦＦ?＝０．００００００ｅ＋０００
Ｉ＿ＩＴＬＶＡＬ?＝０．００００００ｅ＋０００
ＤＩＳＶ?＝０．００００００ｅ＋０００
ＬＭＮ?＝
ＬＭＮ＿ＰＥＲ?＝＃ＴＥＭＰ３
ＱＬＭＮ＿ＨＬＭ?＝
ＱＬＭＮ＿ＬＬＭ?＝
ＬＭＮ＿Ｐ?＝
ＬＭＮ＿Ｉ?＝
ＬＭＮ＿Ｄ?＝
ＰＶ?＝
ＥＲ?＝
ＡＮ Ｍ ５６．３
ＪＣ Ｍ００１
Ｌ ＃ＴＥＭＰ３
Ｔ ＤＢ４４．ＤＢＷ ４ ／／ＰＩＤ自动时，将
ＰＩＤ输出结果送到输出存储地址
Ｍ００１? ＮＯＰ ０
Ｌ ＤＢ４４．ＤＢＷ ４
Ｔ ＰＱＷ ５２２ ／／调节阀输出
程序的前半部分主要是处理设定值、反馈值并送入相应的中间变量，同时将当前阀门开度送入ＰＩＤ模块，以保证手／自动的无扰动切换。
在调用ＦＢ４１时，需要给各参数赋值。为方便调整，重要参数都存在ＤＢ块中，用户可在上位机上随时修改（需输入密码）。
从上面的公式中可以看出，参数Ｐ（ＧＡＩＮ）与Ｐ、Ｉ、Ｄ作用都是成正比的，它决定了ＰＩＤ回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而Ｄ参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定ＰＩＤ参数，唯一的衡量标准就是被控参数（温度、流量等）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到最佳的控制效果。
２．２．３安全措施
（１） 防止误操作
①任何设定值都设有上、下限，即不允许输入“离谱”的数据。
②重要设备的开、停，都需操作员确认。
③运行中调整设定值，不能直接输入数据，而是按“＋”、“－”键，逐步增减。
（２） 报警功能
每个被控参数都设有上、下限报警值及偏差报警值，当运行数据超出这些值时，系统将发出声光报警，提醒操作者。对于特别重要的参数，变化过快，也在报警之列。
（３） 逻辑连锁
①当燃料压力或助燃风压力开关动作时，关闭安全阀；当被控参数（温度或压力）突变时，关闭安全阀。
②当设定值和过程值的偏差大于安全范围时，相关ＰＩＤ回路切换到手动，以保持输出不变。
③当安全阀关闭时（每次生产间隙都要关闭），系统自动将相应的调节阀开度设为零，同时将相应的ＰＩＤ回路切换到手动，以防再次开安全阀时，出现燃料外溢。
３ 结束语
整个控制系统，无论是软件硬件的配置，还是软件的设计，都充分地考虑了系统的工艺特点，各种保护措施完备，操作灵活、控制精度高。
参考文献：
?１? 西门子Ｓ７－４００硬件手册.
?２? 西门子ＳＴＥＰ７编程手册.
附表1自动控制回路表