基于S7-300PLC和組態王軟件的汽車生產線控制系統

徐 艮

作者通聯：中國南車資陽機車有限公司鍛鑄事業部 四川資陽市天景花園D區1-1-202 641301

E-mail：xyslqzhy@sohu.com

一、控制系統簡介

中國南車資陽機車有限公司鍛鑄事業部某汽車前橋熱處理調質生產線，采用推桿式天然氣加熱爐加熱工件，進行淬火、回火工藝處理，主要有推料機、淬火爐、回火爐、淬火爐料盤及輸送機構等設備。生產線采用集散控制系統，系統配置見圖1，上位機使用組態王軟件監控設備運行狀態和報警，設置、跟蹤和管理工藝參數，下位機和12塊PXR5型智能溫控表（富士電機無錫儀表有限公司生產）對生產線進行邏輯和溫度控制，工控機和PLC、溫控表通信分別采用MPI方式和MODBUS RTU通信協議。

圖1

二、PLC系統

1.硬件配置

SIMATIC S7-300PLC是模塊化的PLC系統，滿足中、小規模系統要求，為適應各種自動化控制任務，模塊可自由擴展。CPU315（6ES7315-1AF02-0AB0）具有中、大規模程序量和MPI接口，可組成集中式I/O結構或分布式自動化結構。

分析、統計生產線檢測和控制對象，需要7塊6ES7321-1BL00-0AA0型數字輸入模塊，3塊6ES7322-1BL00-0AA0型數字輸出模塊，并且需要1個擴展機架，才能安裝所有模塊。選用IM365 S-R接口模塊（6ES7 365-0BA01-0AA0）可實現最經濟擴展，該模塊只能用于1個中央機架和1個擴展機架的配置，有兩個IM365模塊，其中帶SEND標記的插入CC 圖2中央機架，帶RECEIVE標記的插入ER擴展機架，使用1m固定電纜連接。PLC系統硬件配置見圖2。

2.硬件組態

組態是使用西門子S7-300/400 PLC專用編程軟件STEP 7合理配置PLC硬件的過程。組態步驟：①打開SIMATIC Manager，進入STEP 7，創建 1個 STEP 7項目，新建 1個 S7-300工作站。②選中、雙擊該工作站的Hardware，自動打開硬件組態程序HW config，根據圖2硬件進行組態（圖3）。

圖3

3.程序設計

PLC系統的主要任務是完成生產線設備的手動、自動邏輯控制。采用LAD梯形圖模塊化編程，程序可讀性強，包括淬火爐、回火爐手動及自動程序塊，淬火車手動及自動程序塊，故障報警程序塊，液壓控制程序塊，加熱控制程序塊，主程序塊OB1。

4.抗干擾設計

控制電纜全部采用屏蔽電纜，嚴格進行接地處理，輸入、輸出信號線，交、直流線分別使用各自電纜，且盡量分開布線。為抑制大容量設備啟、停引起的電網電壓波動及工頻干擾，PLC系統電源須經隔離變壓器和濾波器處理。所有PLC輸出均通過中間繼電器隔離后再接負載，防止損壞PLC輸出點。

三、監控系統

1.監控軟件

使用北京亞控組態王6.52上位機監控軟件，它是HMI/SCADA軟件，在工控機運行，用于工業過程和管理。組態王目前可連接、智能儀表、板卡、模塊、等上千種工業設備，人機界面豐富、網絡通信能力強大、報警和事件管理先進。

2.工控機

使用西門子SIMATIC PC677面板型工業控制計算機，15英寸觸摸屏。該工控機具有高質量模塊和高MTBF元件，特定溫度范圍內可連續24h使用，結構緊密，通信性能良好。

3.通信接口

工控機提供1個RS232串口，下位機溫控表提供RS485串口，因此通信前要進行串口類型轉換。由于RS232通信速度慢，通信距離短，抗干擾能力差，為此不采用，而通過工控機提供的PCI插槽進行RS485接口擴展，使工控機直接和溫控表的RS485串口進行物理連接。安裝步驟：①關閉工控機電源，在1#PCI插槽插入1塊MOXA公司CP-132UL V2型雙串口卡（提供2個RS485/RS422串口，通信最高速率可達921.6kbps、通信距離可達1.2km、抗干擾能力強）。②通過雙串口卡DIP開關設定RS422/RS485通信方式，本機采用2線制RS485通信，分別將S1、S2置于ON位置。③在工控機繼續安裝該卡驅動程序。

圖4

圖5

圖6

4.監控功能設計

（1）建立組態王和溫控表的通信連接。操作步驟：①進行工控機和溫控表RS485串口物理連接。②在組態王工程瀏覽器設備列表里進行COM2串口設置（工控機采用MOXA串口卡擴展的COM2串口和溫控表連接，圖4），運行設備安裝向導，完成溫控表的安裝配置，圖5是某塊溫控表安裝配置信息。③在溫控表上進行站地址（STno）、奇偶性（CoM）、通信協議（PCoL）的設置，具體見溫控表產品使用說明書參數設定表，要和組態王中設置一致。④將所有儀表斷電再通電。溫控表和組態王的通信連接設置完成（圖6），可正常通信。

（2）建立組態王和S7-300PLC的通信連接。操作步驟：①連接工控機和PLC的MPI通信電纜。②在組態王工程瀏覽器設備列表CP5611中運行設備配置向導，完成PLC的安裝配置，如生產廠家、設備名稱、通信方式、設備地址等信息設置（圖7）。完成后的PLC安裝配置畫面見圖8。

圖7

（3）建立變量。工程瀏覽器數據庫是“組態王”軟件的核心部分，是聯系上、下位機的橋梁。工業現場生產狀況要以動畫形式在屏幕上反映，操作者發布的指令要迅速送達生產現場，這些均以實時數據庫為中介環節。在數據庫的數據詞典里定義好需要采集的變量，包括系統變量和用戶定義的變量，作為狀態顯示或數據處理計算。數據庫存放變量當前值，數據詞典記錄用戶可使用數據變量的詳細信息。

（4）建立監控畫面。組態王開發系統提供了豐富的圖形對象和動畫連接類型，如命令語言連接、模擬值輸入連接、模擬值輸出連接、屬性變化連接、閃爍、旋轉連接等。通過對畫面中圖形對象建立的動畫連接及命令語言程序，實現畫面監控數據和生產現場數據的同步動態變化。

（5）啟動工控機系統后自動運行組態王。操作方法：①在組態王工程管理器里將需要運行的用戶工程設置為當前工程（本例選擇南車資陽前橋調質線，圖9）。②將組態王軟件安裝生成的touchvew.exe運行系統快捷方式拷貝到“系統開始→程序→啟動”中。

以上工作完成后，經過組態的外部I/O、溫度等現場數據就能實時傳遞給監控系統并進行生產過程控制。

為實現組態王監控功能，必須保證組態王系統對操作系統、內存、CPU等的要求；運行組態王設備配置向導以及設置COM串口時，參數設置必須正確，否則組態王和設備間無法建立通信連接。

圖8

圖9

該生產線控制系統設計8個人機功能畫面，直接對現場設備運行狀態進行實時監控及報警，設置、跟蹤與管理工藝參數。圖10是設備運行狀態模擬畫面，非常直觀，可以從方向鍵的閃爍確認機構運行方向，從指示燈顏色變化明確執行機構位置及電機運行狀態、各溫區溫度顯示及實時報警等信息。

圖10