SIMATIC PCS7的CFC功能圖在控制系統中的應用

艾 紅

(北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

過程現場總線Profibus是用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。Profibus包括3部分：Profibus DP、Profibus PA和Profibus FMS。DP(Decentralized Periphery)是分散式外圍I/O協議，用于總線主站與其所屬從站設備之間進行簡單、快速和時間確定性地過程數據交換，實現自動控制系統與分散的I/O之間通信，使用Profibus DP總線的模塊可取代4～20mA信號線。PA(Process Automation)適用于Profibus過程自動化，PA將自動化系統和過程控制系統與壓力、溫度及液位變送器等現場設備連接起來，并可用來替代4～20mA的模擬技術，可使傳感器和執行機構連接在一根總線上。使用PA/DP耦合器可以將Profibus PA儀表集成到DP網絡中去。FMS(Fieldbus Message Specification)是現場信息規范，ProfibusFMS的設計旨在解決車間監控級通信任務，提供大量的通信服務。在不同傳輸技術之間進行傳輸時，可以使用耦合器或者鏈路器。ET200M是一種分布式I/O系統，可在遠程就地操作，通過高性能的ProfiBus DP實現在自動化系統AS的CPU及其分布式I/O系統之間的數據通信。ET200M由IM153接口和各類I/O模塊組成，IM153接口用于與ProfiBus DP現場總線的連接。DP主站通過ProfiBus DP與分布式I/O系統交換數據。DP主站集成在相應設備中，DP從站是通過ProfiBus DP連接至DP主站的分布式I/O系統，ET200M即為DP從站。筆者以鍋爐為被控對象，采用西門子PCS7，完成了鍋爐系統的組態和控制。

1 驅動程序塊①

1.1 PCS7軟件應用程序

PCS7軟件包含若干應用程序，通過這些應用程序可以組態系統并在運行期間對系統進行操作和監視。所有應用程序都提供了用戶圖形界面，可以方便地操作并且清楚地顯示組態數據。工程師站上有各種應用程序，可以創建項目。SIMATIC管理器是中心應用程序，用于管理項目對象，HW Config是包含整個硬件系統的組態，例如CPU、電源及通信處理器等。NetPro用于進行網絡組態。CFC(Continuous Function Chart)是連續功能圖，對連續自動化功能進行圖形化組態，具有測試和調試功能。SFC(Sequential Function Chart)是順序功能圖，用于對順序生產的功能進行圖形化組態，具有測試和調試功能。SCL(Structured Control Language)是結構化控制語言，可以用高級語言對用戶功能塊進行編程。WinCC是可視化的組態軟件，包含在單個或多個站的操作中，可以快速實現從簡單到復雜的可視化任務。SIMATIC管理器是組態PCS7項目所需的其他應用程序的接口。SIMATIC管理器和所有其他應用程序“鏈接”在一起，在SIMATIC管理器中，可以打開硬件組態窗口HW Config，看到使用CFC編輯器插入到CFC圖表中的所有塊。要創建CFC，需要將PCS7 Library V7.0里面的塊插入到CFC中。庫中包含各種單獨的塊，如用于閉環控制或用于監視測量值的塊，將這些塊的輸入和輸出進行互連并在CFC編輯器中直接為其分配參數。

在目錄中將會看到3個標簽： Blocks、Chart、Libraries。在塊Blocks處可以找到按塊系列分類的塊。在圖表Charts處可以找到在工廠層級中創建的所有圖表(當前已打開并顯示在CFC編輯器中的CF圖表以一個小的打開文件夾進行標記)。庫Libraries包括PCS7標準庫和主數據庫。在常規設置下，CFC編輯器的左側會看到包含塊、庫和CFC圖表的目錄。在編輯器的右側會看到所顯示的CFC圖表。如果已打開的是一個空的CFC 圖表，則只會在此看到一個空白區，可根據需要在此插入塊來描述過程，并為這些塊分配參數并將其互連。

1．2 為塊組態外部I/O

CH_AI和CH_AO是與PCS7 硬件進行通信的驅動程序塊，用于從I/O模塊讀取過程值，轉換成CFC 使用的數據格式。PCS7驅動庫中的驅動程序塊能夠直接訪問過程映像輸入和過程映像輸出。驅動程序塊CH_AI和CH_AO的VALUE 變量用于連接硬件地址。鼠標左鍵點擊CH_AI 塊的VALUE 變量，點擊鼠標右鍵，選擇與硬件地址連接Interconnection to Address(圖1)。

圖1 為塊組態外部I/O的過程示意圖

在彈出的自動化系統AS 組態時定義的符號表中，雙擊選擇與該塊相應的模擬量輸入模塊的硬件地址。如果未定義符號表，可手動輸入硬件地址。如CH_AI 塊讀取ET200M 的第一塊AI模塊的第一個通道地址假設為IW512，CH_AO 塊的VALUE 變量同理可連接到模擬量輸出模塊相應的硬件地址。

1．3 驅動程序塊

驅動程序塊提供用戶程序和硬件輸入輸出組件之間的接口，如圖2所示。CH_AI 塊是輸入信號連接至輸入信號模塊的通道，該通道將輸入信號同步于CPU工作內存中的輸入過程映像。

圖2 驅動程序塊

將通道塊置入CFC圖以后，需要將該通道塊連接至引出信號的物理通道。可以采用信號名命名通道塊，例如該通道塊實例被命名為Valve1_Opened。如何將通道實例塊連接至信號的過程如圖3所示。

2 連續功能圖CFC

PCS7標準庫將塊根據其功能分成多個系列。CH_AI和CH_AO屬于DRIVE系列，CTRL_PID塊屬于CONTROL系列。CH_AI 塊循環處理模擬輸入模塊與通道有關的信號功能，是與PCS7硬件進行通信的驅動程序塊，用于從I/O模塊讀取過程值，轉換成CFC使用的數據格式。將通道塊CH_AI 置入CFC圖以后，需要將該通道塊連接至引出信號的物理通道。將信號處理塊或者通道塊從庫中拖出，并放入CFC圖，可以直接在CFC中使用。點擊CH_AI 塊的輸出變量V，然后點擊CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN，將自動生成兩個變量之間的連線。點擊塊CTRL_PID 的輸出變量LMN，點擊塊CH_AO 塊的輸入變量U，連線將自動生成。通過塊的設置和塊之間的連接，形成了一個PID 單回路控制系統(圖4)。CTRL_PID(FB61)塊是連續型PID控制器，用于單回路控制或者串級控制，工作模式可以是手動、自動或者跟蹤，可以單獨激活或者取消比例、積分和微分作用。

圖4 PID單回路控制系統CFC

3 操作站功能與歸檔功能

3．1 操作站功能

操作監控系統的各個功能按照圖形系統、趨勢系統和歸檔系統進行組織。圖形系統是過程畫面的顯示，在圖形系統中，過程信息會在過程畫面、趨勢或者消息畫面中顯示，可以快速識別當前工藝情況。使用過程控件可以快速準確地干預正在運行的過程，在過程控制期間采集和存儲的過程值在趨勢中顯示，可用于分析過程(趨勢在過程畫面、過程窗口或面板中會顯示)。在圖形編輯器中將對象與變量互連，需使用變量選擇對話框(變量選擇對話框可以為來自圖形編輯器的對象創建動態功能，在此對話框中顯示的變量可來自SFC圖表、SFC實例和CFC圖表中的塊實例)。變量互連是創建動態對象最簡單的方法，只需將對象與CFC圖表的塊實例I/O互連，過程模式下始終顯示此連接的當前值，可定義特定值的范圍實現動態對話框。使用變量選擇對話框，將在圖形編輯器中插入到過程畫面的輸入/輸出域或面板之類的對象，可以連接到相應的CFC圖表中塊實例的輸入/輸出。在過程模式中，對象從自動化系統AS讀取輸入/輸出的當前值，在操作站OS上顯示這些值。

3．2 歸檔功能

歸檔系統存儲與顯示過程值、消息和日志。在過程模式下生成的各種類型數據可以歸檔，該數據包括測量值和消息。測量值歸檔的目的是采集、處理和歸檔工業現場的過程數據，這些數據通常被稱為“歷史數據”，可以用來判斷一段時期內的生產狀況。PCS7提供了為進行相應標記的過程值自動創建歸檔變量的選項。必須在SIMATIC管理器中使用“歸檔”(Archive)屬性將這些過程值標記為與歸檔相關(只能為專用于操作員監控的塊I/O設置此屬性)。如果選擇了相應選項，則在編譯OS時，PCS7會自動創建所需的歸檔變量。PCS7中有兩種不同類型的歸檔，需要在不同編輯器中進行組態，過程值歸檔使用“變量記錄”(Tag Logging)編輯器組態，消息和報警的消息歸檔使用“報警記錄”(Alarm Logging)編輯器組態。過程值歸檔變量存儲在“系統歸檔”(System Archive)中。當首次使用“歸檔變量”(Archivetags)選項編譯操作站OS時，PCS7會自動創建此歸檔。系統歸檔在“變量記錄”(Tag Logging)編輯器中進行組態。

4 自動化系統仿真

S7-PLCSIM是可以替代西門子硬件PLC的仿真軟件的，當設計好控制程序后，無需PLC硬件支持，可以直接調用仿真軟件來驗證。PT1_P模塊為一階控制對象，可用來代替汽包水位等控制對象。PID控制器的LMNR_IN引腳是PID模塊的閥位反饋，將PID控制器的LMN引腳連接到LMNR_IN引腳。仿真時用PT1_P模塊作為控制對象，選擇時間常數。CFC圖在測試模式下可以導出數據。通過導出數據可以看到以秒為單位顯示測試的所有數據。圖5所示為除氧器壓力仿真CFC圖，圖6所示為操作站上鍋爐控制系統中除氧器壓力仿真界面。PID控制器工作在自動、外給定，設定值的上限為100，下限為0，測量值的上限為100，下限為0，開始時除氧器壓力的設定值為20，隨后加入一個階躍擾動，將設定值改為50，測量值可以很快跟蹤給定值，曲線跟蹤效果較好。將設定值改為80，測量值也可以很快跟蹤給定值。

圖5 除氧器壓力仿真CFC圖

圖6 操作站上鍋爐控制系統中除氧器壓力仿真界面

5 結束語

SIMATIC PCS7是一種基于現場總線的新一代模塊化過程控制系統，它將傳統的PLC和集散控制系統DCS結合起來，具有傳統DCS和PLC控制系統的優點。系統的所有硬件都基于統一的硬件平臺，所有軟件全部集成在SIMATIC程序管理器下。在網絡配置上使用標準工業以太網和現場總線ProfiBus，便于現場控制回路的擴展。筆者以鍋爐為被控對象，采用西門子PCS7完成了鍋爐系統的組態和控制。通過仿真軟件PLCSIM進行仿真，實現了給定值、測量值和輸出值的顯示，實現了測量值曲線顯示，可以實時準確地監測鍋爐的運行參數和設備的運行狀態，并采集與鍋爐有關的工藝參數，全面掌握整個系統的運行工況。