西門子S7 系列PLC 在自控系統中的應用

王和榮

（攀鋼冶金材料有限責任公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

S7-1500PLC 作為西門子集團在自動化方面的突出產品，是在原有S7-300PLC 與S7-400PLC 的基礎上，進一步重點研發的自控系統。S7-1500PLC 系統在2013 年問世，該系統的研發主要服務于中高端工廠的自動化設備。在專業領域上，不但系統性能優勢明顯，而且在工業信息安全、故障處理、運動控制等方面功能顯著。

1 S7-1500PLC 系統優勢分析

PLC 控制系統是西門子公司研發的具有一定優勢的自動化設備，西門子S7-1500 備受用戶關注。在自控系統中，西門子S7 系列的研發是在S5 的基礎上誕生的PLC 系統，該系統在很大程度上滿足了各行各業的需求。S7-1500PLC 系統具有顯著的優勢。

（1）S7-1500PLC 的系統模塊要比S7-300 稍大一些，機架結構基本一致。其前連接器配有特殊的電源元件、線卡與屏蔽支架，且預留了走線的空間，這些使技術人員在接線時更加方便、可靠。CPU 配備了LED 顯示屏，可以方便地顯示CPU 的狀態和故障信息。為了方便橋接電位組，可使用集成短接片進行安裝，并輔以繼電器、自動斷路器等，從而更好地安裝集成導軌。此外，對于預接線的位置，將初始接線與重新連接的過程簡化了，而且集成屏蔽作為模擬信號，具有屏蔽信號的良好效果。

（2）在硬件方面，S7-1500PLC 具有處理速度快、聯網能力強、診斷能力和安全性更高的特點，一方面，生產效率得到了大幅度提高，不僅節約了成本，還提高了經濟效益。另一方面，系統安裝和維護都比較方便，沒有什么危險性，深受廣大客戶與維護人員的歡迎。S7-1500PLC 與S7-400 或S7-300 相比較，大多是運用新型背板總線技術，不僅信號處理速度非常快，而且傳輸協議與波特率都比較高。而且其CPU 一般有1～3 個PROFINET 接口，這在一定程度上滿足了一些網絡通信的低成本快速配置要求。此外，1500PLC 系統模塊帶有診斷功能，且診斷的級別為通道級，并不需要再進行編程。為此，一旦出現故障便能夠及時準確地對發生故障的通道進行識別，大大縮了停機的時間，這也是其他型號PLC 不具備的功能。

（3）S7-1500PLC 具有高配置和高效率的編程能力，有利于設計人員更加方便地查看采集的信息，信息采集和查看也更方便，這對工程設計人員來說極為有益。更重要的是S7-1500PLC與博途軟件實現了有效的融合，所以在硬件的配置、上位組態、網絡連接以及軟件編程等方面，操作都變得非常快捷。S7-1500PLC 系統可通過網絡瀏覽器、CPU 顯示屏、T 博途軟件以及HMI 設備，隨時查看CPU 的實時狀態、過程變量與故障信息，而S7-300 或400 則沒有CPU 顯示屏，采集與查看信息就顯得不是很方便。

（4）S7-1500 PLC 控制系統可以在不需要增加模塊的基礎上，達到運動控制的功能。運用PLC open 技術，控制器可用標準組件連接的各種支持PROFIdrive 協議的驅動設備。另外，S7-1500 PLC 還支持CPU 所有變量的TRACE 功能，在提高調試效率的同時，促進了驅動器、控制器性能的進一步優化。

2 S7-1500PLC 系統的具體應用

2.1 系統構成

以消防行業為研究對象，某大型消防給水泵組由兩臺消防泵與兩臺噴淋泵組成，作用為消防泵和噴淋系統供水。消防泵的啟動方式是以水泵的功率為依據，也就是用帶有旁路接觸器的啟動器來啟動消防栓，巡檢過程中變頻器輪流驅動水泵，從而確保4 臺水泵都處于低頻運行，以防止管道水壓因巡檢而出現短暫迅速升高的現象。而S7-1500PLC 系統就是負責控制泵組的巡檢、啟停等工作，通過總線通信來對變頻器的啟停、切換水泵參數等進行有效控制。S7-1500PLC 系統可借助PROFINET 網絡與總監控室展開連接，從而實現遠程監控的目的。總體上，消防給水系統中離不開S7-1500PLC，必須充分發揮消防泵的作用，做好泵組的日常巡檢與維護功能。以往的巡檢以人工為主，但人工作業流程復雜且監管難度大，加之自動巡檢設備還不夠完善，極大地影響了日常的巡檢效率。因此，在消防給水系統中應用S7-1500PLC 系統，能夠有效解決其中存在的問題。

2.2 系統設計與應用

2.2.1 控制方式

在巡檢系統中，一般采用的是自動與手動兩種控制方式，其中手動控制操作很簡單，也就是在巡檢控制柜上旋轉按鈕，直至按鈕指示手動模式即可，這樣工作人員便可以按照柜面啟動按鈕的流程完成巡檢的任務。對于消防泵與噴灑泵的手動控制也是一樣，將按鈕旋轉到手動模式即可。這樣工作人員就可以用手動的方式啟停消防泵與噴灑泵。而在自動模式下，按鈕旋轉后便可自動運行，一般沒有特殊要求，消防泵啟停則以10 d 為周期，定時完成巡檢工作；有要求時，可以按照要求啟動消防泵與噴灑泵，若是已在運行中發生故障，可以及時啟動備用泵，以保持設備正常工作。

2.2.2 網絡通信

西門子S7-1500PLC 控制系統通常采用的通信方式比較多，如工業以太網通信、自由口通信和MPI 通信等，而且這些通信方式都有其獨特的優勢。例如，MPI 通信適用于小點數和小規模站點的通信，以及CPU 之間的數據傳遞工作。PROFIBUS 通信是目前市場上比較受歡迎的一種網絡通信方式，它以其獨特的技術、嚴格的規范、開放的標準成為眾多廠商支持的最優解決方案。S7-1500PLC 正是運用這種通信方式，同時配備了MPI 接口，不需要單獨采購DP 通信模塊就可完成DP 的組網工作。這樣組建的網絡擴展性性強，能夠同時支持多個狀態的采集點和監測站的工作，還具有從主站和從站讀取和寫入數據的功能。

2.2.3 程序切換

在消防控制系統中，消防控制中心主要負責發出火災信息，一旦消防控制中心發現建筑內有火災發生，控制中心便會立即向S7-1500PLC 系統發送火災信號的指令。從控制中心收到信號指令后，系統便會自動退出當前執行的任務，同時會立即調用子程序以最快的速度啟動消防泵。如果平時沒有接到火災信息，該系統的主要工作就是控制水泵的啟停，并定期進行巡檢任務。通常來說，水泵巡檢一個周期為10 d，相關人員也可以按照實際的需求，遠程設置間隔的時間。在巡檢過程中，控制變頻器就是系統當前的主要工作，使其能夠始終處于低頻驅動的狀態運行。這樣不僅可以起到一定的節能的作用，而且此狀態下水泵的出水速度比較緩慢，也就不會對管網產生壓力。

待巡檢工作結束后，S7-1500PLC 系統還需要調用相關的巡檢程序，先將變頻器參數切換到與消防泵一致，并控制接觸器吸合，同時啟動變頻器，在變頻器運行的同時開始計算時間，到達預設時間后便停止變頻器，并將接觸器分離。變頻器在停止工作前，消防泵需保持一直低頻運行狀態。消防泵巡檢完成后，操作員可在S7-1500PLC 控制系統中，將變頻器的參數切換至與噴淋泵一致，再控制接觸器的吸合，驅動噴淋泵運行狀態處于低頻，預設時間一到便停止變頻器，之后分離接觸器。如果在巡檢中發現水泵無法正常工作，系統會發出報警信息，告知工作人員出現的故障。

2.2.4 上位機的應用

在控制系統中，西門子WinCC 是視窗控制中心。其包括了OPC、SCADA、組態、人機界面等多種技術的支持，這類技術的主要作用是顯示自動化的控制過程。而S7-1500PLC 控制系統得到上位機，就是使用的WinCC。WinCC 的應用離不開計算機，其主要就是在計算機的各種環境下運行的，所以具有一定的開放性特點，如工作人員可以在WinCC 上操作，進行一系列的自動化設備與軟件的相關集成工作。并且，WinCC 功能里的菜單選項、項目設置、畫面更新以及安全歸檔等比較豐富，這些在一定程度上體現了其安全性與可靠性，工作人員可以在這樣的界面下快速完成編程、組態、數據管理等工作。此外，還可以按照相應的需求，展現監控畫面、報警畫面以及操作界面，按實際需要形成相應的報警畫面、監控畫面、操作畫面等。因此，WinCC 的自動化程度非常高。

3 結語

綜上所述，在自動控制系統中，西門子S7-1500PLC 系統相比之前的系統具有明顯的優勢，具有處理速度快、聯網能力強、診斷能力和安全性更高的特點，在各大工程領域的應用非常廣泛，不僅操作簡便、節約成本，系統安全性也大幅提高，同時大大降低了系統維護的難度。目前，S7-1500PLC 系統應用在諸多行業中取得了良好的成果。