西門子PRODAVE與S7-300 PLC的氣力輸送實驗系統

在自動化領域，DCS、現場總線、SCADA、PLC技術的蓬勃發展為自動化技術的發展注入了新的活力。該領域*技術與傳統生產工藝的結合，已使得生產工藝、產品質量得到了較大的改善與提高。本文以南京順風氣力輸送有限公司的氣力輸送機械平臺為基礎，同時結合SIEMENS公司的PRODAVE數據鏈接庫、S7-300系列PLC等軟硬件方面的*技術，經過二次開發，成功的構建了一套能夠模擬現場的氣力輸送自動化實驗系統，為氣力輸送自動化系統的設計與現場實施提供了極大的幫助。

　　2 氣力輸送實驗系統工藝及功能要求

　　氣力輸送就是利用氣流作為輸送動力，在管道中搬運粉、粒狀固體物料的方法。一個完整的氣力輸送系統通常由空氣或氣體源、把物料加入管內的設備、輸送管道以及從輸送空氣中分出被輸送物料的分離設備等組成。以常用的粉煤灰倉式泵氣力輸送系統為例，它主要由倉式輸送泵、管道、氣源、輸送目的地(如灰庫)和控制部分組成。

　　一個完整的氣力輸送工藝流程大體可分為倉泵裝料階段、倉泵充壓階段、物料輸送階段和管道清掃階段。在卸料裝灰階段，打開進料閥和透氣閥，灰斗中的物料在重力的作用下落入倉泵;然后，關閉進料閥和透氣閥，并打開進氣閥為倉泵中的物料加壓，即倉泵充壓階段;當壓力達到某一定值時，則打開出料閥，進入物料輸送階段，此時，倉泵中的物料在氣力作用下經輸送管道被輸送到目的地;為了防止在下次進行輸送時發生管道堵塞現象，當倉泵中的物料被輸送完成以后，還要讓空氣流對管道進行清掃。這樣就完成了一個流程的物料輸送，如此循環，可不斷的將灰斗中的物料送往目的地。

　　作為一套氣力輸送實驗自動控制系統，它不僅應當滿足氣力輸送系統的基本要求，使得操作人員能夠在監控界面上實時查看現場的儀表參數、設備狀態，實現對設備的實時控制。而且還應具備實驗系統所*的在硬件與軟件的靈活、可修改性、開放等方面的特點。

　　在對氣力輸送實驗系統進行軟件設計時，除了要滿足氣力輸送系統實驗人員實時監控現場運行狀態的需要外，還應具有對實驗所用的壓力、延遲時間、循環次數等工藝參數的設置功能;而且，根據實際需求，在監控界面上要能夠容易地實現不同工藝流程之間的簡單切換，或者實現工藝流程的隨意組態;同時，為了以后對實驗數據的分析，軟件的設計還應具備實驗數據的實時采集、存檔以及數據的分析繪圖功能。

　　此外，氣力輸送實驗系統還應考慮經濟、操作方便、界面友好等方面的因素。

  　　3 氣力輸送實驗系統構建方案

　　氣力輸送實驗系統的構建主要包括機械部分硬件、電氣自動化方面硬件以及自控系統軟件等幾部分組成。氣力輸送實驗平臺的機械部分設備主要包括：空氣壓縮機、儲氣罐、輸送倉泵、喂料機、除塵器、氣動閥門、壓力表、稱重傳感器、以及輸送管道等。自控系統方面，通過比較，系統采取了目前比較常用且穩定性較高的工控計算機(IPC)——可編程邏輯控制器(PLC)系統集成模式。該模式下，IPC與位于其上的監控軟件作為監控級，PLC作為現場控制級，兩者通過實時數據傳輸共同完成數據采集與設備監控任務。在軟件組成方面，為了節省成本，增加系統靈活性，監控軟件采取了Visual Basic與PRODAVE相結合進行二次開發的方式，與SIMATIC Step 7編寫的PLC軟件一起共同實現系統的自動控制。

　　3.1 氣力輸送實驗自控系統硬件配置與選型

　　在PLC的選型上，氣力輸送實驗系統選用了西門子公司SIMATIC S7-300系列中型PLC，由于該系列PLC基于模塊化結構設計，具有高速的指令處理和浮點運算、方便的人機界面、自診斷等功能，因此，深受國內用戶歡迎，應用廣泛。

　　氣力輸送實驗系統設計時，根據系統的現場設備情況和氣力輸送工藝功能要求，通過對各被控設備與輸入/輸出信號的統計，然后分別對PLC所需的I/O點數和存儲容量估算，實驗系統的PLC模塊組可按以下方式進行配置：482.6mm單機架通用導軌一個、PS 307 2A電源模塊一塊、CPU 312C一塊、DO 16×DC24V/0.數字輸出模塊一塊、DI 16×DC24V數字輸入模塊一塊、AI 8×12Bit模擬輸入模塊兩塊。同時，還為CPU模塊配置存儲容量為64KB的微存儲卡MMC，用于存儲CUP的用戶程序(所有功能塊)、歸檔和配方、S7項目組態數據、操作系統更新和備份數據等，參見圖2。

　圖2 氣力輸送實驗系統PLC模塊配置示意圖

　　另外，系統配置研華IPC 610工控機，其性能為In Pentium Ⅲ,800MHz CPU, 256M內存，40G硬盤，64M顯存的顯卡，三星19″，純平面顯示器，帶多種通訊接口，易于擴展的ISA和PCI插槽，聲卡及音響(作報警和提示用)，配置滿足系統要求。

　　3.2 氣力輸送實驗自控系統軟件設計

　　氣力輸送實驗系統的軟件主要包括用于控制工藝流程的PLC軟件、上位機監控軟件、上位機和PLC相互的通訊軟件、數據分析與作圖軟件以及系統所要求的其他軟件。

　　(1)PLC 軟件部分設計。S7-300系列PLC的軟件設計工作是在Step 7 SIMATIC Manager中完成的，塊操作是STEP 7 PLC程序的一大特色，軟件程序功能是通過對功能塊的不斷調用實現的。因此，氣力輸送實驗系統的軟件設計可以通過對功能塊編程來實現。

　　一個完整的氣力輸送工藝流程主要包括進料、輸送、清掃三個階段，以普通無壓開泵氣力輸送方式為例，其工藝流程根據順序可分為如下幾個步驟：系統啟動—開透氣閥(透氣閥開到位)—開進料閥(進料閥開到位)—開喂料機(料位滿信號到)—關喂料機—延時T1(T1可設定，下T2、T3同)—關透氣閥、關進料閥(透氣閥、進料閥關到位)—開除塵器、開出料閥(出料閥開到位)—開一次氣閥—延時T2—開二次氣閥(料位下限到)—關一次氣閥—延時T3—關二次氣閥—關出料閥(出料閥關到位)—關除塵器—設定泵數S未到，進入下一個循環;否則，系統停止。

　　根據上述工藝要求，該氣力輸送工藝的PLC軟件組成可分為組織塊OB1、功能塊FB1、FB1的背景數據塊DB11、共享數據塊DB20、功能FC1、FC2、FC3以及循環中斷組織塊OB35幾個部分。其中，OB1是程序循環執行的主體;FB1是氣力輸送工藝流程執行主體，氣力輸送的工藝流程可通過對FB1的編程來實現;FC1的作用是實時檢測外界設備、儀表信號，并將檢測到的信號傳遞給功能塊FB1;FC2的作用是將工藝流程的執行結果傳遞給外界，以實現對外部現場設備的控制;FC3是為了和上位計算機監控軟件實現通訊而建立的功能塊，它和監控計算機共用共享數據塊DB20中的數據;為了保證系統的穩定運行，程序中設計有中斷組織塊OB35。　

　　氣力輸送系統PLC程序調用過程示意圖　　同理，按照以上方法，可以根據工藝要求對氣力輸送系統的普通無壓開泵、一次氣智能方式、有壓開泵、一次氣智能方式、普通無壓開泵、流化、流化智能方式、有壓開泵、流化、流化智能方式進行程序設計，通過建立不同的FB以實現不同的工藝和功能。

　　(2)監控軟件部分設計。監控軟件是人機交互的主要界面，是自動控制系統的重要組成部分，通常由監控軟件與和PLC通訊的軟件兩部分組成。

　　Visual Basic上位機監控軟件程序設計。由于Visual Basic采用可視化的編程環境，具有簡單易學的特性，因此，在對實驗室氣力輸送系統進行設計時，可以結合Visual Basic的編程特點并根據系統的工藝功能要求開發出符合實際應用需要的IPC監控軟件。

　　上位機與PLC通訊軟件設計。當上位監控計算機需要與PLC通信時，通信軟件的設計必須根據所采用PLC產品使用相應的通信協議，MPI(Muti-Point-Interface)便是集成在西門子公司的可編程序控制器、操作員界面和編程器上用于建立小型的通信網絡的集成通信接口。為解決PC與SIEMENS PLC之間的通訊，西門子公司的PRODAVE函數包提供有一系列已經測試的DLL(動態鏈接庫)或LIB(庫)功能函數，為程序建立與S7-200、S7-300 系列PLC通訊提供了極大的方便。

　　PRODAVE的函數可分為基本函數、數據處理函數和服務函數(eService Functions)。基本函數用于建立、斷開和激活PC與PLC的連接，以及讀、寫PLC中的各種數據。數據處理函數用于PC中用戶數據的轉換和處理。服務函數用于PC通過線與PLC建立連接。另外，當利用MPI通訊口進行通訊時，首先要將PC Adapter的兩端分別插在計算機的串行口和PLC CPU模塊的MPI口通訊口上，PC適配器的波特率可根據情況設為187.5 kbps或者更高。

　　氣力輸送實驗室系統中，利用Visual Basic編寫的上位機監控軟件在和S7-300 PLC進行通訊時，主要調用了load_tool、unload_tool、new_ss、db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write等函數。其中，load_tool的作用是檢查通訊、對通訊參數初始化;new_ss用于上位機需要和PLC進行數據交換時，進行通訊檢查并激活通訊連接;db_read、db_wtite、d_field_read、d_field_write分別用來對S7-300系列PLC的數據單元(WORD或BYTE)進行讀寫操作;unload_tool用于在退出系統以前斷開和PLC之間的通訊連接，當需要退出監控系統時可以調用此函數。

　　在對上述函數調用之前，需要在VB模塊中作類似如下的聲明，以調用相應的函數，例如，當在程序執行過程中調用load_tool函數時，可聲明如下：

　　Declare Function load_tool Lib “w95_s7m.dll” (ByVal nr As Byte, ByVal dev As String, adr As plcadrtype) As Long

　　這樣，當上位機執行到對load_tool的調用時，它會自動訪問安裝在操作系統上的w95_s7m.dll動態鏈接庫，從而可以實現初始化通訊連接的目的。

　　下面給出了氣力輸送實驗系統上位機監控軟件程序運行時實現與PLC通訊檢查并加載主監控界面功能的程序代碼。

　　Public Sub Form_Load()

　　Dim ss As String

　　Dim msg As Integer

　　plcadr(0).adr = 2

　　plcadr(0).SEGMENTID = 0

　　plcadr(0).RACKNO = 0

　　plcadr(0).SLOTNO = 2

　　plcadr(1).adr = 0

　　plcadr(1).SEGMENTID = 0

　　plcadr(1).RACKNO = 0

　　plcadr(1).SLOTNO = 2

　　res = load_tool(1, “S7ONLINE”, plcadr(0))

　　If (res <> 0) Then

　　ss = “通訊失敗，無法建立連接!”

　　msg = MsgBox(ss, vbExclamation + vbRetryCancel, “提示信息!”)

　　If msg = 4 Then Call Form_Load

　　Else： maincontr.Show

　　End If

　　End Sub

　　上述代碼執行時，用戶啟動上位機監控系統軟件，軟件首先檢查是否有在線的PLC連接，如果在線連接成功，即上位監控計算機經由適配器與PLC的CPU模塊通訊無誤，那么系統將執maincontr.Show語句，顯示主監控界面。否則，將顯示“提示信息”對話框，提示操作人員無法與PLC建立通訊，操作人員應當檢查通信線路，然后重試建立連接，或者取消連接檢查而直接查看監控畫面。

　　上位機監控軟件中其它諸如數據采集、狀態顯示、實時控制等方面功能的實現與此類似，不再贅述。

　　(3)數據采集與分析軟件設計。數據采集與分析是實驗系統重要組成部分，是改進系統和完善工藝的理論依據和科學基礎。為了滿足工藝研究人員對采集數據多方面的查看與分析要求，對實驗數據的處理與分析可借助于專門的工程軟件MATLAB來實現。

圖4 實驗數據作圖GUI對話框

　　圖4是在GUI環境下開發的對采集數據進行作圖的初始對話框，它主要由兩個操作按鈕和文字提示信息組成。使用時，操作人員可通過點擊“上載”按鈕來采集數據所在位置，然后，系統將自動繪制各采集模擬量的MATLAB圖形，當操作人員點擊“取消”按鈕時，將關閉該對話框并返回。　上述的用戶界面在MATLAB中保存為兩個文件，它們分別時SF.m和SF.fig，其中SF.m為“上載”按鈕的調用(Callback)函數，函數主要內容如下所示：

　　function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

　　Mpic

　　function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

　　close

　　其中，pushbutton1、pushbutton2分別是提示對話框中兩個操作按鈕的名稱，而Mpic是被調用的又一M-file，作用是根據需要對采集到的各量繪制其MATLAB圖形。作為示例，圖5給出的是繪制倉泵重量隨時間變化圖形的M-file代碼及趨勢圖。

　　clear

　　x=load(‘E：/matlab6p5p1/work/數據/009.txt’)

　　t=1：360

　　plot(t,x(：,7),‘.-k’)

　　title(‘Container Weight (Kg)’)

　　ylabel(‘DATA NO. 9’,‘fontsize’,12)

　　xlabel(‘TIME (S)’,‘fontsize’,10)

　　4 結束語

　　根據上述的氣力輸送實驗系統，我們以粉煤灰為輸送介質，通過對有壓、無壓、流化等不同工藝流程進行氣力輸送，為粉煤灰氣力輸送系統的研究和現場工程實施提供了大量的參考數據和設計依據。同時，借助本文所構造的氣力輸送實驗系統，并通過在該實驗平臺上的氣力輸送實驗，我們完成了江蘇靖江熱電廠粉煤灰氣力輸送系統與上海外高橋熱電廠煙氣脫硫工程石灰石粉氣力輸送系統的設計，并在工程實際實施過程中為現場工作的順利開展提供了大量的指導。

　　通過將該氣力輸送實驗系統與工業應用實際相結合，并通過在該實驗系統上的多次實驗，本文所設計的氣力輸送系統可以很大程度地改進目前在氣力輸送領域所存在的問題，優化當前的氣力輸送系統結構，并為以后氣力輸送的發展與應用提供新的思路，具有廣泛的實際應用價值。