【摘要】現場空調分站連接操作面板OP3對現場設備進行監控，主站上掛TP270觸摸屏對所有空調和排氣風機系統進行監控、報警和實時趨勢的顯示，主站和中央控制室上位機采用工業以太網進行通訊，上位計算機采用西門子的專用監控軟件WINCC進行監控和數據的歸檔，文中對OP3和TP270的軟件組態，網絡通訊的軟件設置，控制程序和WINCC監控軟件設計在文中都有詳細的說明。

關鍵詞：涂裝廠房  空調子系統  觸摸屏  WINCC

1 系統硬件配置實現

      廠房空調系統由于設計是定風量全空調系統，根據我們以往項目經驗經過仔細核算后，將各個區域自控系統設備選型有所區別，以適應工程之中建筑物功能的變化引起設備的變化，以滿足系統要求。本章以S1空調機組和AC1排氣風機機組硬件配置為例介紹系統硬件的搭建。

      1.1 S1空調機組硬件配置

      S1空調機組根據系統的電器原理圖紙和控制系統要求，我們把控制系統的硬件配置分析歸納，為了簡便清楚，我們繪出各部分的系統硬件配置表1。

表1 S1空調機組硬件配置表

      S1站控制柜正前方中央位置配有觸摸屏OP3，用來監控S1空調機組，S1站控制柜內部設備有：

      一、穩壓電源及UPS：由于現場環境比較惡劣，現場的風機、泵類等大功率感性負載較多，容易引起電源波動，且系統要求配備不間斷電源，故配備穩壓電源和UPS。

      二、PLC單元

      1、CPU模塊

      選用SIMATIC S7-300系列CPU 313C。它具有MPI接口，可用于中大規模的I/O配置，也可用于建立分布式I/O結構，這正適合建立與各遠程子站相接的結構。它具有64K的程序存貯器，2048個位存貯器，64個計數器，128個定時器，定時范圍為10ms～9990s。

      CPU 313C的總I/O地址空間為1024/1024字節，其中過程映像I/O為128/128字節。數字I/O總數為8192個通道，其中集中的I/O為1024個通道。模擬I/O總數為512個通道，其中集中的I/O通道數為256I/128O。每個系統可以擴展32個模塊，模塊內集成背板總線。

      2、電源模塊（PM）

      選用PS307-5A電源模塊1塊，分別給SIMATIC S7-300CPU和擴展模塊供電。S7-300需要24V直流電源，PS307負載電源模塊將120/230V交流電壓轉變為24V直流工作電壓。電源模塊安裝在DIN導軌上，緊靠在CPU的左側。使用電源連接器連接到CPU上。模塊的前面板上有電源輸出指示器LED燈、線電壓選擇開關（120/230V）、24V直流的ON/OFF開關等。

      3、數字信號模塊（DI/DO）

      通過SIMATIC S7-300的數字輸入/輸出模塊，可將狀態信號和控制信號傳送給PLC的CPU。數字I/O模塊具有以下性能與優點：

      1）結構緊湊：牢固的塑料機殼中包括綠色的LED 用來顯示輸入/輸出端的信號狀態；連接器由前蓋保護，前蓋上有標簽區。

      2）組裝簡單：模塊DIN標準導軌上，通過總線連接器與相鄰模塊相連接。

      3）方便用戶的接線：模塊通過插入式的前連接器進行接線。第一次插入連

      接器時，有一個編碼元件與之嚙合，這樣該連接器就只能插入同樣類型的模塊中。更換模塊時，可保持前連接器的接線狀態，用于同樣類型的新模塊。

      4）優化配合：可利用可以任何方式組合的模塊使輸入/輸出點數與任務相配合。5）靈活的:過程連接：可通過不同的數字執行元件和傳感器使S7-300與過程相連接。

      4、模擬信號模塊（AI/AO）

      S7-300的模擬量輸入/輸出模塊用于連接不帶附加放大器的模擬執行元件和傳感器，完成包含模擬過程的較復雜的任務。模擬量輸入模塊將擴展過程中的模擬量信號轉化為S7-300內部處理用的數字信號，與它相連的外部設備有電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻和電阻式溫度計等。它的性能和優點類似于數字量模塊。另外，它具有強大的技術優勢，不同的I/O范圍和高分辨率允許與眾多不同的模擬傳感器和執行元件相連。

      它的特性有：

      1）從9到15位+符號位分辨率可調（用于不同的轉換時間）；

      2）各種測量范圍：基本的電流/電壓測量范圍由量程卡機械設定；微調由編程裝置中的STEP7“硬件組態”功能進行設定；

      3）中斷能力：該模塊將診斷和超限中斷傳送到可編程序控制器的CPU中；

      4）診斷：該模塊將大量的診斷信息傳送給CPU。

      5、PROFIBUS總線通訊模塊CP342-5

      CP 342-5 通訊處理器是與SIMATIC S7-300 / C7-300 PLC系統配合使用的，它可以將 S7-300 /C7-300 系統連接到 PROFIBUS 現場總線系統。

      1）最新版本的CP 342-5可以提供如下的通訊服務：

      可以做為PROFIBUS–DP網絡的主站或者從站進行網絡通訊，但是要注意它不能同時做為網絡主站和從站。

      進行S7 通訊或者與編程器、操作面板通訊：

      – 編程器可以通過CP 342-5上載或下載功能模塊的組態或診斷；

      – 可以完成控制器與操作面板的通訊接口功能；

      可以和S5系列的產品完成下列類型的通訊：

      – FDL 連接；

      – 自由層的2種連接 (SDA, SDN) ；

      – 廣播功能；

      –多點傳送功能。

      2）最新版本的CP 342-5的通訊能力：

      做為主站的通訊區達2160字節；做為從站的通訊區達240字節。

      3）對CP 342-5的組態設置

      組態CP 342-5需要用STEP 7軟件，版本 V5.1以上，如果用到 FDL

      連接和診斷功能則需要安裝PROFIBUS NCM可選軟件包。

     6、S1站選件：

      1）CPU模塊S7-313C，型號：6ES7 313-5BE01-0AB0,這個CPU本身集成2個模板，1個為DI24/DO16,一個為AI5/AO2，數字量DI地址為I124.0～I126.0，DO地址為Q124.0～Q125.0,模擬量AI地址為752～761, AO地址為752～755。

      2）輸出模塊選用8點的帶繼電器輸出的SM322模塊，型號為6ES7 322-1HF01-0AA0，地址為Q12.0～Q12.7。

      3）2個4輸入/2輸出模擬量模塊SM334，型號為6ES7 334-0CE01-0AA0，地址為AI 256～263，AO 256～259。

      4）1個4路模擬量輸出模塊SM332，型號為6ES7 332-5HD01-0AB0，輸出通道地址為288～295。

      5）總線連接模塊CP342-5，型號6GK7 342-5DA02-0XE0, 提供Profibus-DP接口,與CPU模塊或其它Profibus接口設備相連，PROFIBUS 網絡地址為1。

      6）電源模塊SITOP

     它是一種直流電源模塊，輸入 AC 220V,輸出DC 24V。SITOP為現場變送器供電。

      7）PS307-5A電源模塊1塊

      為CPU和擴展模塊供電。

      1.2 AC1排氣風機機組硬件配置

      1.2.1系統硬件配置表

      1.2.2 AC1站控制柜選件

      1、控制柜：尺寸2000×800×600。

      2、電源模塊：PS307-2A。

      3、CPU模塊：S7-315-2DP，型號為6ES7 315-2AG10-0AB0,PROFIBUS 網路地址為6。

      4、2個數字量輸入模塊：SM321,型號為6ES7 321-1BH02-0AA0，地址為I0.0～I1.7, I4.0～I5.7。

      5、2個數字量輸出模塊：SM322,帶繼電器輸出，地址為Q8.0～Q8.7，Q12.0～Q12.7。

      6、1個以太網通訊模塊：CP343－1，型號為6GK7 343-1EX20-0XE0，IP地址為172.31.96.94,子網掩碼為255.255.255.0，工業以太網不使用路由器。

2 系統軟件設計

      隨著自動化技術在工業控制領域應用的成熟和普及，各工業企業采用計算機管理、指導生產的應用也越來越多。一個計算機監控系統分為下位系統和上位系統兩個部分，下位系統通常采用PLC或智能監測儀表作為數據采集和處理中心，上位系統通常以上位監控組態軟件為平臺，自主開發完成。相對于計算機上位系統而言，下位監控系統已發展成為一個相對成熟的技術，所實現的功能往往受到采用的PLC或智能監測儀表的限制，而隨著系統軟件、編程工具軟件及其它第三方應用程序的飛速發展，實現計算機上位監控系統可采用的手段越來越多。對于一個計算機上位監控系統來說，快捷的開發周期、良好的界面、支持第三方應用程序以實現強大的管理功能是一個優秀的上位組態軟件所必備的素質。在眾多的上位組態軟件中，很多進口軟件難以解決界面漢化問題，人為地增加了現場操作的難度；有的是計算功能太弱，上位所需的數據全部或大部分由下位派生計算機生成，加重了PLC的負擔，往往使梯形圖編程復雜而難以維護；有的是網絡功能太弱，各控制分站的數據交換要通過局域網實現，數據傳輸且安全性差；有的是不支持第三方應用程序而內嵌了一些上位軟件廠家的編程工具，系統開發員要閱讀大量的資料才能編程，開發周期大大延長。

      我們采用的編程軟件是西門子公司開發的STEP7軟件，上位監控軟件為西門子和微軟公司聯合開發的WINCC軟件，操作面板的圖形設計組態軟件為西門子公司的Protools。以上軟件都已經成功解決了漢化問題，而且兼容性、開放性非常好，軟件講究人性化設計，同時西門子公司提供了詳細的資料，使得用戶使用起來快捷、方便。

      2.1 空調機組和排氣風機程序編制

      程序設計采用模塊化設計的思想，先將整個程序化分為幾個功能塊，每個功能塊放到一個FC中，完成某個具體的控制功能，這樣做便于查錯和系統的維護。

      1、硬件組態如下圖1所示：

圖1 STEP7硬件組態

      2、程序塊設計

      主程序流程圖如圖2：

      3、程序塊說明

      ● 初始化功能塊OB100

      在STEP7的項目中插入OB100，初始化程序放到到OB100中，PLC系統上電后自動調用一次OB100。

      初始化程序包括：自動狀態下將風機、噴淋泵的變頻值設到50HZ，將送風閥的開度設到100％，新風閥的開度設為0，熱水閥的開度設為0；手動狀態下將風機變頻和噴淋泵變頻設為0，送風閥開度設為100％，熱水閥開度設為0。

      ● 模擬量輸入數據的轉化及顯示功能塊FC41

      此功能塊完成模擬量輸入數據的標量轉化，并且按照OP3中對數據格式的要求將數據進行一定格式的處理，傳送到相應的數據區，使得數據能夠在OP3上顯示。

      現場的傳感器將模擬量實際值轉換成0～10V信號，而AI（12位）模塊將0～10V信號經過A/D轉換，變成一個內碼數0～27648。PLC讀取的端口數字僅僅是一個內碼值，這就需要編程將此內碼數變成實際值送操作面板顯示。

      公式如下：

      送風溫度的數據轉化程序如圖3：

      先將PIW754中AI模板采集的數經過自己編的一個“AI-FACT”模塊轉化為實際值放到MD36里，此時MD36里的數據類型為實型，因為OP3中只能顯示十進制的數，顯示小數的位數是自己定義的1位，故將MD36×10，然后將將數據類型轉化為雙整型的十進制數。

      ● 風機設備的控制程序模塊FC46

       此功能塊完成空調風機變頻器、噴淋泵、循環泵、新風閥、送風閥、回風閥的本地、遠程啟停等邏輯功能控制。噴淋泵控制流程圖如圖4：

圖4 噴淋泵控制流程圖

      空調風機控制流程圖如圖5：

圖5 空調風機控制流程圖

      ● 模擬量輸出數據的轉化及相應設備控制塊FC45

      當控制閥或變頻時，需要用到模擬量輸出，這些值需要轉化為按照通道要求的輸出值0～27648，此功能塊從程序上進行一些轉化，自動和手動需要從不同的數據區對模擬量輸出賦值，此外對各個設備進行限位處理，熱水閥的最小開度限位2％，噴淋泵和風機的變頻值不能小于25HZ。自動手動開關轉換時對各個設備的參數進行初始化。

      ● 報警處理模塊FC47

      此功能塊的作用是，根據空調工藝的要求，實時檢測關鍵部位的信號，當超出范圍時產生報警信號輸出。

      ● 控制算法處理模塊FC48

      此功能塊作用是通過一定的算法對設備進行相應控制，滿足系統對送風溫度、濕度值的要求，具體算法在第八章控制策略研究中詳細說明。

      ● 網絡通訊程序模塊FC49 

      此功能塊作用是完成網絡的通訊任務編程，具體在后面網絡通訊一章中詳細說明。

      ● 系統延時

      為了減輕CPU的負載，沒有必要每個程序掃描周期都對采集的信號進行數據轉化處理，此功能塊的作用是產生不同的周期性定時信號，每150ms對采集的模擬量信號處理一次。

      2.2 TP270觸摸屏軟件設計

      TP-270介紹：TP 270 觸摸面板基于新型的標準Microsoft Windows CE 操作系統，借助于PC 世界的靈活性，它結合了專用硬件解決方案的堅固性和速度。

      TP 270面板由于提供了廣泛的產品范圍，用戶有機會選擇最適合其特定需要的單元。所有的單元包括下列優點：

      • 組態效率很高，可在組態計算機上模擬組態(不需要PLC)。

      • 通過基于Windows 的用戶界面可以對過程進行清晰地顯示和方便地操作。

      • 在組態期間有大量預定義的畫面對象可供選擇， 可動態使用畫面對象(例如移動對象)。

      • 可在配方畫面和配方視圖中簡單快速地處理配方和數據記錄，

      • 無需外部圖形編輯器，使用SIMATIC ProTool CS 組態軟件就可以創建向量圖形。

      • 下載數據時，可自動切換到下載模式，通過MPI、PROFIBUS/DP、USB 和Ethernet (以太網)傳送，或者串行下載，TeleService (遠程服務)傳送。

      • 可與SIMATIC S5/DP、SIMATIC S7 和SIMATIC 505 以及其它廠商生產的PLC 進行標準連接。

      除了典型的HMI 應用程序(使用SIMATIC ProTool 可視化)，多功能面板也支持使用諸如過程診斷，操作單元使得操作狀態、當前過程數據和關于連接的PLC 的故障能夠以圖形顯示，并且使得相關的機械設備或系統能夠被方便地監控和操作。高度防護(IP65 前側)和無需硬盤和風扇確保單元也適合直接在簡陋的工業環境中現場在各個機械設備上使用。

      TP 270的監控主畫面如圖6所示，整個監控系統共分為8部分，按下各個按鈕就會進入相應的畫面。

圖6 TP 270監控主畫面

      S1－S4送風風機畫面如圖7所示，畫面包括S1～S4空調機組的各臺設備運行狀態，紅燈表示電機停，綠燈表示電機運行；紅燈表示電機有故障，綠燈表示電機無故障。雙擊1＃機運行燈，會出現一個組態窗口，在窗口中可以設置燈的不同顏色對應它連接的PLC內部變量，將紅色對應1＃機運行變量的0值，將綠色對應1＃機運行變量的1值，其它指示燈的組態方法類似。

圖7 送風風機畫面

      空調群控畫面如圖8所示，畫面包括各個機組的手、自動狀態顯示。還有S1～S5噴淋泵的啟停控制，最上面有4個按鈕，操作時觸摸按鈕的藍色部分，按下按鈕，按鈕上面的紅色小燈變綠，松開后變紅。按下S-1～S-4及相關風機順序啟動按鈕后，S-1、S-2、S-3、S-4，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P11、P13、P14、P15、P16、P17、P18、P19、P20 、S-7、S-8順序啟動，整個過程大約2分鐘；按下S1～S4及相關風機順序停止按鈕后，上面的設備反方向關閉。按下S－5及相關風機順序啟動按鈕后，S－5、P7、P9順序啟動；按下S－5及相關風機順序停止按鈕后，上面的設備反方向關閉。

圖8 空調群控畫面

      當S1～S4及相關風機正常啟動后，空調系統狀態顯示為好，否則顯示為不好，畫面中還有微正壓值顯示和設定微正壓值，設定范圍為0～100Pa,設定微正壓時，觸摸設定值的區域，此時彈出一個數字面板，按下相應數字，再按確認鍵，設定完成。按下微正壓調節按鈕，空調機組進行微正壓自動聯控，按鈕由紅色變綠色表示啟動調節，再按一下，按鈕顏色變紅表示停止調節。
 用戶登陸按鈕用來調出操作密碼畫面，輸入密碼后方可進行有效操作，系統在5分鐘后自動退出登陸，登陸密碼和自動退出時間都在ProTool軟件中設置。

       2.3 上位監測系統WINCC軟件編制
       在該系統中WinCC主要完成對整個生產線的實時監控，包括空調排風系統的群起群停控制、系統各種運行參數的采集、設備故障狀態顯示，以及報警記錄及各個生產設備的數據匯總，生成報表，定時打印和操作人員操作記錄等功能。
       上位監控系統有5部分組成：
       1、系統監控畫面是上位監控系統的核心部分，主要包括整個生產線總攬畫面、空調機組畫面、排風機組畫面。在每個監控畫面中，按照工藝流程順序組織各種設備，操作人員可以監視各種工藝參數及設備運行情況。
       2、數據歸檔畫面主要表格及曲線的形式顯示現場儀表采集上來的數據，具有實時及歷史曲線打印和歷史數據查詢的功能，歷史數據的時間段在三個月內可自由選擇。
       3、報表打印畫面能夠按照完成統一要求的格式進行歷史及在線的數據報表及曲線打印，對于報警信息可實現在線打印。
       4、報警畫面可以提供最近一千次的報警信息內容查詢，包括報警時間、故障地點及部分故障原因。
       5、在該系統中報警信息條、操作權限信息及更改按鈕貫穿于每個操作界面，使操作員在每個畫面操作時，都不會錯過任何重要信息。操作權限可根據操作員身份的不同而設定，并可以在在線狀態下修改個人密碼，工程師應具有最高權限。
       起停按鈕組態說明：
       設備的遠程控制也是靠標簽連接按鈕來實現的，首先在WINCC中建立群起標簽all_start，讓它和主站PLC中的啟動位相連，在按鈕的屬性中選擇“事件”中的“釋放鼠標左鍵”，對其中的C動作如下進行編譯，來進行設備的啟、停控制。
#include "apdefap.h"
void OnLButtonUp(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName, UINT nFlags, int x, int y)
{SetTagBit("all_start",1);
SetTagBit("all_start ",0);
END
}

3 結束語
       本文重點介紹了涂裝廠房空調監控子系統的軟件和硬件設計過程，從空調機組和排氣風機機組分別介紹了硬件配置和編程編制，并遵循可視化監控的要求進行了觸摸屏監控軟件的設計以及控制室監控軟件的編制，達到了高自動化監控管理的 要求。