石淼

摘 要： 根據(jù)管節(jié)立式蒸養(yǎng)工藝要求，采用西門子S7?300系列PLC，開發(fā)了基于西門子組態(tài)軟件WINCC及編程軟件STEP7的控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的人機界面的實現(xiàn)及軟件設(shè)計。實踐表明，該系統(tǒng)工作可靠、自動化程度高。

關(guān)鍵詞： 立式蒸養(yǎng)； PLC； 溫度控制； STEP7

中圖分類號： TN911.7?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0126?03

Implementation and testing of vertical steam?curing control system of pipe pile

SHI Miao

（Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222006， China）

Abstract： Accordings to the request of vertical steam?curing of pipe pile， the control system bases on WINCC and STEP7 was developed with Siemens S7?300 PLC. The software design and realization of human?machine interface are presents. The actual application shows that the system is reliable and has high degree of automation.

Keywords： vertical steam?curing； PLC； temperature control； STEP7

0 引 言

蒸養(yǎng)作為高品質(zhì)混凝土產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中的一道關(guān)鍵工序主要用于在規(guī)定的時間范圍內(nèi)使混凝土保持適當(dāng)?shù)臏囟?，以使混凝土的品質(zhì)及耐久性得到可靠的保證。由于工藝過程長達(dá)十多小時，如采用人工監(jiān)控的方法來實現(xiàn)，很容易出人為的差錯，控制的精度也很難保證。本文通過對管節(jié)立式蒸養(yǎng)系統(tǒng)控制過程的研究，提出了基于西門子S7?300系列PLC及WINCC的監(jiān)控系統(tǒng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。

1 工藝簡介

管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)通過PLC實現(xiàn)30路共60部加熱窯的溫度控制，具有實時監(jiān)視、打印表格、溫度曲線、超溫報警、歷史資料保存，報表數(shù)據(jù)打印等功能。系統(tǒng)采集現(xiàn)場鉑電阻溫度信號，通過開關(guān)蒸汽電磁閥實現(xiàn)溫度按照分段控制曲線調(diào)節(jié)。溫度分段控制至少6段，控制精度≤±1℃，溫度范圍為10～120 ℃，分段控制溫度曲線斜率可隨意設(shè)定，有手動?自動切換功能。每路配有獨立的顯示溫度表頭，可單獨對故障支路實行手動控制。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)由操作員站和控制柜組成。操作員站采用研華工控機?？刂撇糠植捎梦鏖T子S7?300系列PLC。S7?300 是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用。模塊化，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得S7?300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟的解決方案。S7?300具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴展模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴大并且愈加復(fù)雜時，可隨時使用附加模塊對PLC 進行擴展。

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)選用CPU 314作為主控制單元，通過8路SM331 RTD模塊采集現(xiàn)場鉑電阻信號，由32路DC 24 V數(shù)字量輸出模塊控制蒸汽電磁閥的開啟與關(guān)斷。在控制柜上配有觸摸屏，操作員站、PLC與觸摸屏通過多點接口（MPI）進行通信。當(dāng)操作員站出現(xiàn)故障時，操作人員完全可以通過觸摸屏完成所有的設(shè)置以及操作，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的連接如圖1所示。

3 人機界面設(shè)計

人機界面的設(shè)計主要通過西門子組態(tài)軟件WINCC來完成。WinCC是運行于Windows 2000和XP下的Windows控制中心，是一個模塊化、可延展的系統(tǒng)，擴展非常靈活。可用于操作和監(jiān)控、報警、記錄、歸檔和管理等。

圖1 控制系統(tǒng)連接圖

人機界面主要由加熱窯分布圖、表格數(shù)據(jù)、溫度趨勢圖、溫度控制折線設(shè)定及報警查詢五部分組成，通過點擊按鈕即可進入相對應(yīng)的界面。開機后系統(tǒng)自動進入加熱窯分布圖的操作界面。加熱窯分布圖集中顯示所有加熱窯當(dāng)前狀態(tài)、蒸汽電磁閥狀態(tài)、實時溫度以及報警情況。通過單擊加熱窯圖標(biāo)，即可進入相應(yīng)加熱窯控制對話框（見圖2）。在對話框中集成了自動運行、停止以及跳入下一階段三個按鈕并對閥門狀態(tài)、實際溫度、設(shè)定溫度、當(dāng)前階段號以及運行時間進行集中顯示。通過點擊自動運行按鈕，程序即按照溫度控制折線設(shè)定界面設(shè)定的參數(shù)自動運行，在運行期間如果需要跳出本步序溫度設(shè)定曲線使溫度按照下一步序溫度設(shè)定曲線運行只需點擊跳入下一階段按鈕即可，此時對話框中相應(yīng)的參數(shù)也隨之自動調(diào)整。

圖2 加熱窯控制對話框

表格數(shù)據(jù)中集成了所有加熱窯狀態(tài)、設(shè)定溫度、實際溫度、閥門狀態(tài)、當(dāng)前階段號、當(dāng)前階段運行時間等的信息。趨勢圖中包含所有加熱窯的溫度趨勢，點擊任一個按鈕即可進入相應(yīng)的趨勢圖。點擊全景圖上的“報警查詢”按鈕既可進入報警頁面，該頁面既可顯示實時及以前的報警信息，又可以查看消除報警的信息。

點擊任一界面上的“溫度控制折線設(shè)定”按鈕即可進入溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面。操作員根據(jù)需要可以設(shè)定最多十個階段的溫度及各階段對應(yīng)的時間值。設(shè)定完成后按“刷新”按鈕，系統(tǒng)即可按照編定的程序?qū)⒃O(shè)定值在曲線圖上顯示出來。當(dāng)加熱窯開始運行后，相應(yīng)的溫度趨勢圖上也將同時顯示設(shè)定曲線和實際溫度曲線，以便操作人員時時對比觀察相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用西門子STEP7編程。STEP7是一種用于對SIMATIC可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是SIMATIC工業(yè)軟件的一部分。STEP7支持梯形圖、語句表及功能塊圖的編程方式。編程人員可根據(jù)需要靈活選擇編程方式，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

當(dāng)現(xiàn)場準(zhǔn)備完畢，操作人員點擊自動運行按鈕后，程序進入自動運行狀態(tài)。首先初始化程序，初始化程序完成對當(dāng)前步序號、當(dāng)前步序時間設(shè)定值、當(dāng)前步序時間計數(shù)器值、上次設(shè)定溫度的置數(shù)并將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的初始溫度賦值給本次設(shè)定溫度。計時器計時6 min后，當(dāng)前步序時間計數(shù)器值加1，調(diào)用有參功能FC2（見圖4），程序?qū)?dāng)前步序時間計數(shù)器值及其他參數(shù)賦值給FC2，F(xiàn)C2根據(jù)程序計算出當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，該值作為PID調(diào)節(jié)功能的輸入?yún)?shù)被賦值給由連續(xù)控制器FC41及脈沖發(fā)生器FC43組成的PID控制器。PID控制器經(jīng)過PID計算輸出控制電磁閥開關(guān)的脈沖信號。此時比較現(xiàn)場反饋值與當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，當(dāng)現(xiàn)場反饋值小于當(dāng)前步序溫度設(shè)定值時開閥，否則關(guān)閥。在當(dāng)前步序時間計數(shù)器值等于設(shè)定值以及跳步指令為1時FC2產(chǎn)生步序結(jié)束指令。當(dāng)步序結(jié)束指令為1時，對跳步指令復(fù)位，對當(dāng)前步序時間計數(shù)器值置0，當(dāng)前步序號加1，調(diào)用有參功能FC4，將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的下一步序相關(guān)參數(shù)賦值給程序中對應(yīng)的參數(shù)，之后程序按照下一步序設(shè)定參數(shù)運行。

4.1 調(diào)用有參功能

有參功能是指編輯功能（FC）時在局部變量聲明表內(nèi)定義了形參，在功能中使用了虛擬的符號地址完成控制程序的編程，以便在其他塊中能重復(fù)調(diào)用有參功能。有參功能可以被程序任意調(diào)用，在調(diào)用時需用實參給形參賦值。由于管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)由30路共60部相同配置、完成相同功能的加熱窯系統(tǒng)組成，勢必出現(xiàn)大量內(nèi)容相同僅僅是參數(shù)不同的程序，此時不妨通過調(diào)用有參功能來減少編程時間，降低存儲器用量。以調(diào)用有參功能FC2為例，各路加熱窯系統(tǒng)僅需在調(diào)用FC2時使用各自當(dāng)前步序的實參賦值給相對應(yīng)的形參后，有參功能FC2即可按照程序計算出本步序設(shè)定溫度并判斷步序是否結(jié)束。

圖4 有參功能FC2流程圖

4.2 PID調(diào)節(jié)

溫度控制作為蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，對產(chǎn)品品質(zhì)有著極大的影響。由于整個系統(tǒng)通過開關(guān)蒸汽電磁閥實現(xiàn)對加熱蒸汽的控制，所以系統(tǒng)采用由連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”實現(xiàn)對溫度的PID調(diào)節(jié)。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（連續(xù)控制器）用于使用連續(xù)的I/O變量在SIMATIC S7控制系統(tǒng)中控制技術(shù)過程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器）可以用于為PID控制器使用比例執(zhí)行機構(gòu)的脈沖輸出。使用脈沖發(fā)生器，可以通過脈沖寬度調(diào)制，組態(tài)PID兩步或三級控制器。

程序調(diào)用連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，將根據(jù)有參功能FC2計算出的當(dāng)前步序溫度設(shè)定值賦值給“SP_INT”端，與“PV_IN”端的實際值比較，按照設(shè)定的PID參數(shù)計算出溫度的PID計算輸出值（“LMN”端）。延時一定時間后將延時結(jié)束時通過連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41計算出的溫度的PID計算輸出值賦值給脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的輸入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量“INV”轉(zhuǎn)換為一個恒定周期的脈沖串，發(fā)出電磁閥自動控制指令，從而通過開關(guān)電磁閥實現(xiàn)蒸汽量的調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)測試

開發(fā)工作不可避免地會引入錯誤，因此系統(tǒng)開發(fā)完后，要對整個系統(tǒng)進行測試，便于在實驗室階段能及時發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，用盡可能少的投入發(fā)現(xiàn)盡可能多的問題和錯誤，減少正式投產(chǎn)時由于軟件缺陷給用戶帶來的損失。

5.1 測試環(huán)境搭建

要進行系統(tǒng)的測試，首先要搭建系統(tǒng)測試環(huán)境。由于在測試過程中并未連接真實的設(shè)備，采用信號源、電壓源等設(shè)備來模擬現(xiàn)場設(shè)備采集信號，使用萬用表、示波器等設(shè)備來測量系統(tǒng)輸出信號。測試環(huán)境連接示意如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境連接示意圖

5.2 測試過程分析

系統(tǒng)運行時，PLC控制器采集現(xiàn)場各參數(shù)值參與過程控制，并向各設(shè)備輸出控制命令。同時，與組態(tài)軟件進行信息交互，上傳參數(shù)值并響應(yīng)用戶指令。綜合考慮組態(tài)軟件的特點，控制系統(tǒng)的測試需要覆蓋到以下幾個方面：

（1） 主程序測試。主要測試組態(tài)軟件的起動方式、菜單管理、系統(tǒng)畫面顯示與切換、操作響應(yīng)等的正確性。

（2） 參數(shù)的數(shù)值顯示測試。組態(tài)軟件顯示現(xiàn)場參數(shù)采集值，測試采集輸入值與顯示值是否一致。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→數(shù)據(jù)顯示→比較輸入與顯示的一致性。

（3） 控制過程的測試。控制器根據(jù)采集到的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，自動進行過程控制，測試控制器的輸出信號是否正確。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→讀取數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→輸出結(jié)果→測量輸出→驗證輸出的正確性。

（4） 組態(tài)數(shù)據(jù)庫的測試。組態(tài)數(shù)據(jù)庫包括組態(tài)和實際測試階段生成的各種組態(tài)數(shù)據(jù)（歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），如系統(tǒng)配置文件、測試文件、報表組態(tài)文件、以及變量表等。用戶可根據(jù)需要查詢，并可將其做成測試報表的形式打印出來。

（5） 實時趨勢與歷史趨勢的測試。組態(tài)軟件可以對模擬量進行記錄。選擇參數(shù)，可以通過改變當(dāng)前參數(shù)值來查看實時趨勢顯示的正確性；輸入查詢時間，查看一段時間參數(shù)值的歷史趨勢顯示的正確性。

（6） 異常輸入數(shù)據(jù)的測試。參數(shù)輸入類型包括模擬量、開關(guān)量。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)范圍超過了參數(shù)的設(shè)定范圍，測試系統(tǒng)是否能夠進行保護。

6 結(jié) 語

本文介紹了基于西門子自動化系列產(chǎn)品的管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與測試。應(yīng)用該系統(tǒng)減少了對能源及原材料的消耗，提高了生產(chǎn)效率，降低了人員及生產(chǎn)成本。同時，經(jīng)過測試大大降低了系統(tǒng)的缺陷，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了較好的社會效益及經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

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4 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用西門子STEP7編程。STEP7是一種用于對SIMATIC可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是SIMATIC工業(yè)軟件的一部分。STEP7支持梯形圖、語句表及功能塊圖的編程方式。編程人員可根據(jù)需要靈活選擇編程方式，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

當(dāng)現(xiàn)場準(zhǔn)備完畢，操作人員點擊自動運行按鈕后，程序進入自動運行狀態(tài)。首先初始化程序，初始化程序完成對當(dāng)前步序號、當(dāng)前步序時間設(shè)定值、當(dāng)前步序時間計數(shù)器值、上次設(shè)定溫度的置數(shù)并將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的初始溫度賦值給本次設(shè)定溫度。計時器計時6 min后，當(dāng)前步序時間計數(shù)器值加1，調(diào)用有參功能FC2（見圖4），程序?qū)?dāng)前步序時間計數(shù)器值及其他參數(shù)賦值給FC2，F(xiàn)C2根據(jù)程序計算出當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，該值作為PID調(diào)節(jié)功能的輸入?yún)?shù)被賦值給由連續(xù)控制器FC41及脈沖發(fā)生器FC43組成的PID控制器。PID控制器經(jīng)過PID計算輸出控制電磁閥開關(guān)的脈沖信號。此時比較現(xiàn)場反饋值與當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，當(dāng)現(xiàn)場反饋值小于當(dāng)前步序溫度設(shè)定值時開閥，否則關(guān)閥。在當(dāng)前步序時間計數(shù)器值等于設(shè)定值以及跳步指令為1時FC2產(chǎn)生步序結(jié)束指令。當(dāng)步序結(jié)束指令為1時，對跳步指令復(fù)位，對當(dāng)前步序時間計數(shù)器值置0，當(dāng)前步序號加1，調(diào)用有參功能FC4，將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的下一步序相關(guān)參數(shù)賦值給程序中對應(yīng)的參數(shù)，之后程序按照下一步序設(shè)定參數(shù)運行。

4.1 調(diào)用有參功能

有參功能是指編輯功能（FC）時在局部變量聲明表內(nèi)定義了形參，在功能中使用了虛擬的符號地址完成控制程序的編程，以便在其他塊中能重復(fù)調(diào)用有參功能。有參功能可以被程序任意調(diào)用，在調(diào)用時需用實參給形參賦值。由于管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)由30路共60部相同配置、完成相同功能的加熱窯系統(tǒng)組成，勢必出現(xiàn)大量內(nèi)容相同僅僅是參數(shù)不同的程序，此時不妨通過調(diào)用有參功能來減少編程時間，降低存儲器用量。以調(diào)用有參功能FC2為例，各路加熱窯系統(tǒng)僅需在調(diào)用FC2時使用各自當(dāng)前步序的實參賦值給相對應(yīng)的形參后，有參功能FC2即可按照程序計算出本步序設(shè)定溫度并判斷步序是否結(jié)束。

圖4 有參功能FC2流程圖

4.2 PID調(diào)節(jié)

溫度控制作為蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，對產(chǎn)品品質(zhì)有著極大的影響。由于整個系統(tǒng)通過開關(guān)蒸汽電磁閥實現(xiàn)對加熱蒸汽的控制，所以系統(tǒng)采用由連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”實現(xiàn)對溫度的PID調(diào)節(jié)。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（連續(xù)控制器）用于使用連續(xù)的I/O變量在SIMATIC S7控制系統(tǒng)中控制技術(shù)過程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器）可以用于為PID控制器使用比例執(zhí)行機構(gòu)的脈沖輸出。使用脈沖發(fā)生器，可以通過脈沖寬度調(diào)制，組態(tài)PID兩步或三級控制器。

程序調(diào)用連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，將根據(jù)有參功能FC2計算出的當(dāng)前步序溫度設(shè)定值賦值給“SP_INT”端，與“PV_IN”端的實際值比較，按照設(shè)定的PID參數(shù)計算出溫度的PID計算輸出值（“LMN”端）。延時一定時間后將延時結(jié)束時通過連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41計算出的溫度的PID計算輸出值賦值給脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的輸入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量“INV”轉(zhuǎn)換為一個恒定周期的脈沖串，發(fā)出電磁閥自動控制指令，從而通過開關(guān)電磁閥實現(xiàn)蒸汽量的調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)測試

開發(fā)工作不可避免地會引入錯誤，因此系統(tǒng)開發(fā)完后，要對整個系統(tǒng)進行測試，便于在實驗室階段能及時發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，用盡可能少的投入發(fā)現(xiàn)盡可能多的問題和錯誤，減少正式投產(chǎn)時由于軟件缺陷給用戶帶來的損失。

5.1 測試環(huán)境搭建

要進行系統(tǒng)的測試，首先要搭建系統(tǒng)測試環(huán)境。由于在測試過程中并未連接真實的設(shè)備，采用信號源、電壓源等設(shè)備來模擬現(xiàn)場設(shè)備采集信號，使用萬用表、示波器等設(shè)備來測量系統(tǒng)輸出信號。測試環(huán)境連接示意如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境連接示意圖

5.2 測試過程分析

系統(tǒng)運行時，PLC控制器采集現(xiàn)場各參數(shù)值參與過程控制，并向各設(shè)備輸出控制命令。同時，與組態(tài)軟件進行信息交互，上傳參數(shù)值并響應(yīng)用戶指令。綜合考慮組態(tài)軟件的特點，控制系統(tǒng)的測試需要覆蓋到以下幾個方面：

（1） 主程序測試。主要測試組態(tài)軟件的起動方式、菜單管理、系統(tǒng)畫面顯示與切換、操作響應(yīng)等的正確性。

（2） 參數(shù)的數(shù)值顯示測試。組態(tài)軟件顯示現(xiàn)場參數(shù)采集值，測試采集輸入值與顯示值是否一致。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→數(shù)據(jù)顯示→比較輸入與顯示的一致性。

（3） 控制過程的測試。控制器根據(jù)采集到的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，自動進行過程控制，測試控制器的輸出信號是否正確。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→讀取數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→輸出結(jié)果→測量輸出→驗證輸出的正確性。

（4） 組態(tài)數(shù)據(jù)庫的測試。組態(tài)數(shù)據(jù)庫包括組態(tài)和實際測試階段生成的各種組態(tài)數(shù)據(jù)（歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），如系統(tǒng)配置文件、測試文件、報表組態(tài)文件、以及變量表等。用戶可根據(jù)需要查詢，并可將其做成測試報表的形式打印出來。

（5） 實時趨勢與歷史趨勢的測試。組態(tài)軟件可以對模擬量進行記錄。選擇參數(shù)，可以通過改變當(dāng)前參數(shù)值來查看實時趨勢顯示的正確性；輸入查詢時間，查看一段時間參數(shù)值的歷史趨勢顯示的正確性。

（6） 異常輸入數(shù)據(jù)的測試。參數(shù)輸入類型包括模擬量、開關(guān)量。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)范圍超過了參數(shù)的設(shè)定范圍，測試系統(tǒng)是否能夠進行保護。

6 結(jié) 語

本文介紹了基于西門子自動化系列產(chǎn)品的管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與測試。應(yīng)用該系統(tǒng)減少了對能源及原材料的消耗，提高了生產(chǎn)效率，降低了人員及生產(chǎn)成本。同時，經(jīng)過測試大大降低了系統(tǒng)的缺陷，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了較好的社會效益及經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

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4 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用西門子STEP7編程。STEP7是一種用于對SIMATIC可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是SIMATIC工業(yè)軟件的一部分。STEP7支持梯形圖、語句表及功能塊圖的編程方式。編程人員可根據(jù)需要靈活選擇編程方式，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

當(dāng)現(xiàn)場準(zhǔn)備完畢，操作人員點擊自動運行按鈕后，程序進入自動運行狀態(tài)。首先初始化程序，初始化程序完成對當(dāng)前步序號、當(dāng)前步序時間設(shè)定值、當(dāng)前步序時間計數(shù)器值、上次設(shè)定溫度的置數(shù)并將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的初始溫度賦值給本次設(shè)定溫度。計時器計時6 min后，當(dāng)前步序時間計數(shù)器值加1，調(diào)用有參功能FC2（見圖4），程序?qū)?dāng)前步序時間計數(shù)器值及其他參數(shù)賦值給FC2，F(xiàn)C2根據(jù)程序計算出當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，該值作為PID調(diào)節(jié)功能的輸入?yún)?shù)被賦值給由連續(xù)控制器FC41及脈沖發(fā)生器FC43組成的PID控制器。PID控制器經(jīng)過PID計算輸出控制電磁閥開關(guān)的脈沖信號。此時比較現(xiàn)場反饋值與當(dāng)前步序溫度設(shè)定值，當(dāng)現(xiàn)場反饋值小于當(dāng)前步序溫度設(shè)定值時開閥，否則關(guān)閥。在當(dāng)前步序時間計數(shù)器值等于設(shè)定值以及跳步指令為1時FC2產(chǎn)生步序結(jié)束指令。當(dāng)步序結(jié)束指令為1時，對跳步指令復(fù)位，對當(dāng)前步序時間計數(shù)器值置0，當(dāng)前步序號加1，調(diào)用有參功能FC4，將溫度分段控制參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定的下一步序相關(guān)參數(shù)賦值給程序中對應(yīng)的參數(shù)，之后程序按照下一步序設(shè)定參數(shù)運行。

4.1 調(diào)用有參功能

有參功能是指編輯功能（FC）時在局部變量聲明表內(nèi)定義了形參，在功能中使用了虛擬的符號地址完成控制程序的編程，以便在其他塊中能重復(fù)調(diào)用有參功能。有參功能可以被程序任意調(diào)用，在調(diào)用時需用實參給形參賦值。由于管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)由30路共60部相同配置、完成相同功能的加熱窯系統(tǒng)組成，勢必出現(xiàn)大量內(nèi)容相同僅僅是參數(shù)不同的程序，此時不妨通過調(diào)用有參功能來減少編程時間，降低存儲器用量。以調(diào)用有參功能FC2為例，各路加熱窯系統(tǒng)僅需在調(diào)用FC2時使用各自當(dāng)前步序的實參賦值給相對應(yīng)的形參后，有參功能FC2即可按照程序計算出本步序設(shè)定溫度并判斷步序是否結(jié)束。

圖4 有參功能FC2流程圖

4.2 PID調(diào)節(jié)

溫度控制作為蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，對產(chǎn)品品質(zhì)有著極大的影響。由于整個系統(tǒng)通過開關(guān)蒸汽電磁閥實現(xiàn)對加熱蒸汽的控制，所以系統(tǒng)采用由連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”實現(xiàn)對溫度的PID調(diào)節(jié)。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（連續(xù)控制器）用于使用連續(xù)的I/O變量在SIMATIC S7控制系統(tǒng)中控制技術(shù)過程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器）可以用于為PID控制器使用比例執(zhí)行機構(gòu)的脈沖輸出。使用脈沖發(fā)生器，可以通過脈沖寬度調(diào)制，組態(tài)PID兩步或三級控制器。

程序調(diào)用連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，將根據(jù)有參功能FC2計算出的當(dāng)前步序溫度設(shè)定值賦值給“SP_INT”端，與“PV_IN”端的實際值比較，按照設(shè)定的PID參數(shù)計算出溫度的PID計算輸出值（“LMN”端）。延時一定時間后將延時結(jié)束時通過連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41計算出的溫度的PID計算輸出值賦值給脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的輸入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量“INV”轉(zhuǎn)換為一個恒定周期的脈沖串，發(fā)出電磁閥自動控制指令，從而通過開關(guān)電磁閥實現(xiàn)蒸汽量的調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)測試

開發(fā)工作不可避免地會引入錯誤，因此系統(tǒng)開發(fā)完后，要對整個系統(tǒng)進行測試，便于在實驗室階段能及時發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，用盡可能少的投入發(fā)現(xiàn)盡可能多的問題和錯誤，減少正式投產(chǎn)時由于軟件缺陷給用戶帶來的損失。

5.1 測試環(huán)境搭建

要進行系統(tǒng)的測試，首先要搭建系統(tǒng)測試環(huán)境。由于在測試過程中并未連接真實的設(shè)備，采用信號源、電壓源等設(shè)備來模擬現(xiàn)場設(shè)備采集信號，使用萬用表、示波器等設(shè)備來測量系統(tǒng)輸出信號。測試環(huán)境連接示意如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境連接示意圖

5.2 測試過程分析

系統(tǒng)運行時，PLC控制器采集現(xiàn)場各參數(shù)值參與過程控制，并向各設(shè)備輸出控制命令。同時，與組態(tài)軟件進行信息交互，上傳參數(shù)值并響應(yīng)用戶指令。綜合考慮組態(tài)軟件的特點，控制系統(tǒng)的測試需要覆蓋到以下幾個方面：

（1） 主程序測試。主要測試組態(tài)軟件的起動方式、菜單管理、系統(tǒng)畫面顯示與切換、操作響應(yīng)等的正確性。

（2） 參數(shù)的數(shù)值顯示測試。組態(tài)軟件顯示現(xiàn)場參數(shù)采集值，測試采集輸入值與顯示值是否一致。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→數(shù)據(jù)顯示→比較輸入與顯示的一致性。

（3） 控制過程的測試。控制器根據(jù)采集到的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，自動進行過程控制，測試控制器的輸出信號是否正確。測試過程的步驟如下：連接線路→施加激勵→測量輸入→讀取數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→輸出結(jié)果→測量輸出→驗證輸出的正確性。

（4） 組態(tài)數(shù)據(jù)庫的測試。組態(tài)數(shù)據(jù)庫包括組態(tài)和實際測試階段生成的各種組態(tài)數(shù)據(jù)（歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），如系統(tǒng)配置文件、測試文件、報表組態(tài)文件、以及變量表等。用戶可根據(jù)需要查詢，并可將其做成測試報表的形式打印出來。

（5） 實時趨勢與歷史趨勢的測試。組態(tài)軟件可以對模擬量進行記錄。選擇參數(shù)，可以通過改變當(dāng)前參數(shù)值來查看實時趨勢顯示的正確性；輸入查詢時間，查看一段時間參數(shù)值的歷史趨勢顯示的正確性。

（6） 異常輸入數(shù)據(jù)的測試。參數(shù)輸入類型包括模擬量、開關(guān)量。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)范圍超過了參數(shù)的設(shè)定范圍，測試系統(tǒng)是否能夠進行保護。

6 結(jié) 語

本文介紹了基于西門子自動化系列產(chǎn)品的管節(jié)立式蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與測試。應(yīng)用該系統(tǒng)減少了對能源及原材料的消耗，提高了生產(chǎn)效率，降低了人員及生產(chǎn)成本。同時，經(jīng)過測試大大降低了系統(tǒng)的缺陷，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了較好的社會效益及經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

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