李 靜 董 斌 熊聯(lián)友 霍志勇 劉立強(qiáng)

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所搭建了一套氣體分離實(shí)驗(yàn)臺，該實(shí)驗(yàn)臺包括:無油壓縮機(jī)，凍干機(jī)，膜分離器，干燥器，50 W@80 K低溫制冷機(jī)，實(shí)驗(yàn)冷箱、回?zé)崞?，低溫冷阱、真空分子泵機(jī)組等相關(guān)設(shè)備以及測控系統(tǒng)(含3支溫度傳感器、4支壓力傳感器、2支流量計(jì)，繼電器，加熱器及PLC)。實(shí)驗(yàn)臺流程如圖1所示。由流程圖中可見，空氣進(jìn)入無油壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮后進(jìn)入凍干機(jī)濾除水分，先后進(jìn)入膜分離器和干燥器，得到氮?dú)饧兌瓤烧{(diào)節(jié)的粗氮，再進(jìn)入冷箱中的活性炭冷阱，進(jìn)行進(jìn)一步的分離與提純，得到高純氮?dú)?。冷阱由制冷機(jī)提供冷卻，可工作在80—300 K溫區(qū)。

圖1 氣體分離實(shí)驗(yàn)臺流程圖Fig.1 PFD of gas separation test rig

該實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)要求能實(shí)現(xiàn)對制冷機(jī)的遠(yuǎn)程自動控制，包括遠(yuǎn)程啟停、遠(yuǎn)程目標(biāo)溫度設(shè)置等，還要求能實(shí)現(xiàn)對冷箱加熱器的自動控制，以及能實(shí)時顯示和記錄各測量參數(shù)。為滿足測控系統(tǒng)要求，搭建了一套基于西門子PLC S7-200的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用西門子PLC S7-200，CPU選用224XPCN，采用西門子熱電阻模塊 EM231 RTD，模擬量輸入模塊 EM231 AI，采用PID回路控制冷箱加熱器通斷?；谖鏖T子S7-200PLC自由口通信原理，西門子PLC S7-200作為上位機(jī)，制冷機(jī)為下位機(jī)，開發(fā)了一套通信程序，實(shí)現(xiàn)了對制冷機(jī)的遠(yuǎn)程控制。利用三維力控組態(tài)軟件ForceControl 7.0開發(fā)了一套人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了對各測量參數(shù)的在線顯示和記錄。

本文主要介紹這套測控系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹基于西門子PLC S7-200的自由口通信程序。

2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件組成

根據(jù)氣體分離實(shí)驗(yàn)臺對測控系統(tǒng)的要求，對測控系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件主要由上位PC機(jī)、PLC，溫度傳感器、壓力變送器、流量計(jì)，繼電器，加熱器等組成。上位PC機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行三維力控組態(tài)軟件，完成圖形及動畫顯示，數(shù)據(jù)處理等。測控系統(tǒng)框架圖如圖2所示，PLC CPU的第一個通信口Port0利用PC/PPI編程電纜連接制冷機(jī)的串口，用于PLC和制冷機(jī)的自由口通信。PLC CPU的第二個通信口Port1利用U口編程電纜和上位PC機(jī)連接，用于PLC和三維力控開發(fā)的人機(jī)界面的通信。上位機(jī)在線實(shí)時監(jiān)控、記錄并顯示數(shù)據(jù);PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時控制命令。

本測控系統(tǒng)是基于西門子PLC S7-200搭建。西門子PLC S7-200是西門子PLC中的小型機(jī)，其功能強(qiáng)大，運(yùn)行可靠性高，性價比很高。選用不同配置的CPU，S7-200 PLC可用于對最多256個數(shù)字量，最多45個模擬量的測量和控制。本測控系統(tǒng)選用CPU224XPCN，它具有兩個通訊口，并集成了2路模擬量輸入通道和1路模擬量輸出通道［1］。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鉑電阻PT100，四線制接法接PLC熱電阻模塊EM231 RTD。EM231 RTD輸入分辨率為0.1 K。經(jīng)過EM231 RTD變送后，PLC采到的數(shù)據(jù)是溫度值(攝氏度)的10倍。

圖2 測控系統(tǒng)框架圖Fig.2 Schematic diagram of measurement system

2.2 壓力測量

采用電流輸出型兩線制壓力變送器，輸出4—20 mA電流信號。壓力變送器接PLC模擬量輸入模塊EM231。EM231精度為12位。

2.3 流量測量

采用質(zhì)量流量計(jì)，流量計(jì)輸出0—5V電壓信號，輸出信號被PLC模擬量輸入模塊EM231采集。

2.4 加熱器控制

采用繼電器控制加熱器實(shí)現(xiàn)對冷箱內(nèi)某點(diǎn)的溫度控制。利用PLC的內(nèi)置PID回路自動控制繼電器的通斷，從而控制加熱器加熱/斷開。

3 S7-200 PLC與制冷機(jī)的自由口通信

氣體分離實(shí)驗(yàn)臺采用50 W@80 K熱聲低溫制冷機(jī)。制冷機(jī)冷頭目標(biāo)溫度可通過制冷機(jī)上的LED鍵盤設(shè)定或者通過串口設(shè)定。制冷機(jī)串口通信協(xié)議采用自定義的協(xié)議，采用主從機(jī)方式，制冷機(jī)作為從站。

S7-200系列PLC可以在四種通訊模式下工作:PPI模式，MPI模式，PROFIBUS-DP模式和自由口通信模式。自由口通信模式下，通信協(xié)議是由用戶定義的。

開發(fā)了一套自由口通信的程序，調(diào)用發(fā)送指令(XMT)，接收指令(RCV)，接收中斷，發(fā)送中斷來控制通信操作，從而實(shí)現(xiàn)對制冷機(jī)的啟停，制冷機(jī)冷頭溫度的設(shè)置和讀取。

3.1 自由口通信的硬件連接

自由口通信的硬件連接如圖2所示，PLC通過PC/PPI串口電纜與制冷機(jī)的串口連接。本項(xiàng)目采用PLC的Port0口連接制冷機(jī)。將串口電纜的MODEM選擇開關(guān)做相應(yīng)設(shè)置。

制冷機(jī)的串口是+5V TTL電平，需要廠家提供轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS232串口才能實(shí)現(xiàn)與西門子PLC的自由口通信。

3.2 制冷機(jī)的自由口通信協(xié)議

制冷機(jī)的自由口通信協(xié)議定義如下。

默認(rèn)設(shè)置:波特率4800 bps，一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位。

一次發(fā)送的數(shù)據(jù)稱為一幀，一幀數(shù)據(jù)包括以下部分:

起始字節(jié) 從機(jī)地址 命令包 校驗(yàn)字節(jié) 結(jié)束字節(jié)

起始字節(jié):定義為0xCA。當(dāng)接收到0xCA字節(jié)時表示一幀的開始，若上一幀數(shù)據(jù)未完成則丟失。從機(jī)地址:01。

校驗(yàn)字節(jié):校驗(yàn)字節(jié)為從機(jī)地址和命令包所有數(shù)據(jù)加和取反后的低位字節(jié)。

結(jié)束字節(jié):定義為0xAC。當(dāng)接收到0xAC字節(jié)時表示一幀的結(jié)束，此時可調(diào)用校驗(yàn)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并進(jìn)行后續(xù)的操作等等。

3.3 S7-200PLC與制冷機(jī)自由口通信原理

PLC作為上位機(jī)，制冷機(jī)作為下位機(jī)。PLC對制冷機(jī)發(fā)送指令(即指令幀)，指令幀格式如下所示。由起始字節(jié)，從機(jī)地址，命令頭，校驗(yàn)碼和結(jié)束字節(jié)組成。

命令頭定義:0X0C，讀取制冷機(jī)狀態(tài);0X0D，返回制冷機(jī)狀態(tài);0X06，串口控制電機(jī);0X07，串口控制電機(jī)應(yīng)答;0X0A，讀取顯示參數(shù);0X0D，返回顯示參數(shù);0X04，寫入配置參數(shù);0X05，配置參數(shù)應(yīng)答。

制冷機(jī)接收到PLC指令后，會向PLC發(fā)送一個反饋消息，即反饋幀，反饋幀格式如下所示，由起始字節(jié)，從機(jī)地址，命令頭，參數(shù)1，參數(shù)2等，校驗(yàn)碼和結(jié)束字節(jié)組成。

例如，發(fā)送幀和反饋幀如下所示。

幀頭 地址 命令 校驗(yàn)和 幀尾發(fā)送CA 01 0C F2 AC幀頭 地址 命令 參數(shù)0 參數(shù)1 參數(shù)2 參數(shù)3 參數(shù)4校驗(yàn)和 幀尾接收CA 01 0D 01 01 00 00 00 EF AC

PLC發(fā)送指令，讀取制冷機(jī)狀態(tài)。制冷機(jī)應(yīng)答，制冷機(jī)當(dāng)前狀態(tài)是停機(jī)狀態(tài)。

參數(shù)0:0x01。表示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此時是停機(jī)狀態(tài)。參數(shù)0的說明如下。

0 1 2 3 4滑行狀態(tài) 停機(jī)狀態(tài) 啟動狀態(tài) 調(diào)節(jié)狀態(tài) 運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)如上原理，編制了自由口通信程序，實(shí)現(xiàn)對制冷機(jī)的遠(yuǎn)程啟?？刂?，實(shí)現(xiàn)對制冷機(jī)冷頭溫度的設(shè)置和讀取。

3.4 S7-200PLC的自由口通信程序

PLC自由口通信程序框圖如圖3所示。

程序主要包括系統(tǒng)初始化，輪詢子程序，讀制冷機(jī)狀態(tài)，寫制冷機(jī)狀態(tài)，讀冷頭溫度，寫冷頭溫度，接收完成，發(fā)送完成等。程序中同時還包括氣體分離實(shí)驗(yàn)臺需要的模擬量采集，PID控制回路程序等。初始化主要代碼如下:

圖3 自由口通信程序框圖Fig.3 Schematic diagram of Freeport communication program

ATCH XMTcomplete:INT1，9//連接發(fā)送完成中斷

ATCH RCVcomplete:INT0，23//連接接收完成中斷

ENI //允許中斷

S7-200自由口通信方式使用戶可以自己定義PLC指令通信協(xié)議，與任何公開通信協(xié)議(如RS-422或RS-232C)接口設(shè)備進(jìn)行通信，使通信范圍大大增加，控制系統(tǒng)配置更加靈活［2］。

4 自由口通訊效果

圖4可見自由口通訊的效果。利用串口線連接PLC和PC機(jī)，用串口調(diào)試助手監(jiān)測PLC發(fā)送的信息。PLC充當(dāng)上位機(jī)，PC機(jī)充當(dāng)下位機(jī)。程序初始化后，PLC發(fā)送第一條指令，收到PC機(jī)應(yīng)答或者通信超時后，PLC發(fā)送第二條指令，以此類推。PLC每1s發(fā)送一條指令，1s的時間脈沖由輪詢程序產(chǎn)生，見圖3。串口調(diào)試助手接收到的信息如圖4所示。

5 人機(jī)界面

為使PLC采集到的各過程參數(shù)能直觀的顯示到計(jì)算機(jī)上，采用三維力控組態(tài)軟件ForceControl 7.0編制了人機(jī)界面。人機(jī)界面可以顯示實(shí)驗(yàn)流程、參數(shù)測量值、趨勢曲線、報表、報警記錄、事件記錄，并具有用戶管理等功能［3］。人機(jī)界面見圖5所示。

PLC采集到的數(shù)據(jù)存儲在PLC的V存儲區(qū)中，組態(tài)軟件將PLC的V存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)提取到計(jì)算機(jī)的硬盤中。三維力控組態(tài)軟件采用U口編程電纜PTP協(xié)議與PLC通信，用戶可以通過報表查詢與趨勢曲線調(diào)用的方式使用這些數(shù)據(jù)。

6 結(jié)果和結(jié)論

在圖5中可以直觀的查看到制冷機(jī)溫度，過程參數(shù)如壓力，流量等參數(shù)。通過報表及趨勢曲線還可以方便的查看到歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)趨勢等。實(shí)際運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)操作方便，界面友好，可靠性高，能夠顯示實(shí)驗(yàn)流程，自動采集并記錄溫度、壓力、流量等參數(shù)，并能遠(yuǎn)程控制制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)對冷箱加熱器的自動控制，能完全滿足氣體分離實(shí)驗(yàn)臺的各項(xiàng)測控要求。

圖5 人機(jī)界面圖片F(xiàn)ig.5 Schematic diagram of human machine interface

1 西門子公司.SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊［R］.西門子公司，2004.Siemens AG.SIMATIC S7-200 PLC system manual［R］.Siemens AG，2004.

2 侯東明，趙志成，張井崗.基于自由口模式的通信軟件開發(fā)及應(yīng)用［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報，2010，31(1):14-18.Hou Dongming，Zhao Zhicheng，Zhang Jinggang.Development and application of communication software based on free port mode［J］.Journal of Taiyuan University of Science and Technology，2010，31(1):14-18.

3李靜，熊聯(lián)友，湯建成，等.緊湊式低溫?zé)峤粨Q器實(shí)驗(yàn)臺測量系統(tǒng)［J］.低溫與特氣，2008，26(6):16-20.Li Jing，Xiong Lianyou，Tang Jiancheng，et al.Measurement system of test facility for the compact heat exchanger in cryogenic temperature［J］.Low Temperature and Specialty Gases，2008，26(6):16-20.