可编程控制器（PLC）监控 数传电台 通讯接口 工控机 MCGS组态软件
一、概述
某自来水厂控制系统由分布在十几公里内5个深井取水泵站、储水池、用户管网组成。整个供水系统的高低落差达150米左右，由于供水系统的组成及地形结构的特殊性，过去人工监控，给生产管理、供水调度带来诸多不便。
实施了微机监控后，它能实时监测供水系统的主要工艺参数（如压力、流量、水位、电压、电流等），控制深井泵、监视泵机的运行状态，提供生产管理所需的报表、曲线、数据查询等功能。它的运行对供水系统的安全生产、科学调度有着重要的意义。
二、系统组成
微机监控系统采用主从结构、分布式无线实时监控方式（简称SCADA），如图1所示。
系统主要由监控中心、无线通信系统、现场监控终端、传感器及仪表四部分组成。
监控中心：由微机、MCGS组态软件，无线数传电台、全向天线、模拟屏及UPS组成，主要完成各现场终端数据的实时采集、监测、控制、数据存储、打印报表、数据查询等功能。
无线通信系统：监控中心与各泵站终端之间采用无线方式通讯。监控中心为主动站，其它终端副站为被动从站，该系统采用无线电管理委员会给定的数据频率，以一点对多点的方式与从站通讯，监控中心为全向天线，各副站为定向天线。
现场监控终端：核心为PLC，是一个智能设备，它有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制等功能，并通过无线信道与监控中心微机进行数据通信。根据监控中心的命令分别完成系统自检、数据传送、控制输出等任务。
传感器及仪表：是PLC监测现场信号的“眼睛”，现场所有信号都需经过传感器及仪表的转换，才能输出标准信号，被PLC终端所接受。系统主要测量电压、电流、液位、压力、流量及耗电量等参数。
水源井输水泵的控制
l手动控制。操作员根据清水池液位对输水泵进行启动和停止操作。
l自动控制。PLC根据清水池液位及各输水泵起动水位和停止水位，对处于自动方式的输水泵进行启动和停止操作。
三、现场PLC终端
现场PLC监控终端是工业现场与监控中心之间的桥梁纽带，一方面它采集现场仪表、变送器、设备运行状态等信号，另一方面它又与监控中心通讯，执行有关命令。现场终端一般无人值守。终端机的性能和质量对系统的可靠性影响很大。经充分论证，选用西门子S7-200系列PLC作现场终端具有较高的性能价格比，它具有体积小、易扩展、性能优等特点，非常适合小规模的现场监控。
1、PLC硬件设计
现场某一终端需测控开关输入信号，开关输出信号路，模拟量输入信号。我们选用S7-212基本单元，模拟输入扩展单元（EM231），模拟输出扩展单元（EM232）。满足现场要求。
2、通讯接口
从站中PLC与电台通讯：S7-214PLC基本单元提供一个RS-485接口，为了与无线信道的数传机（电源、数传电台）相连，我们专门设计了RS-485接口的专用Modem，并采用光电隔离技术，使二者在电气上完全独立，避免相互干扰，由于数传机发射时需要RTS信号，而RS-485接口又不提供RTS信号，解决这个问题有两处方法。其一，由无线Modem根据PLC的发射信息产生RTS信号，这就要求该Modem必须智能化，PLC在发送信息之前需先与Modem通信，让其输出RTS信号，并回送RTS已产生信息，PLC再发送现场信息。其二，采用PLC的某一I/O输出点，产生RTS信号，由PLC在发送信息前现接通该点，控制数传机发射，延时一段时间后（电台建立载波时间），再发送信息。后一种方法简单、实用，较好的解决了无线通信的接口问题。
主控室的PLC与工控机的通讯：因为主控室的PLC要和数传电台通讯又要和上位机（工控机）通讯，主控室的PLC选用两端口的S7-216基本单元，其中一端口与数传电台通讯，另一端口直接用西门子的PPI电缆和上位机通讯，上位用北京昆仑通态提供的MCGS组态软件进行组态和编程，对现场的水位等信号进行实时的监控和处理。
3、抗干扰设计
为提高系统的可靠性，现场终端、数传机、PLC、直流温压电源及部分变送器装于一个控制柜内，各部分相对独立，便于维护。PLC开关量输入、输出与现场之间加继电器隔离，模拟信号采用信号隔离器和配电器隔离，电源采用隔离变压器供电，以减小电源“噪声”，系统设置良好的接地。
四、PLC软件设计
PLC终端软件采用梯形图语言编写，为提高终端的抗干扰能力，软件设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。终端软件主要由下列模块组成。
1、初始化程序：设定各寄存器、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。
2、数据采集子程序：对各路模拟量数据采集、滤波、平均等处理。
3、累计运行时间子程序：对泵机等设备的运行时间进行累计。
4、遥信子程序：检测电机、阀门、报警开关等设备的运行状态。
5、置初值子程序：由监控中心对时间、电耗、流量等累计参数按用户的要求设定初始值。
6、故障自检子程序：检测PLC的故障信息、校验信息，并发往监控中心。
7、控制子程序：根据监控中心的命令，或现场自控条件输出相应的操作。
8、通讯子程序；完成与监控中心的各种通信功能。
通讯程序中，接收命令和发送命令采用中断处理，通过ATCH指令使中断事件8在接收不同特征命令下执行不同的程序。对串行通信的超时限制则通过设定内部定时中断来控制，其事件号为10，定时时间由SMB34的值确定。为减少通信的误码，采用偶校验及异或双重校验措施。
五、结束语
本系统在软、硬件方面采取了多种措施，特别是现场终端选用了S7-200PLC，提高了系统的可靠性，在自来水厂自动控制系统取得了较好的应用效果。PLC基于SCADA系统能充分满足对水厂控制系统的要求，对水厂的安全运行、提高供水质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用。本系统将无线通讯与S7-200PLC有机的结合，解决了现场分布较散、距离较远、范围较大的系统监控问题，在供水、供电、供气、油田、气象、水文水利等部门有较好的应用前景
我们针对上海大众汽车二厂焊接车间，利用西门子公司的SIMATIC产品，设计并实施完成一套设备故障自动诊断及焊机qunkong系统。经过几年的使用，该系统运行稳定可靠，基本达到了设计目的。
一.焊接车间现状分析
----该焊接车间主要生产桑塔纳2000型轿车的车身。车间进料为冲压车间的各种冲压零件，经过焊接生产流水线，先把这些各种零件焊接拼装各种车身部件，如汽车前围、后围、前底板等部件，再经过总拼把这些部件拼焊成整体车身，后经过补焊、打磨形成终的白车身，输出到油漆车间喷漆。该焊接车间按照冲压零件－部件－总拼的焊接加工过程，建立了六条生产流水线，分别为前围线、后围线、前底板线、底板线、总拼线和补焊线。这六条生产流水线按照生产工艺相互刚性连接。在这些生产流水线上的各个工位主要配备的是焊接机械手、焊接机械人、多点焊机、拉杆传输和空中输送车等自动化设备组成。由44台西门子公司的PLC分别控制这些生产流水线上的各种加工设备，使其相互协调地、连续地、自动地运行，使车间达到每56秒钟生产一部白车身的的生产节拍的能力。
----该车间生产流水线投入运行时，存在两个主要的问题：
当设备上某处出现故障时，由于不能很快地排除，经常造成整条生产线停机，或者整个车间停产，严重影响车间产量和生产节拍。
会发生某些焊点的焊接质量不稳定，不能保证白车身质量。
----经过调查研究和具体分析，发生上述问题的主要原因是：
生产线上设备比较多，设备比较复杂，生产线之间又是刚性连接，如果某一部位发生机械、液压或电气故障会造成某条生产线停机，维修人员要经过一定时间的分析查找过程，才能找到故障点，才能排除故障。在故障的分析查找和排除的时间内，由于生产线之间无缓冲，前面的生产线立即停机，后面生产线造成空工位，这个时间过长，还会造成后面生产线停机。而故障的分析查找和排除的时间中占主要的是分析查找时间。
该车间共有两千多把电焊枪在工作，容易造成供电压波动。如果一部分电焊枪正赶在电压低谷通电焊接，容易发生该焊点焊接不实，质量不好。
----为了快速分析查找故障和保证正常电压通电焊接，解=决上述两个问题，我们为车间建立这套设备故障自动诊断及焊机qunkong系统。
二.系统的硬件和软件结构
1 设备层
全车间六条生产线上共有PLC44 台，由S5-115U、S5-135U和S5-55U构成。这些PLC可向系统提供分析设备运行状态和分析出发生的故障点的相关信息。但这些PLC是分散的，无故障诊断能力。我们的系统在车间建立了两段现场工业总线Profibus网，分别把这些PLC连接起来。使系统能够通过现场PLC采集和汇总生产线上设备状态信息，自动分析诊断故障。设备并网的具体做法是，每台PLC上都插入Profibus网卡CP5431，并连接在其中一段现场工业总线上。(参见附图)
2现场工程师站
现场工程师站设置在车间现场，是由六台工控机组成，分别对应着车间现场六条生产线。这六台工控机上都分别插有Profibus 网卡CP5412，并通过该卡连接在 Profibus的网上。通过现场工程师站可以监控对应的生产流水线。(参见附图)
3信息交换中心
信息交换中心是由一台S5-155U 构成，也称为系统的主PLC。一方面通过车间现场工业总线 Profibus 网，连接生产线上 44台PLC，采集汇总分析生产线上设备的故障信息；另一方面通过工业以太网 H1与系统的管理层连接，把分析诊断结果送到办公室计算机上，又通过车间现场工业总线 Profibus网把其分析诊断结果送回现场工程师站。(参见附图)
4 管理层
系统的管理包括车间主任办公室和维修办公室的计算机，通过工业以太网H1信息交换中心连接，使管理层可以实时地从信息交换中心获得目前分析结果，并对此分类归档，形成各种报表。(参见附图)
5焊机qunkong装置
设置一台高灵敏的电压监测仪，实时监测车间电焊机工作时供电电压的变化，并把结果送入信息交换中心，通过S5－155U的中断程序处理焊机qunkong信息，经过Prifibus-DP方式，把控制信号高速地传送到生产线上的PLC，使相应焊机的通电动作得以控制。
6系统配置的软件
CorosLSB/Win是系统主要的软件，主要运行在管理层和现场工程师站的计算机上，是系统主要开发平台。COM5431和COM143系统软件是为了管理现场工业总线 Profibus 和工业以太网 H1。
三.系统的主要目的
1采集全车间六条生产线上的设备运行状态信息
由于 Profibus网连接着现场PLC，系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常运行、停机、故障等各种状态，并在相应工控机的相应画面上，通过以不同的符号、图形和颜色变化等形式显示出来。
2实时分析发生在各生产线上设备的故障状态及具体部位
由于 Profibus网络采集各生产设备上的信息，汇总到主 PLCS5－155U上集中进行分析综合，系统可以判断出故障类型和发生故障的所在生产线、工位、部位等位置信息，随后把判断结果送到相应工机显示出来，以提示维修人员。
3进行有关故障信息的分析与统计
系统的上位管理机和工控机在工业组态软件CorosLSB/Win 操作平台下，可对从主 PLC送来的故障信息，进行分类归档处理，在设备维修手册数据库中进行检索，找出故障发生的位置，故障发生的原因及排除故障的主要方法。该软件把故障发生的时间、位置、原因及排除的情况记录到设备档案数据库中，并形成各种报表。
4 对全车间由 PLC控制的焊接变压器的通电进行qunkong
利用 ProfibusDP的快速 I/O的特性，对全车间电焊机供电电压进行监测，按照电焊机qunkong原理，对由 PLC控制的电焊机进行排队通电控制。
四.系统工作基本原理
1自动故障诊断一般方法
焊接车间设备绝大部分是通过油缸和气缸来完成工件的装夹、上料、下料和输送等动作。初步统计该车间分布在各生产线上共4千个大大小小的油缸和气缸，而设备故障主要发生油缸和气缸的部件上，表现为这些缸不到位。下面分析一个油缸动作情况，得出自动故障诊断一般方法。设一个油缸向前运动Q＝1，油缸经过一定的运动时间到达前端，则前端接近开关 得电 I_1＝1，后端接近开关失电I_2＝0。我们系统中为这个油缸设置一个计时器T。当油缸动作 Q信号发出，该计时器开始计时，在设定的该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关得电，即系统认为该油缸工作正常。如果在该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关未得电，则系统认为该油缸发生故障。系统自动分析的结果列表如下：
根据上述方法，系统对车间设备上每个油缸和气缸，在该设备PLC控制器都分配计时器T，并设置相应缸运动时间T_set，以完成自动故障诊断。
2焊机qunkong的一般方法
该车间有四个供电变压器向焊机供电，由于焊机是使用的单相电。车间焊机基本是均匀地分别挂在车间里12 条单相电线路上。高灵敏的电压监测仪分别监视着这 12条单相电线路。当监测到其中一条线路电压低于设定的值时，就向主PLC申请中断。中断程序检查线路电压低到什么程度，再分别处理：
线路电压在排队工作范围内，中断程序将按照工艺准许的范围，把挂在该线路的焊机排队，通过现场工业总线，控制设备上PLC，让该线路上的焊机按先后顺序通电焊接，使每个焊接都有足够的电流工作。
线路电压在停机范围内，中断程序通过现场工业总线的广播形式通知设备PLC，将挂在该线路的所有焊机停止工作，直到线路电压恢复正常范围内。
五.系统主要功能及实现方法
1系统的工作方式
由于系统的绝大部分硬件都是采用西门子公司SIMATIC工业型产品，就保证了系统全天24 小时不间断的正常工作。特别是系统的信息交换中心采用是 S5-155U，车间现场采用是Profibus网络，管理层采用是工业以太网H1，这些都具有在恶劣的环境下可以高度可靠工作的工业产品，可以常年的不停机地工作。这样就保证了系统可以在几年之内不间断地监测生产线设备，连续采集设备信息和生产信息，保证系统数据处理的及时性、准确性和完整性。
2生产设备当前运行的状态信息
由于生产线的生产过程是由现场生产线上的PLC控制的，这些 PLC 都挂在 Profibus 上，这样信息交换中心，即主 PLC 可以通过该网采集现场 PLC 的所有I / O的信号。信息交换中心对这些信号经过汇总和分析，判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态，并把这些运行状态存入信息交换中心内的相应数据块DB。这些运行状态信息是随着信息交换中心(主PLC)运行周期而实时刷新的。现场的工程师站和管理层的计算机分别通过Profibus 和 工业以太网 H1 ，访问信息交换中心内的相应数据块，而得到生产设备当前运行状态信息，再经过 CorosLSB/Win动态图形画面，生动、形象地显示出生产设备当前运行状态。
3设备故障自动诊断、分析与统计
当生产线上设备发生故障时，信息交换中心通过Profibu网可以立即监测到。信息交换中心依据下面四个方面，判断出故障发生的具体内容和位置，并在在现场工程师站和管理层的计算机Coros LSB/Win 的动态图形画面上详细显示：
a.现场维修人员提供的经验；
b.分析动作不到位信号；
c.由故障历史记录而形成的发生几率；
d. 该设备 PLC程序的逻辑分析。
信息交换中心按照发生故障性质确定出故障类型：机械故障、电器故障、液压故障、气动故障等。信息交换中心按照所发生故障对设备运行影响程度确定出故障等级：将要故障、次要故障和主要故障。信息交换中心按照发生故障特征和维修记录提示出排故方法。在现场工程师站和管理层的计算机Coros LSB/Win的动态图形画面上，故障类型和排故方法以文字形式显示，故障等级以不同颜色和闪烁程形式显示。
由管理层的计算机进行设备故障统计，其内容主要包括：
a.每台设备每天的发生的故障信息记录；
b.设备按照故障发生类型进行周、月、季和年统计；
c.每台设备的故障率和开通率；
d.各条生产线的故障率和开通率；
e.全车间设备的故障率和开通率；
4车间生产信息自动统计
在 Profibus络的支持下，系统自动采集各生产线的产量信息，并存入信息交换中心的数据块中。通过管理层的计算机的 Coros LSB/Win界面形成下例各种生产统计报表：
实时显示各条生产线的生产节拍及变化状况；
实时显示各条生产线的生产产量及变化状况，显示当日和近七日内每天的生产产量变化过程；
车间在一年内每天的白班和夜班的生产产量记录；
车间生产产量的周报表、月报表和年报表。
5焊机qunkong
当电压监测装置监测出车间供电电压低于正常供电电压时，主PLC 上的中断输入模板 (6ES5 451-4UA13) 将接收到电压监测装置发出的信号，主 PLC刻进入执行中断服务程序。中断服务程序根据焊机qunkong原理，通过 Profibus网，向设备上的PLC发出工作指令，使各焊机按一定的顺序工作。
六.结论和意义
1该系统对对用户的设备排故维修提供了比较切实可行的便利手段，彻底改变了过去那种单凭经验诊断故障的工作方法。在计算机的帮助下，只要生产设备有故障发生，系统都能比较准确、迅速地确定故障具体位置或方位，并提供排故方法。这样极大地缩短了故障查找和排故时间，保证了设备能够尽可能短的时间内恢复正常。
2由于该系统能够实现生产产量自动统计，代替了过去需要很多时间的手工抄报统计工作，提高了车间生产管理的自动化程度。该系统也给车间提供了生产动态调度的手段，通过管理层计算机了解当前车间各生产线、各部分生产状态，可以发现可能出现的生产瓶颈，使得车间管理者及时地进行生产调整。
3焊机qunkong过去在国内还无法实现，现在系统利用西门子公司的 PLC 和 Profibus技术实现了焊机qunkong。这对电焊机的焊接质量的稳定和提高有了一定的保证。
4在该系统中成功地应用了西门子公司 SIMATIC 产品的技术，其中 Profibus 现场总线和H1工业以太网技术在该系统中起到关键的作用，它们把系统的各部分构成一个统一体； 主 PLCS5-155U以运行速度高、大存储量技术保证系统信息的采集、综合分析和传送能够可靠、准确地进行；CorosLSB/Win制作的人机界面速度快、效率高，易操作、使用友好方便