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摘 要
本文主要介绍了山水集团预应力管生产线的自动控制系统。本系统采用GE Fanuc International公司的工业控制软件iFix3.5和西门子公司的S7-300PLC。详细介绍了生产线的控制方案、硬件及程序设计。
工业自动控制系统是一种高效实时的控制方法，其中生产数据采集的方法和生产数据发布系统的稳定和高效更是研究的重点。系统以iFix作为上位机组态软件，作为系统的监视管理，报警和控制，以Siemens(西门子)公司的S7-300型号的PLC做为下位机进行系统设备及生产过程的自动控制。其中存在的一些技术难点和需要改进的方面如：组态软件与PLC之间的通信问题，数据发布过程中出现的异常错误，组态软件自带数据库性能较差不能满足快捷高效的要求等等。在组态软件与PLC通信方面，提出了在VB程序中调用VB编写脚本的过程。成功地解决了组态软件iFix与PLC之间的通信问题。
上位机采用iFix3.5为核心软件，实现了动画显示，实时操作，历史趋势显示，统计报表等功能。并说明了S7-300的硬件设计，程序设计及安全保护。
关键词： 工业监控系统 iFix 预应力 Siemens
ABSTRACT
This paper introduces the PCCPE Automatic control system of Shanshui CO.,LTD. The system using GE Fanuc International industrial control software iFix 3.5 and Siemens S7-300 PLC. Describes design of the control schematic the hardware and the software in details .
Real-time industrial control system is one of the hotspot problems of present research, among which production data collection methods and the stability and high effect of production data distribution system are keystones of research. Introduces how to build a high-efficient real-time industrial control network and the problems involved such as communication between configuration software and PLC, unexpected errors occurred in the process of data distribution, the performance of is not excellent enough to meet requirements about high speed and efficiency.
In upper computer, the iFix 3.5 is acted us the core software of computer control system. The main functions such as action display real-time manipulation and historic trend are implemented and also introduces the control system of hardware design ,software design and design of safety and protection is given based on S7-300 PLC.
Keywords: industrial control system; iFix; Siemens; S7-300
前 言
在现代的供水、灌溉、引水、防洪等工程建设中,预应力管得到了广泛的应用。预应力管也叫预应力混凝土输水管，是一种非常理想的管道材料。其主要性能特点有：寿命长，预应力混凝土输水管的抗腐蚀性非常好，特别是在盐碱或具有侵蚀作用的土壤中，混凝土输水管的使用寿命就更长得多；输水能力强，混凝土输水管在使用过程中，管壁不结垢，管壁不缩小，通水能力不变； 铺设安装方便，铺设安装混凝土输水管管道时，只要在插口端套上密封橡胶圈，然后插进另一根管子的承口端就可以，操作方便，劳动强度低，安装速度快，节约费用； 抗地震能力大，混凝土输水管采用柔性接口，不易断裂、拉开，具有较好的抗震性能，能保持水质不变，具有防腐防锈、施工方便、维护简便等优点，能可靠的代替金属管，广泛用于供水、灌溉、引水、防洪等工程建设。
目前，我国建立了一些具有世界先进水平的水泥生产厂，由此带动了一大批生产预应力管的企业。这些企业在引进，吸收和消化国际先进技术和设备的基础上，自行设计大型预应力管生产设备。但我过的世界情况是，在地方工业中，保留了大量简陋的设备，生产条件差，主要靠人工操作，自动化程度低，存在着配料不严格，压力控制不稳定，运转周期长，能耗大，但在产品质量和能耗方面有较大的潜力可挖。为适应日益增长的地方国民经济的发展的需要，立足国内外先进技术，进行有效的装备和改造，是其发展壮大的一条出路。所以，在科技飞速发展的新时代——21世纪，任何一个企业要生存，要发展，必须引进先进的科学技术，进行技术的革新，只要这样，才能有发展，才能创造效益，才能促进生产力发展和社会的进步。
我所做的此次毕业设计是在指导老师的帮助下为济南山水集团做的一套预应力管生产自动控制系统。系统主要包括自动配料系统和自动稳压系统，我主要进行自动稳压系统的设计与实施。提出这套系统方案，大大提高了生产线的自动化程度、产品的质量、产量和公司的管理水平。预应力管生产线采用此种类型的设备是自动化发展的新趋势，也是以后行业的发展方向。在预应力管行业中，必须采用先进的科学技术，在技术的逐步改造中降低成本，提高产品的产量和质量，提高企业在同类行业中的竞争力！
第一章 课题来源
1.1引言
山东省的供水、灌溉、防洪建设在全国始终处于领先地位，所以预应力管的市场前景非常的广阔。目前我省市政基础设施建设每年需用预应力混凝土管约二百多公里，仅济南地区年需用预应力混凝土管约四十公里。随着国民经济的发展，改革开放的进一步深入，全省对预应力混凝土管需求量将进一步增加，而济南地区所用的预期应力混凝土管大部分从外部购进，不但增加了运输成本，而且由于远距离运输导致破损率高，增加了使用成本。济南山水集团是全国第三大水泥生产企业，水泥资源丰富，这样为预应力管道生产提供充足的原料来源，为该项目的及早兴建奠定了基础。正是在这种背景情况下，山水集团附属单位山水管道公司决定新上一条预应力混凝土管生产线，满足济南及周边地区的需求。
1.2. 国内外预应力管技术的现状
预应力技术最早在1896年由奥地利的孟特尔（J.Mandl）提出，而先将预应力混凝土技术用于实用阶段的是法国工程师弗雷西奈（F.Freyssinet），他在对混凝土和钢材受力性能进行了大 量研究和总结前人经验的基础上，考虑到混凝土收缩和徐变产生的损失，于1928年指出了预应力 混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。弗雷西奈的这一论断是在预应力混凝土理论上关键性的突破。 预应力混凝土的定义是根据需要人为地引入某一数值的反向荷载，用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土。
我国近年来水泥工业发展迅速，目前，国家建立了一些具有世界先进水平的水泥生产厂，由此带动了一大批生产预应力管的企业。这些企业在引进，吸收和消化国际先进技术和设备的基础上，自行设计大型预应力管生产设备。但我过的世界情况是，在地方工业中，保留了大量简陋的设备，生产条件差，主要靠人工操作，自动化程度低，存在着配料不严格，压力控制不稳定，运转周期长，能耗大，但在产品质量和能耗方面有较大的潜力可挖。为适应日益增长的地方国民经济的发展的需要，立足国内外先进技术，进行有效的装备和改造，是其发展壮大的一条出路。所以，在科技飞速发展的新时代——21世纪，任何一个企业要生存，要发展，必须引进先进的科学技术，进行技术的革新，只要这样，才能有发展，才能创造效益，才能促进生产力发展和社会的进步。
中国的现代化建设正处于上升时期，工厂的信息化、管理的自动化都依赖于实时工业监控系统。如何构建数据采集和传输通畅、高效，网络安全可靠，管理方便，容易维护，二次开发方便的实时监控系统是一个热门话题。
新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构，其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中起着上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。
1.3 组态软件的应用及iFix
1.3.1组态软件的发展简介
组态软件在现代工程设计中起着越来越重要的作用。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，自20世纪80年代初期诞生至今，组态软件己有近20年的发展历史。组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置好的各种软件模块可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部借口，进行系统集成。
组态的概念是伴随着集散型控制系统的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。由于每一套控制系统都是比较通用的控制系统，就可以应用到很多的领域中，为了使用户在不需要编代码程序的情况下便可以生成自己需求的应用系统，每个集散控制系统厂商在系统中都预装了系统软件和应用软件。而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一直没有人给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成目标应用系统的过程称为组态。
监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在在提高计算机能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。
信息化社会的到来为组态软件拓展了更多的应用领域。组态软件的应用不仅仅局限在工业企业，在农业、环保、邮政、电信、实验室、医院、金融、交通、航空等各行各业均能找到实用组态软件的实例。
我国以组态王、力控为代表的监控组态软件已取得了优良的业绩，国内组态软件是在借鉴国际同类产品的基础上发展起来的，起点明显比国外高，发展速度也快，在可靠性和稳定性方面，国内外产品的水平不相上下，用户在使用过程中通过比较就会得出相应的结论。
1.3.2 iFix介绍
国外的组态软件iFix仍然是工业控制领域的功能最强大、影响最大和适用范围最广的。在本工程中，我们使用的就是iFix。
GE Fanuc International公司的iFix组态软件，采用高性能的图形编辑器进行图形组态,将对整个系统的设备进行操作和控制的信号传给下位机PLC，并对整个产过程进行监控和报警，提供了各种画面,如:标准生产界面和自由动态图,包括报警信息和操作指令及文档和趋势画面。操作站使用以Mswindows为基础的标准图形界面，操作系统采用windows2000版本，具备了多窗口功能。操作站为操作员提供了方便的人机界面，如系统总貌显示、工艺流程显示、操作面板显示、报警、趋势显示、时间显示、记录、存档、操作提示、系统诊断显示等，支持中文。iFIX的设计在软件内核中就充分使用了当前最先进的软件技术，包括微软的VBA、OPC、ActiveX控件、COM/DCOM… 更使用了基于面向对象的框架结构， iFIX将帮您实施更高性能的自动化解决方案， 而且使系统的维护、升级和扩展更加方便。
1.4 可编程序控制器应用及S7-300
1.4.1可编程序控制器简介
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。在二十世纪70-80年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。PLC基本结构如图1.4.1:
PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强；
2、配套齐全，功能完善，适用性强；
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎；
4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；
5、体积小，重量轻，能耗低。
PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
2、模拟量控制
3、运动控制
4、过程控制
5、数据处理
6、通信及联网
1.4.2西门子公司的S7-300系列PLC介绍
SIMATIC S7300系列可编程控制器是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。 该系列PLC 继承了西门子上一代PLC SIMATIC S5系列稳定、可靠和故障率低的精髓，将先进控制思想、现代通讯技术和IT技术的最新发展集于一身，在CPU运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制的功能集成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面取得了业界公认的成就。 不断创新的PLC编程组态工具 STEP 7 采用 SIMATIC 软件的集成统一架构，为实现PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一个功能强大、风格一贯的软件平台。符合IEC611313 的多种高级编程语言的补充，使PLC在实现复杂工艺编程、多重回路调节、甚至模糊控制（Fuzzy Control）和神经元控制（Neuron Control）等智能控制算法时具有类似高级编程语言的特点和优势。此外，SIMATIC S7300PLC 集成的强大通讯功能，是其得以成功的另一个重要方面。如今PROFIBUS有超过1 200余家会员单位，全球的总安装节点已经突破1000万，是全球公认的工业现场总线标准的领跑者；新一代工业以太网标准PROFIBUS的提出，为以太网在工业领域更大范围的应用提供了技术保障。凭借集成统一的通讯，SIMATIC S7300PLC 在实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中坚作用。我们在本工程中使用的就是西门子公司的S7-300系列的PLC。S7-300的外观如图1.4.2
第二章 系统的提出和要求
2.1项目提出背景和必要性
目前我省市政基础设施建设每年需用预应力混凝土管约200公里，仅济南地区年需用预应力混凝土管约40多公里。随着国民经济的发展，改革开放的进一步深入，各地对预应力混凝土管需求量将进一步增加，而济南地区所用的预期应力混凝土管大部分采用外购方式引进，不但增加了运输成本，而且由于远距离运输导致破损率高，增加了使用成本。济南山水集团是全国第三大水泥生产企业，水泥资源丰富，这样为预应力管道生产提供充足的原料来源，为该项目的及早兴建奠定了基础。山水集团附属单位山水管道公司正是在这种背景情况下决定新上一条预应力混凝土管生产线，满足济南及周边地区的需求。
2.2预应力管稳压系统的工艺过程要求
稳压成型工段所用主要生产设备是管模，管模是由由外模和内模共同组成的，其中外模是由金属构成，内模是由金属和封闭的橡胶层组成，橡胶层内加水可以膨胀变大。
稳压成型工段将搅拌好的物料浇注到事先安装好的管模内（外模和内模之间的空隙内），在此过程中管模不停地振动，以保证物料顺利的进入模具内部（外模和内模之间的空隙内），当物料填满后，顶部加盖密封，准备工作就绪。
稳压控制开始后，通过管模的三个进水阀和一个排水阀的开关给内模橡胶层内加水升压，用以挤压两层之间的混凝土，使混凝土能够增加密度、挤出水份并逐渐成型变为成品。压力的变化必须按照预先设定好的趋势进行变化，否则容易造成不合格产品或次品的产生。典型的压力变化见图2.1.2：
详细工艺见工艺流程图2.1.3：
因此，结合山水管道公司生产工艺，给出预应力混凝土管生产的稳压控制要求，现介绍如下：
稳压成型部分系统主要功能：
1、48个电磁阀（本系统需要控制十二个管模的压力，每个管模的压力控制需要四个电磁阀完成）的手动/自动转化功能。
2、实现各电磁阀的手/自动开关（手动可以直接开关某个电磁阀；自动通过程序判断实际压力和标准压力的差值，进而控制各个电磁阀的开关）
3、 管模的压力曲线设定：包括一段升压速率、静停时间、二段升压速率、稳压时间、稳定压力、卸压速率等（静停压力无需设定，一般为0.3Mpa）。
4、 实现开始、暂停、和停止的控制。
5、实际压力检测和实际压力与标准压力的显示。
6、报警信息的动态显示（包括声音和图画）。
7、管模自动生产的计时功能（从管模自动开始到产品生成的计时）。
8、历史曲线的生成和查看（每个管模的标准压力曲线和实际压力曲线可以保存N天，并通过历史曲线图查看）。
9、南高压水罐压力自动控制与压力高低的显示（电接点压力表检测）。
10、备用泵的切换功能。
11、空压机启停的手动控制。
2.3系统初步设计方案
在整个预应力管生产控制系统中，我们主要完成的是预应力管稳压成型部分的控制系统设计。该部分主要完成的是12个管模的稳压控制。每个管模有三个进水阀，分别是流量小，流量中，流量大三个，还有一个出水阀，要求在手动模式下，能根据预先设定的压力值和下位机传上来的当前压力值来手动控制每个阀门的开关。在自动模式下，能根据管模自动比较当前实际压力和标准压力的相差程度，然后自动判断并执行某些阀门的开关。整个控制系统分成上位机和下位机两个主要部分来分别完成的。
上位机采用普通工控机，组态软件使用iFix。iFix 的Workspace如图2.3.1
iFix的详细介绍参考第一章1.3.2。
下位机采用了西门子公司的SMATIC S7-300可编程控制器，再配以先进的iFix组态软件，实现控制系统的各项功能，满足生产的需要。
详细的S7-300的介绍见第一章的1.4.2 西门子公司S7-300PLC的介绍。
系统网络通讯：上位机IFIX和下位机PLC有很多连接方式：从硬件上讲可以分为PROFIBUS（L2）连接，工业以太网连接（H1），标准以太网（TCP/IP）等，它们都需要相应的西门子通讯模块和通讯网卡与之配合使用；从软件上讲使用OPC（OLE for Process Control 用于过程控制的对象链接与嵌入）方式连接，也可以使用西门子和IFIX之间通讯专用的驱动程序连接数据。
本系统在数据通讯部分设计思想为：采用较为简单的方式，软件上采用西门子和IFIX数据连接专用的西门子S_7驱动程序，硬件上采用PROFIBUS连接使用的CP5611通讯卡，并通过MPI总线连接上位机和下位机。
第三章 系统的设计开发
根据山水集团预应力管生产线的实际情况，全线采用DCS控制系统。现场完成各环节数据的采集、控制功能，操作站也就是上位机实现所有设备的控制操作，各个管模标准压力设定、故障报警、状态显示、数据累计、统计、报表、图形动画显示各种状态趋势等。可定时和随机查询各种工作状态的数据，便于管理提高工作效率和科学管理水平。为了提高预应力管的产量，质量，降低能耗，减轻劳动强度，提高劳动生产率，实现文明安全的生产，特提出这套适合的预应力管自动稳压系统的设计方案。
为了更好的完成本项目，我在老师的帮助下，严格按照工程的设计开发程序，一步一步做起，首先是变量表的编制。
3.1 设备变量表的编制
每一项工程的设计开发，都需要对生产工艺进行深入的了解和掌握。根据山水集团预应力管生产的具体情况，我们自行设计了预应力管稳压装置的工艺流程图。如图2.1.3
变量表的编制必须对生产过程和生产设备有深刻的了解,我们需要根据生产过程把不同设备分组,这样有利于程序的开发和设备的维护。预应力管生产线一共有12个管模需要控制，每个管模有三个进水阀，而且流量各不相同，分别为最大阀，中阀和最小阀，每个管模有一个出水阀，所以一共48个电磁阀，所以PLC有48路数字量输出来控制这48个电磁阀。系统中有南北两个高压水罐，由两台水泵供水，另外一个备用泵，当其中一个出现故障时备用，再加上一个空压机，一共四台电机，每台电机有备妥，驱动，返回三个信号，所以一共4个数字量输出，8个数字量输入。每个管模需要测量管模的当前压力，所以对PLC又有12个模拟量输入。另外空压机需要测量压力，也需要一个模拟量输入，一共13个模拟量输入。系统中没有模拟量输出。所以经过详细严密的统计，系统共有数字量输出（DO）52点，数字量输入（DI）8点，模拟量输入（AI）13点。具体的变量表见附图。
3.2数据库的建立与地址的分配
变量表编制好后，需要根据变量表地址编写iFix的数据库。iFix为用户提供了简单易用的数据库环境，方便用户简单的建立、修改及连接数据库。并且在系统中有专用的变量表显示功能，极大的方便了用户的查找与核对。
3.2.1数据库建立
iFix可以把过程信息以报表、图像、数据文档、报警、消息和统计图表等多种形式提供给用户。数据源可以来自OPC Server或过程硬件： 包括控制器， 传感器， 电动机，开关及其他硬件设备。iFix从这些设备中读取过程信息并把它们保存在一个或几个SCADA服务器中的过程数据库里。过程数据库在工业自动化系统中扮演着不可缺少的角色；它是最主要的过程数据源。具体的数据库结构如图3.2.1：
3.2.2 PLC各模块的选择及硬件地址的分配
数据库建立以后，还要对变量进行I/O地址的分配，使上位机数据库和下位机PLC的输入输出对应起来。在这里，我们选用的是西门子公司的S7-300可编程序控制器。S7-300 为节省空间的模块化结构设计，它可以适配您现有的各种机械控制任务，不需要考虑槽位规则。在运行时，无需风扇。除模块外，只需要DIN 标准的导轨，就可将模块旋转到位，安装在导轨上并由螺钉紧固。这种结构形式非常牢固而且有高的电磁兼容性。背板总线集成在模板上，通过将模板插入到总线连接器进行装配。S7-300的模块的品种繁多，应用范围十分广泛，可用于各种形式的扩展，亦可用于带ET200M分布式结构的配置；其结果是明显减少成本和维护用备件。具体硬件安装如图3.2.2：
硬件结构系统中根据我们前面系统的要求以及前面计算的点数，应包括电源模块,CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输出模块。
1、 CPU模块
CPU模块我们选用的是CPU314。
Order NO:6ES7 314-1AE04-0A0B, 24 KB work memory; 0.3 ms/1000 instructions; MPI connection; multi-tier configuration up to 32 modules, firmware V1.0
2、 数字量输入模块
由于数字量输入（DI）点数一共有8点，所以我们数字量模块选用一块DI16XDC24V。
order no:6ES7 321-7BH80-0A0B。 Digital input module DI 16x24 VDC, with hardware and diagnostic interrupts, extended environmental conditions。一共16点数字量输入点，不但满足系统的需要，而且留有一定的裕量，供以后扩展用。具体的模块端子接线图如图3.2.3
3、 数字量输出模块
由于系统的数字量输出（DO）一共有52点，所以我们的数字量输出模块选用DO32xDC24V/0.5A。
order no:6ES7 322-1BL00-0AA0。Digital output module DO32 24 V / 0.5 A, grouping 8。每个模块有32个数字量输出点，所以此种模块我们选择两个，也留出足够的裕量供以后扩展。具体的模块端子接线图如图3.2.4
4、 模拟量输入模块
由于系统的模拟量输入（AI）一共有13点，所以我们的模拟量输入模块选用AI8x12Bit。
Order no:6ES7 331-7KF01-0A0B。Analog input module AI8/12 to 14 bits。每个模块有12路模拟量输入，所以我们选用两个。具体的模块端子接线图如图3.2.5
5、 电源模块
各模块从背板总线吸取的电流：
25+2*90+60*2=325(mA)
从24V负载电源吸取的电流：
1000+1+2*200+2*200=1401(mA)
各模块功率损耗：
8+3.5+2*5+2*1.3=24.1(W)
信号模块从S7-300背板总线吸取总电流为325mA，没超过CPU 提供电流1.2A。各模块从24V电源吸取总电流为1.401A，所以我们选用了PS 307 5A做为电源模块。
Order no：6ES7 307-1EA00-0AA0。Load supply voltage 120 / 230 VAC:24 VDC / 5 A。
这样，整个PLC的硬件就组态完成了。
3.3上位机的画面组态及控制功能的实现
iFIX 创建画面十分简单。丰富的画图工具使我们在画面的编辑上更加生动逼真。它不仅包含了其他软件的大多数画图功能，还自带了大量图形和图库，使用户在图形编辑过程中能过调用其中的图形。
首先使用Intellution Workspace创建画面。创建一个新的画面， 点击标准工具栏中新画面按钮如图3.2.6
使用iFix工具栏，给画面添加一系列图形对象。以下图 3.2.7显示了可用的图形对象和工具栏按钮。
当创建一个对象并实现动画效果时， 首先双击对象， 打开动态属性窗口。（对于一些对象，例如OCX、报警统计、数据连接、图表、要在对象上点右键然后选择弹出菜单中Animation） 如图3.2.8所示：
单击希望实现的动作标签，出现相应对话框。下一步，选择你想操作的动态特性选项栏中相应复选框。
下面的表格列出了一些最常用的动画效果。
动画属性 所在标签 功能
水平移动 Position 在屏幕上水平移动对象
垂直移动 Position 在屏幕上垂直移动对象
水平填充百分比 Fill 以百分比水平填充一个对象。例如，如果输入值是50℅，对象被填充50℅
垂直填充百分比 Fill 以百分比垂直填充一个对象。例如，如果输入值是50℅，对象被填充50℅
水平填充方向 Fill 从左右，中心开始水平填充一个对象
垂直填充方向 Fill 从顶部，底部，或中间垂直填充
旋转角度 Rotate 对象旋转角度（椭圆，图表，无此功能）
统一尺度 Size 高度和宽度是否统一尺度变化
高度 Size 改变高度，宽度不变
宽度 Size 改变宽度，度不变
水平尺度百分比 Size 以百分比变化高度
垂直尺度百分比 Size 以百分比变化宽度
前景颜色 Color 前景色变化（线，折线，位图无此功能）
可见不可见 Visibility 使对象可见或不可见
标题 Text 变化文本标题
需要绘制的图形有生产流程工艺组态图，压力曲线设定图。以下就是根据生产流程和工艺绘制的用户画面组态图：
从图中，我们可以清楚的看出预应力管生产过程和现场的设备运行情况。对每个设备的控制，我们都给出了详细的控制实现方法。
1、水泵的控制
首先，每个泵都是可以手动和自动控制的。在运行状态时，用鼠标点击泵体就会弹出泵的控制的对话框，如图3.2.9 当第一个旋钮是手动模式时，如果第二个旋钮打到开启，那么这个信号就传到数据库中的泵的开关状态中，我们假定当这个状态是1时，泵是打开的，那么这个状态被置1，而且这个状态传到下位机。在下位机中，由程序根据当前的情况判断是否开泵的电机。如果接受到了电机的备妥信号和返回信号，而且接受到了上位机的将泵打开的信号，那么PLC就通过一个数字量输出点传给泵一个驱动信号，这样，泵就开始运行了。泵运行时，在上位机的组态画面中，泵的颜色就变成绿色。当需要手动关泵时，在图3.2.9中选择停止，那么这个信号就改变了数据库中的泵的状态，这个状态在此时变为0，下位机接受到这个信号，就停止了泵的运行，此时，在上位机组态画面中，泵的颜色变为绿色。
当泵处于自动模式下，由于通过电接点压力表检测控制，它的触点都接在PLC的控制回路中。所以当泵的压力达到电接点压力表的最低限时，它的触点闭合，由PLC中的程序控制下，打开电机，水泵开始运行，压力罐中的压力开始上升。当压力达到最高限度时，电接点压力表的另一个触点闭合，此时这个触点的连锁控制使PLC程序中的电机回路断开，电机停止运行。高压罐中的压力开始降低，当达到最低限时，电机再运行。
如果图中第一个旋钮的位置在自动上，那么在第二个旋钮中无论怎么旋转，都会出现错误的提示框，提示“当前处于自动状态，如果想手动启停水泵，请转到手动模式！”，这个提示框是用VBA脚本写成的，目的在于防止自动模式下的误操作。
2、管模及阀门的控制
预应力管一共有12个管模，每一个管模都有12个阀门，有三个进水阀和一个排水阀。三个进水阀分为大、中、小三种阀。每个管模上方都有一个手动、自动按钮。当按下自动按钮时，排水阀可以自己根据下位机对管模压力的比较自行的开启大、中、小三个阀门，而比较程序在下位机进行。当按下自动时，按钮显示为手动，再点击后，按钮显示自动，这样可以进行自动和手动的切换。这个命令是在iFix中的编辑脚本中进行编辑的，iFix的编辑脚本是VB编辑的，以下是对此按钮的编译程序：
Private Sub CommandButton1_Click() //1#管模的切换按钮
If CommandButton1.Caption = "自动" Then //如果管模为自动状态
CommandButton1.Caption = "手动" //按钮在显示为手动
CommandButton1.BackColor = "&h000000ff" //按钮的颜色是红色
ToggleDigitalPoint "Fix32.FIX.MA01.F_CV" //连接到数据库1#管模的当前值
CommandButton15.Visible = False //则1#管模下的设定按钮不显示
ElseIf CommandButton1.Caption = "手动" Then //如果管模为手动状态
CommandButton1.Caption = "自动" //按钮显示为自动
CommandButton1.BackColor = "&h0000ff00" //按钮的颜色为绿色
CommandButton15.Visible = True //1#管模下的设定按钮显示
End If
End Sub //程序结束
阀门的控制也是在画面中直接切换手动、自动状态。当手动状态时，可以直接点选一个阀门，然后在弹出的菜单中选择打开或关闭来直接打开关闭阀门。以下是对按钮的编程：
（1）1#管模下进水阀：
Private Sub CommandButton1_Click()
closepicture "模1小阀" //点击按钮关闭1#管模小进水阀的控制菜单
End Sub
Private Sub CommandButton2_Click()
closepicture "模1小阀"
End Sub
其1#管模的中、大进水阀跟小进水阀的编程一样。
（2）1#管模的排水阀：
Private Sub CommandButton1_Click()
If readvalue(Fix32.Fix.D001_4.F_CV) Like "off" Then
FIX21.Fix.D001_4.F_CV.writevalue , "on"
Else: writevalue "off""FIX32.FIX.D001_4.F_CV"
End If
closepicture "模1排阀"
End Sub
Private Sub CommandButton2_Click()
closepicture "模1排阀"
End Sub
其中重要的指令是readvalue和writevalue。两个命令是向iFix数据库的标签中读写数值的。
如图3.2.10
当点选开启时，数据库中存储阀门状态的状态值变为1，这个状态传到下位机，由PLC中的程序根据状态由一个数字量输出点来控制阀门的开关。阀门的开关状态在上位机组态画面中用颜色来表示的。阀门打开时颜色是绿色，当阀门关闭时，颜色变为红色。如图3.2.11
如果在自动模式下，点手动就不会有任何反应了。自动模式下阀门的开关是通过当前压力与标准压力的比较来由下位机自动控制的。
在压力设定中可以设定1#管模的相关数值，然后点击开始按钮让1#管模运行，停止按钮可以停止1#管模的工作，点击退出按钮可以退出此对话框。如图3.2.12
当点击压力设定按钮时弹出图3.2.13
点设定会进入标准压力设定界面，在图3.2.13在里面需要设定一次升压速率、一次保持时间、二次升压速率、二次保持时间、带宽范围，报警范围，这里是用数据库里一个梯度块的形式完成的，用来设定标准压力曲线，点确定后该曲线自动写入数据库。拿一段升压速率来说明，将一段升压速率的值连接到iFix的数据库中1DSYLV中，其中它的域名为A.RATE1。如图3.2.14
其它的数值输入跟一段升压速率相同，只是域名不同。以下为这些数值输入的数据源：
一段升压速率：Fix32.FIX.1DSYLV.A_RATE1（A_RATE1指的是一段升压速率）。
二段升压速率：Fix32.FIX.1DSYLV.A_RATE2（A_RATE2指的是二段升压速率）。
一段保持时间：Fix32.FIX.1DSYLV.A_HOLD1（A_HOLD1指的是一段保持时间）。
二段保持时间：Fix32.FIX.1DSYLV.A_HOLD2（A_HOLD2指的是二段保持时间）。
一段期望值： Fix32.FIX.1DSYLV.F_TV1（F_TV1指的一段期望值）。
二段期望值： Fix32.FIX.1DSYLV.F_TV2（F_TV1指的一段期望值）。
带宽范围： Fix32.FIX.DKFW_INT01.F_CV（F_CV指带宽范围）。
报警范围： Fix32.FIX.BJFW_INT01.F_CV（F_CV指报警范围）。
设定完成后，点击图3.2.13中的确定，所设定数据就写入了数据库中，然后在图3.2.13中的“开始”，管模就进入运行状态。
然后系统就根据标准压力和从现场采集的实际压力进行比较，然后根据比较结果自动控制阀的开关，当然，为了减少系统的延迟，这个比较过程是在下位机PLC中进行的。这样，就实现了系统需要的手动自动控制。
在管模工作的时候，管模中的实际压力可能会小于标准压力。当实际压力的值与标准压力的值之差小与0.01MP时，在带宽范围之内，则管模正常工作。如果实际压力的值与标准压力值的差值大于0.025MP时，系统就报警。当系统压力的实际压力值与标准压力值在两者之间的话就开启三个进水阀的任意一个或者是三个阀之间的组合。实际压力和标准压力之间的差值测量在下位机中实现。
在上位机中我们只是根据下位机传上来的数值来显示三个阀中的那个阀开启了还是关闭了。
3、 历史曲线的设定
如果想将每个管模的标准压力和实际压力曲线保存一定的时间，供以后的查看和统计，那么将用到iFix中的历史曲线功能。点击“工具栏”中“历史定义”按钮，或者从Intellution工作台的系统树中选择“历史定义”，启动历史趋势定义程序。下面是在“历史定义”窗口定义了在THISNODE节点上的一个采集组，采集速度为30秒，相位偏移为0秒。如图3.2.15
要启动“历史数据采集”，从Intellution工作台中选“任务控制”按钮，点击“HTC”书签页，点击“启动”按钮开始采集数据。启动采集后，该页将显示历史数据采集超载情况。如图3.2.16
然后即可在图符集中找到相应的历史曲线图，加入到我们想实现历史曲线的画面中，如图3.2.17
4、 报警的设置
随着现场的运转，过程条件是不断变化的。操作员需要监控这些条件来确保现场安全运转，并且避免浪费原料或损坏设备。
通过允许iFIX报警系统，您能够安全高效地管理您的现场。一旦您允许报警，iFIX将发送报警来报告需要做出应答的潜在有害过程条件。这通常会在过程值超出其预定义的界限时发生。例如，压力罐的压力过低时，会产生一个报警信号，出现在罐的附近，以红底黄字显示“压力过低”如下图：
系统中还有一个管模压力过高的
报警。当实际压力与标准压力之差大
于报警范围0.025MP时，系统就报警。
实际压力与标准压力的差值对比在下
位机进行，然后将信号返回上位机进
行报警。当报警时管模的下方就会有
红色的长方形出现，见右图。如果不报
警图形不显示。
3.4 可编程序控制器的程序设计
PLC的控制程序主要在西门子公司的STEP 7_V5.1软件环境中完成。STEP 7是用于SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。
当使用STEP 7创建一个自动化控制系统时，有一系列基本任务。下图所示大多数项目需要执行的任务。我们有两个选择：可以先组态硬件然后编程，也可以先编程块而不组态硬件，这种方法主要用于维修和维护工作。在这里，我们选择第一种方式。
1、 创建一个项目结构，组态一个站。
项目就像一个文件夹，所有数据都以分层的结构存于其中，任何时候都可以使用。在创建了一个项目后，所有其他任务都在这个项目下执行。组态一个站就是指定要使用的可编程控制器，这里，我们选择SIMATIC CPU314。
2、 组态硬件
组态硬件就是在组态表中指定系统所使用的模块以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模块。在本系统中，我们用到了一个电源模块，一个CPU模块，一个数字量输入模块，两个数字量输出模块，两个模拟量输入模块。具体型号类型参看第三章3.2.2 PLC模块的选择及各模块的选择。图3.4.1是本系统在STEP 7中的硬件组态图
3、 创建程序
用一种编程语言创建一个与模块相连接或与模块无连接的程序，并以快，源文件或图表形式存储。在这里，我们使用梯形逻辑图（LAD）作为编程语言。梯形逻辑图是编程语言的图形表达形式，它的指令语法与继电器的梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，使用梯形图可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。首先根据工艺及控制要求给出程序的流程图如下：
具体程序如下：
(1) 主程序（组织块OB1）
首先，组织块OB1调用功能快FC10，在 FC10分别输入各模拟量，并逐一进行信号有效性诊断，如有异常，则报警。并完成高压水罐达到需要的标准压力值,调用 FB20，在FB 20中输入各模拟量，从而完成各管模的压力自动控制。如图
(2)管模压力控制块FB20
功能：根据模拟量与上位机传来的标准压力的根据控制策略对三个进水阀和一个排水阀进行开关控制。达到按上位机压力曲线的设定。
FB20变量声明表:
梯形图程序：
(3) 高压水罐压力检测块FC10
功能；对模拟量进行超上限和超下限判断。若有，则置位超限标志，并对进水泵开关进行相应动作。
FC10变量声明表
梯形图如下：
4、 下载程序到可编程控制器并调试。
3.5上位机与PLC的通讯
上位机IFIX和下位机PLC有很多连接方式：从硬件上讲可以分为PROFIBUS（L2）连接，工业以太网连接（H1），标准以太网（TCP/IP）等，它们都需要相应的西门子通讯模块和通讯网卡与之配合使用；从软件上讲使用OPC（OLE for Process Control 用于过程控制的对象链接与嵌入）方式连接，也可以使用西门子和IFIX之间通讯专用的驱动程序连接数据。
本系统在数据通讯部分设计思想为：采用较为简单的方式，软件上采用西门子和IFIX数据连接专用的西门子S_7驱动程序，硬件上采用PROFIBUS连接使用的CP5611通讯卡，并通过MPI总线连接上位机和下位机。首先在上位机的PCI插槽中安装CP5611卡，并通过MPI通讯电缆连接到PLC中CPU的MPI口上，从而完成硬件配置。然后进入S_7驱动程序，并在S_7驱动组态画面中进行相应的配置，定义出用于上位机和下位机连接的映射地址如图所示：
通过MPI，可以实现使用NetPro时间驱动的循环数据传送。选择通讯的PLC，在表中输入数据源和数据目标，自动生成要下载的所有块，并自动完整的下载到CPU中。如图3.5.1
然后进入S_7驱动程序，并在S_7驱动组态画面中进行相应的配置，定义出用于上位机和下位机连接的映射地址如图3.5.2所示。
然后，在上位机IFIX的数据库中增加相应的数据块（标签），在数据块的地址域中，选择预先安装的S_7驱动程序“Siemens Simatic S7 v6.10e”，并填写相应的I/O映射地址，如D11:M0，从而完成数据的映射和连接。IFIX数据块的配置如图3.5.3所示。
第四章 结束语
本文主要论述课题“预应力管稳压控制系统”的设计与实施。随着信息化建设在国内的广泛普及和加速发展，越来越多的公司企业使用现代化的控制监控系统。其中工业监控网络构建、实时化程度、组态软件与硬件设备的通讯、数据采集的安全性、数据发布的高效和稳定性是研究的热门方向。本文的前一部分介绍了济南市山水集团预应力管稳压控制系统的控制要求，以及组态软件和可编程序控制器介绍，后一部分介绍了对该项目的具体系统设计方案。其中每一个问题的成功解决、每一个方案的成功实现都凝结着指导老师和全组成员的辛勤汗水。通过这个项目，我学到了很多组态软件的使用方法，数据库的访问和操作方法，可编程序控制器的程序编写、硬件组态以及上位机和下位机通讯等方面的知识。
本系统将为企业带来直接的经济效益，将使企业的管理水平进一步提高。
目前系统的设计已经初步完成，但还存在一些问题：iFix软件平台有时运行出错，iFix软件平台过于庞大，对硬件系统要求过高这都依赖于iFix平台的不断完善。在与PLC通信方面，目前的通信程序只是完成了数据的读取写入功能，其他方面的具体要求还没有完全实现。
参考文献
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10 Simens AG. S7-300使用入门 Electronic Book,1998
11 Simens AG.STEP7_v51_c编程手册 Electronic Book，1998
12 Simens AG. Siemens S7-300产品目录Electronic Book，2001
附 录
附图一：PLC模拟量输入接线图
附图二：PLC数字量输入接线图
附图三：PLC数字量输出接线图
附表一：预应力水泥压力管稳压控制系统设备变量表
致 谢
在毕业设计中我衷心感谢我们的指导老师王斌鹏老师!感谢王老师在我们的学习和生活中给予我们的无私关怀、悉心指导和严格要求。王老师渊博的学识、丰富的经验、敏锐的洞察力、严谨踏实的治学态度和谦虚谨慎的作风给我们留下了非常深刻的印象，使我们受益颇深，并将对我们今后的学习、工作和生活起到巨大的指导作用。王老师富有创新性的思想，对待工作一丝不苟的态度和认真细致的指导是我们的学士论文圆满完成的前提条件！
感谢我们学院的领导和老师们所给予的指导和帮助，并为我们提供了良好的毕业设计环境，这里向他们致以我深深的谢意！
感谢同组的高亮和马宁同学给予我极大的支持，他们热心的帮助、丰富的计算机理论与实践知识给我留下了深刻的印象，同时也激励我奋发向上。在这里，我要向他们表达我的谢意！
感谢我的父母在背后给我的默默的奉献，他们给了我精神上极大的支持，他们的关心和鼓励，永远都是我前进的动力，我的成功是给予他们最好的回报！
最后感谢所有关心和帮助过我的所有老师、同学和朋友，衷心的感谢你们！
