摘要：本文介绍了SIMATIC S7-300可编程控制器在加气混凝土生产自控系统中的设计与应用。可编程控制器除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的自动化设备的控制。此外，工控组态软件作为一种标准的人机界面被用于监控工业生产的动态过程。本系统中基于软件和硬件的执行情况将在文中作进一步的详细阐述。
关键词：粉煤灰 加气混凝土 可编程控制器 组态 通讯
1 引言
为落实节能减排方针，保护耕地，逐步淘汰粘土实心砖。根据国家墙改政策，研制开发粘土实心砖的替代产品，采用新型建筑材料作为墙体，已成为形式发展的必然。加气混凝土砌块作为一种新型建筑材料，已在我国建筑工程领域得到广泛应用。
青岛鲁能加气混凝土建材有限公司作为一家成立较早的生产加气混凝土砌块的新型环保建材企业，主要利用华电青岛发电有限公司排放的粉煤灰为主要原材料进行蒸压加气混凝土砌块的生产与经营。为进一步满足企业持续快速发展的要求，提高生产效率和管理水平，公司在生产中积极实施生产自动化控制系统，为逐步实现现场级、控制级、企业级的信息化网络环境奠定基础。
2 加气混凝土生产自控系统介绍
2.1工艺设计要求
该生产线主要由破碎系统、粉磨系统、制浆系统、打浆系统、浇注系统、切割系统及蒸养系统来构成。控制系统需要对其中的破碎、粉磨、制浆、打浆、浇注、蒸养过程进行监测与控制。根据生产工艺设计要求，生产自控系统采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器（PLC）构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
（1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、称重等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。
（2）加气混凝土生产的自动控制，即实现原料制备、配料、浇注、蒸养等过程的自动控制。在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态的同时，进行故障诊断。
（3）根据各原材料称重设定参数进行称重配料过程控制；根据各温度参数，调节浇注、静养、蒸压的进汽压力。
（4）自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同环境温度对应不同的生产周期。
（5）在符合生产条件的情况下，对整个生产过程可实现手动/自动切换。
（6）对调节部分可采用手操器控制，确保进汽的温度、压力准确稳定，使蒸汽温度达到加温要求，并对其故障实现实时报警和联锁启停切换控制。
自动控制系统配料部分流程图，如下：
2.2 控制系统选型及特点
为了满足上面提到的蒸压加气混凝土砌块生产自控系统的设计要求，我们选用西门子公司SIMATIC S7-300可编程控制器（PLC）和研华公司IPC-610工控机（IPC）构成的自控系统，再配以先进的WinCC监控软件，来实现换热首站自控系统的各项功能。
当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
S7-300采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。
SIMATIC S7-300可编程控制器
3 控制系统构成
3.1 控制系统硬件配置
根据设计要求本系统所选用的硬件产品，如下所示：
（1）工业控制计算机（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz处理器，512Mb内存，80Gb硬盘；
（2）中央处理单元 （CPU）
CPU 313C，2DP；
（3）信号模块 （SM）
SM 321，数字量输入模块3块；
SM 322，数字量输出模块1块；
SM 323，数字量输入/输出模块1块；
SM 331，模拟量输入模块1块；
SM 332，模拟量输出模块1块；
（4）通讯处理卡 （CP）
CP 5611通讯卡2块；
（5）负载电源模块 （PS）
PS 307，电源模块1块。
可编程控制器硬件组成结构，如下：
3.2 控制系统网络结构
系统网络拓扑结构，如下：
3.3 软件组态过程与效果
工控组态软件WinCC（Windows Control Center）是一个集成的人机界面（HMI）和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上第一个集成的人机界面（HMI）软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。换热首站HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机（PCS）和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。最终实现了在HMI操作站（上位机）上以最少的设备数量提供最大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。
在上位机上用WinCC组态软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
（1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个加气混凝土生产现场的全过程，并且在设备本体上实时显示了相关状态或参数，以便于操作者能及时准确的掌握设备的运行情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。
（2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。
（3）报警记录：对于如称重、釜压、釜温等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。
（4）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外，还具有报警或变量记录档案库数据的运行报表。
（5）班次生产报表：通过对实事数据的记录，对各生产班次原材料的用量进行记录并进行数据统计，形成班次生产报表及月度报表，为生产管理提供可靠依据。
（6）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。
系统监控画面
3.4 网络通讯方式
为了满足在单元层、现场层及其它方面的不同要求，有多种通信网络及国际标准可供我们选择，主要有Industrial Ethernet（IEEE 802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC 61158/EN 50170）、AS-I（EN 50295）、EIB（EN50090、ANSI EIA 776）、MPI及Point-to-point connections等。根据本系统的网络通讯要求和特点，我们选用了PROFIBUS-DP通讯方式，其优点是CPU可以同时与多个设备建立通讯联系，如编程器、HMI设备和其它可编程控制器可以连接在一起同时运行，无需多次编写通讯程序。由于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中第一层和第二层及用户接口层，所以可以保证数据传输的高速性，传输速率可达12Mbps。PROFIBUS-DP凭借传输速度快、数据量大以及良好的可扩展性等特点，成为目前广大用户普遍采用的通讯方式。我们利用PLC的DP接口与上位机CP5611插卡的DP接口进行数据交换，它们均采用RS485物理接口实现网络通讯。同时，在系统中预留了与企业MIS的接口，为提升企业信息管理水平奠定了基础。
4 系统功能
4.1 控制中心数据采集功能
上位机将可编程控制器中传出的数据信息直接采集，通过软件功能将信号以文字、图像、报表等方式形成人机界面。操作人员通过此界面进行监控操作。
4.2 控制中心控制信号发送功能
控制信号由上位机经通讯模块送入控制器，由控制器来实现各控制指令。
4.3 监控中心控制及集中管理功能
在上位机的监控画面上点击相关控制设备均可对其进行控制，对相关参数及设备运行状态实现实时显示、报警和历史记录并形成报表。特别是对各班次的生产配料情况进行记录、统计，为相关生产管理部门提供可靠的生产分析与决策依据。通过摄像监控功能实时监控生产现场设备运行状况，可及时发现设备及管路的异常现象，最终实现设备无人值守、控制室集中管理的目标与要求。
4.4 系统调节控制功能
主要包括浇注前加温控制、蒸压釜升温、恒温、降温控制等功能。通过以上控制功能的实现，最终完成对整个生产过程的顺序、调节控制及联锁保护等控制。
5 结论
本文讨论了基于SIMATIC S7-300系列可编程控制器的加气混凝土生产自控系统的设计与实现，充分发挥了该系列可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便及可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了可靠保障。同时，在生产现场需要采用大量一次仪表元件及执行机构等设备，为进一步提高整个系统可靠性我们选用了相应的传感器及电动执行机构，从而解决了相关系统接口及现场通讯问题，进一步提高了系统可靠性，最终实现了设计目标与要求。
2006年12月该系统投入试运，2007年1月正式投入运行。在一年多的实际应用中,该系统对提高企业生产效率和管理水平发挥了积极作用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。同时，该项目也得到了相关行业专家的广泛认可，认为值得进一步推广应用。