6ES7516-3UN00-0AB0型号介绍
1 引 言
石家庄市供水总公司地表水厂是1996年建成投产的自动化程度很高的地表水厂。水厂设计日产水30万吨，技术和工艺全部从国外引进，已运行十年的自控系统面临瘫痪。石家庄供水公司根据十年的运行经验，决心依靠自身的技术实力，通过自主研发对水厂自控系统进行改造。2006年开始对全厂的PLC自控系统进行全面改造，为了不影响整个供水生产的正常进行，改造工程分二期进行，至2007年11月改造工程全部竣工。改造后的自控系统满足了八水厂生产的要求，进一步完善了原系统的性能，并实现多项技术突破和工艺改进。新系统开创了多项技术创新之先河，明显超出了原系统的设计水平，原系统的遗留问题均得到妥善解决。送水泵房实现变频调速，恒压供水，取得良好的节能效果；成功的实现了PLC自控系统与第三方设备的通讯，奠定了工程成功的基础；针对进厂水加药、沉淀、过滤的设备和工艺现状，实现多项工艺改革和创新；在改造过程中，新、旧系统的软件兼容调试成功，为公司节约了大笔硬件兼容的费用。
2控制网络的优化
2.1原自控系统的拓扑结构
地表水厂原自控系统使用Square D PLC作为自控系统的主力设备。逻辑上设有7个主站、9个子站。其中公司调度中心的PLC已经拆除，黄壁庄取水管理站PLC与厂区的无线通讯联系由于设备原因已经中断。子站采用小型的SY/MAX 50系列PLC，其他站采用中型的SY/MAX 400系列PLC。厂区内PLC依照Square D的产品要求使用双绞线和光纤组成SY/NET工控网络（不包括脱水间PLC）。中控室与黄壁庄取水口PLC采用400兆赫无线通讯的方式交换数据。SY/NET网络通讯速率2M，无线通讯速率为9600bps。Square D PLC采用HDLC协议，该协议相对比较简单，但效率较高。系统拓扑结构如图1所示。
图1 八水厂原自控系统的拓扑图
2.2新自控系统的网络规划
在整个网络体系中我们采用了 Rockwell Automation公司的Netlinx结构。在这个网络体系结构中采用的是CIP协议，基于Producer/Consumer的通讯方式，不再是以前的主-从方式。这样CPU就不再是瓶颈，既降低了CPU的负担，又可以实现I/O共享。机组之间的数据交换可以通过I/O直接进行，而不需要再通过CPU进行交换。这样机组间的数据交换速度基本上可以达到实时的程度。
控制级采用ControlNet这种全新网络模式，网络间采用双介质冗余，保证了系统的稳定性。这种生产者/消费者(PRODUCER/CONSUMER)模式，它不需要单独的源/目的地址，代之以数据标识，因此不同的消费者（信息接收者）可以根据数据标识同时接收来自生产者（信息产生者）的信息，如果某些信息是它所不需要的，它可以忽略，而只处理那些它所需要的信息，这种全新的网络模式是对传统的网络模式的革命，它极大地**了网络效率。该模式同时也被DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代表了下一代网络的趋势。
系统监控主要采用A-B公司的ControlLogix系统，在整个系统中都设计有通讯功能。ControlLogix的结构能够利用独特的ControlBus底板为整个系统创建通信网关，ControlBus底板不采用典型的主–从模式，而采用另一种方法，该方法基于生产者/消费者，在CONTROLNET和DEVICENET通信网络中会遇到这种模式。对于一些小型站，采用了A-B公司的CompactLogix系统，CompactLogix在控制站上还配有人机界面系统，采用了A-B公司的PanelView操作员界面，能够提供丰富的功能，包括**的报警处理，屏幕安全设置，模拟量表盘，存储卡兼容，在线打印等，这些功能将为操作员提供更为直观的操作方法。
不同的控制系统，相同的编程组态环境，统一的网络体系，这样的设计节省了很多培训费用和工程执行时间。
根据水厂生产工艺及管理要求，在系统设计时以原系统的站点结构为依据,保留原有的6个主站、9个子站。6个主站采用Contrologix系列PLC；9个子站采用Compactlogix系列PLC，滤站8个子站分别控制16个滤池的动作，脱水间的带式压滤机也由一个子PLC主导控制。脱水间PLC、8个滤池子站PLC采用Compactlogix系列PLC，其他站采用Contrologix系列PLC。厂区内主干网即各主站PLC之间以及主站与子站之间均采用ControlNET冗余网络，通讯时如果A网出现故障可改用B网，无需人工设置。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在伴有高电压及大电流的区段选用光纤作为网络介质。中控室与黄壁庄取水管理站PLC、岗南取水管理站RTU通过第三方通讯模块MVI56-MCM进行无线数据通讯。上位机及触摸屏均挂在ControlNET冗余网络上。ControlNET网的通讯速度为5M/s，无线通讯速率为19200bps。
3自控系统的数据兼容
3.1数据兼容的设计背景
由于地表厂自控系统的改造工作不能影响整个供水生产的正常进行，因此改造工作应该是分步骤实施的。这种阶段式改造必然导致新系统与原系统长期共存。那么，两套系统的互联互通就是该项目的一个难点。系统兼容就是指新自控系统与原自控系统在共存期间的互联互通问题，新自控系统将把已经改造站点的数据按照原自控系统的数据要求写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。但是，原自控系统不能向新自控系统的设备发送指令。
新系统与原系统的兼容性可以从两个方向来解决：硬件兼容和软件兼容。两种兼容方式各有利弊，从保护投资的角度考虑，软件兼容解决方案是一个比较可行的方案。
3.2硬件兼容
硬件兼容是指通过在新系统和原系统之间增加硬件适配器的方法来双向转换两种不同的PLC协议，从而实现两个系统的互连互通。这种方式的典型应用是扬州第四水厂的滤池改造项目。这种改造方式的系统拓扑结构如图2所示：
图2 硬件兼容系统结构图
这种处理兼容性的方法可以做到比较平稳地从原系统过渡到新系统，比较适合工期较长的改造项目。当然，它也存在一定的弊端。首先，选用的硬件适配器是一个过渡的投资，这个设备在新系统建成之后就失去存在的意义，而且一般来说，专用的协议转换适配器由于用途单一，往往价格较高，昂贵的投资可能只使用一到两年，从硬件成本上来考虑很不划算；另外，这种改造方式并不能节约软件开发成本，所有原系统中的下位程序和上位软件都需要重新编写、重新开发；还有，使用硬件兼容从改造角度来讲会限制新系统的设备选型范围，使改造工作从某种意义上成为对一种过时产品的升级。硬件兼容的系统改造示意图如图3所示
图3 硬件兼容的系统改造示意图
3.3软件兼容
软件兼容是指从上位软件来考虑新系统与原系统的互连互通问题。一般来说，工控上位组态软件都会支持多种PLC协议，这样做的目的就是为了使该软件可以支持更多厂家的PLC产品，从而大限度地**其产品的适用性。所以我们可以让组态软件来完成两个系统之间的数据交换。组态软件从新系统中读来数据写入原系统中可以在过渡阶段保持原系统的逻辑完整性；另一方面新系统从原系统中读取数据来完成新系统的控制策略，测试新系统的综合性能。这种兼容性解决方案一方面可以减少工程投资，另一方面不会过多增加编程的工作量。当然这种方式也不是的。系统的兼容性是需要上位组态软件在系统中的存活来维持的。如果上位机宕机或退出运行状态那么两个系统的互通链条就会中断。这就要求上位软件的开发工作要超前于硬件的安装调试，起码要同时完成，而且上位程序必须在实验室先期进行全面的测试，务必在程序安装到位后尽量进行少的修改工作。当然，硬件兼容解决方案也存在类似的问题，毕竟技术改造项目以小限度地影响正常生产为首要条件。
新、旧自控系统的兼容将采用OPC的方式加以实现。具体的做法是：以中控室的一台新系统的上位机作为OPC服务器，该服务器运行Kepware for Square D服务。Kepware for Square D的服务器端与新系统的上位软件（RsView SE）交换数据，客户端与原自控系统的PLC相连。通过Kepware for Square D 做为新系统和旧系统的数据交换桥梁。已经并入新系统的站点数据将通过上位软件以OPC的方式直接写入原系统中的PLC5 CPU中。OPC服务器通过串口与PLC5的RS232口连接。由于Kepware for Square D不支持与SY/bbbb卡的通讯，因此需要在PLC5的程序中额外增加将新系统的数据写入SY/bbbb卡邮箱（mailbox）的程序。通过这种方式，新系统中的数据就可以在原系统中传输并显示了。软件兼容解决方案的系统拓扑图如图4所示：
图4 软件兼容系统结构图
4地表水厂的工艺改进
4.1控制策略的移植
控制策略的移植实际上就是把旧系统的PLC中运行的各种控制工艺程序移植到新的PLC程序中。一般来说，这个工作理论上很简单，只是读懂旧程序，按照新设备的编程约束重新编写程序，使两种自控设备在相同激励下保持行为一致。但是在实际操作上这部分工作繁琐、容易出现安全隐患。首先两种控制设备在编程规则、实现手段上必然存在差异，程序员必须熟悉两种设备的特点，不可能只进行简单机械的拷贝就可以完成任务。另外，原系统的控制程序是经过现场各种复杂条件考验、结合系统维护人员多年来辛勤工作总结出来的策略结晶。新系统不可能有足够多时间磨砺和现场考验，大部分的程序修改和现场模拟必须在实验室来完成，这必然会在一定程度上出现偏差和遗漏。力争把隐患发生的可能性降到低限度，这部分工作是决定新系统成败的关键因素。
4.2程序优化和工艺改进
在PLC程序设计当中，程序员不要拘泥于原程序，要根据设备和工艺现状，以全新的方式实现了原系统的所有性能，并展开改进和创新。地表水厂进厂水经过沉淀池沉淀后通过16个滤池过滤到清水池，滤池是地表水处理的重要一环，直接关系到水质的好坏。程序员在程序设计中勇于创新，实现滤池反冲洗工艺的多项改进。
首先消除了滤池液位的不合理的异常报警，弥补了原系统程序设计的漏洞。滤池正常过滤时液位控制在0.95m，并设有高、低液位报警。滤池反冲洗时液位只有0.25m左右，低于正常过滤液位。原程序在反冲洗时会发生不合理的低液位报警，新系统经过程序员的精心设计，克服了这一弊端。
其次改进了滤池反冲洗工艺，节水的同时使工艺更趋合理。原系统滤池反冲洗时，进水提板闸板关闭的同时打开出水提板闸。此时液位尚高，滤池内大量的水排到污泥处理系统；在除锰期，污泥处理系统停用，就被直接当作污水排掉。程序设计人员与工艺人员密切配合，大胆改进。反冲洗开始时，关闭进水提板闸板，将清水出水阀全开，延时2分钟，使滤池内的水继续正常过滤到清水池，待液位下降到接近反冲洗液位时，再打开反冲洗出水提板闸。改进以后的反冲洗工艺明显地减少了设备损耗，节约了水源。
滤池反冲洗的气洗&水洗的时间要根据水质进行调整，新系统将反冲洗气洗&水洗的时间设计成操作界面可调，使操作更加便捷。
沉淀池刮泥桥的自动运行靠南、北限位开关控制。如果限位开关没有正常压上，自动运行的刮泥桥不能停下来，曾经造成刮泥桥驱动电机烧毁的恶性事故。程序设计人员为刮泥桥的自动运行增加了超时保护和报警，并增加了运行时间的计量和显示，方便了用户，消除了设备隐患。
岗南、黄壁庄取水管理站与厂区的数据通讯中断多年，新系统实现了岗、黄取水管理站与厂区的无线数据通讯，结束了厂区与岗、黄靠联系的局面。岗、黄水库取水管理站的自控系统相对独立，相当于水厂控制系统的两块飞地。新系统投运后采用无线通讯的方式将管理站内的现场数据传输到水厂控制系统。岗南取水管理站的自控系统使用的RTU、黄壁庄取水管理站的取水**计都是使用MODBUS协议的第三方设备，实现了新系统与第三方设备的互联互通，并成功恢复厂区与岗、黄取水管理站的无线通讯是工程设计、实施中的一个靓点。
滤池工艺图如图5所示：
图5 滤池控制工艺
5结束语
石家庄地表水厂的自控系统改造工程中，采用全新的控制网络设计理念，成功实现改造过程中的软件兼容，在不影响生产的前提下，完成控制工艺的移植，并对PLC程序展开优化，成功完成多项工艺改进，成为整个工程的亮点
在当今的工业自动化领域，基于现场总线技术的网络集成自动化已经取代原有的集散控制系统(DCS)，成为这一领域的技术热点。而控制网/设备网现场总线技术将会成为未来发展应用DeviceNet 安全PLC 现场总线广的三大现场总线技术之一。该文首先详细分析了Rockwell Automation具有三层网络平台的全分布式控制系统的工作原理和技术规范，阐述了系统结构及其强大的功能，展示了Rockwell Automation网络对工业过程的控制方式和控制特点。机器人汽车焊装线控制系统通过EtherNet/IP实现车间车间设备信息的监控，生产管理系统(MES)的实施，生产报表的管理，通过以DeviceNet为底层网络的现场总线实现设备控制，主控PLC系统采用GUARD LOGIX控制器，集成了安全PLC的控制功能，主线上所有机械设备、机器人的控制通过DEVICENET总线完成，安全信号如急停按钮、安全光栅、安全扫描雷达、安全门开关通过DEVICENET SAFETY总线完成控制。
关键词:DeviceNet 安全PLC 现场总线 汽车焊装线 可编程序控制器
1 引 言
现场总线技术适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。Rockwell自动化公司自1971年就开始生产了基于DeviceNet现场总线的PLC，用于汽车生产线控制。随着公司的发展，Rockwell在工厂自动化控制、微处理器、无线电、航天飞机、**通信系统和全球定位系统等领域成绩显著。罗克韦尔自动化为用户提供了覆盖从车间级设备的控制到企业级生产控制和信息管理的全方位的工业网络解决方案--网络集成自动化为基础的企业信息系统。如今，罗克韦尔自动化致力于扩展基于CIP的自动化控制的产品规模。CIP是三层网络设备网，控制网，和Ethernet/IP网共享的应用层，可以帮助实现在一系列设备上实现通用控制、配置、数据收集和共享。还可以为自动化用户带来巨大的效益：降低成本，增加易用性，产品和网络集成变得更为轻松，同时能支持多家供应商提供的设备的互操作，提供了设备连接的便利性。
1.1 EtherNet/IP 工业以太网
EtherNet/IP由两个重要的国际组织ODVA和ControlNet International于2000年共同推出，是使用TCP/IP协议的真正意义上的标准工业以太网，一经推出已得到了全球近百家供应商的支持，目前已有上百种EtherNet/IP产品可供用户选择，包括过程控制器、PLC、I/O、变频器、软启动器、视觉产品、条码扫描设备、称重设备、电力智能监控单元、过程总线FF链接设备、交换机等，并且广泛应用于汽车、食品饮料、电力、化工、水处理、采矿、冶金、建材和轮胎等各个行业。
1.2 控制网网络ControlNet
ControlNet基于改型CANBUS技术，可以作为沟通逻辑控制和过程控制系统，传输速率为5Mbps.控制网网络是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。控制网是一种现代化的开放网络，它提供如下功能：对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作均具有相同的带宽。对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性功能。
1.3 设备网现场总线DEVICENET
DeviceNet基于CANBUS技术，用于PLC与现场设备之间的通讯网络。它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125-500kbps。设备网络通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接。世界范围的150多个销售商积极支持敞开式设备网销售者协会（ODVA）基于CAN技术的网络。这种64个节点、多支路的网络，允许用一根电缆去连接500m以内的设备并远至用户的可编程控制器，无需用导线把每一个设备和一个I/O机架连接起来，总之所有这一切可以减少导线的费用并方便安装。
2 汽车白车身焊装线系统
汽车焊装线是将各车身冲压件装配、焊接成白车身的机器人系统集成生产线，结构上分成地板线和主拼线，地板线主要是将前底板总成、后底板总成、发动机舱总成焊接拼合成车身下部地板，而主拼线是将地板线、车身左右侧围、前后顶横梁、顶盖组合成一个完整的白车身，各工位由相应的焊装夹具、上件系统、点焊设备、输送系统、点焊机器人、机器人控制系统及电气辅助设备等组成。车身拼接完成后，通过在线测量工位完成关键点精度检测，并与车型数模进行比较后得出外形尺寸公差，检查质量，然后车身下线送至调整线进行外观检查、车门、发动机仓盖、行李箱盖及其他工件的安装，至此完成了汽车焊装的过程。
(1) 奇瑞汽车焊装线项目控制网络结构介绍（见附图）：
该项目是奇瑞新车型的车身焊装线系统，设计思想体现了新时代自动化控制系统的设计思路，整个焊装线主要是由51台KUKA机器人点焊机器人系统和相关机械设备组成，输送设备包括滚床、往复杆、链式输送机、夹具、EMS小车等，控制设备包括7套GUARD LOGIX PLC系统及相关的模块，附图是整个系统内一套PLC控制区域的框架图。
附图 一套PLC控制区域的框架图
(2) 控制方案介绍
奇瑞汽车焊装线系统使用了GUARDLOGIX 安全控制器系统作为主控制器，其综合了ConTROL LOGIX平台使用的高性能和灵活性，集成了安全控制特性的高等级（安全集成等级3），编程方法简单灵活。点焊机器人使用德国KUKA公司KR200系列通用机器人安装工频点焊枪实现车身部件的点焊熔合，机器人通过PCI接口卡实现DEVICENET接口的MASTER/SLAVE通讯方式，分布式I/O系统采用了1734 POINT IO、1732 ARMOR BLOCK I/O实现设备信号的输入和输出控制，安全回路使用DEVICENET SAFETY总线、SAFETY IO模块实现安全信号的输入输出控制，输送设备电机采用POWER FLEX（40、70、80）系列变频器通过总线控制，连线简洁并减少了差错。生产安全区域控制使用了安全光栅、安全雷达扫描器、安全毯、安全门开关等安全设备实现对现场操作人员的保护。汽缸、定位销、锁紧机构等气动元件使用阀岛实现集成控制，防护等级达到IP65。人机操作界面使用PANEL VIEW 触摸屏实现控制区域内设备状态、故障报警、机器人状态信息的显示，机械设备手动操作功能的实现。
(3)主要设备型号见附表
附表 主要设备型号
3 结束语
(1)RSLogix5000软件的基于标签TAG的数据库管理技术使用起来确实方便,它是真正采用标签技术寻址的PLC,在上位机通讯中与PLC逻辑中每个模件都有唯一的名称,同一变量可以有不同的标签进行表示，控制器的标签对全部任务都是可见的,这种方式比传统的编程软件**了效率、减少了繁杂的命名、地址标记过程。
(2)GUARDLOGIX PLC控制器集成了安全PLC的功能，编程调试都在同一套软件内完成，为程序员提供了熟悉易用的编程环境，硬线连接也改变以往需要总线接口的方式从而实现无缝连接。
(3)PID模块的使用非常的简单方便,功能很完善,包括软手动和硬手动的切换、PV-SP跟踪等功能,可以方便的实现手自动的无扰切换。
(4)AI(4-20mA)I/O模块对采样的数据可以进行量程转换,不再需要在HMI或PLC逻辑中做量程转换,并且每通道可以设置高低报警值,从模块中直接输出报警信息。AO(4-20mA 0~10V)模块通过写入实际值即可输出对应模拟量信号,也可以实现量程转换。