摘 要：本文簡要介紹了安全型PLC的一些特點,并根據實例介紹一個S5程序升級為S7程序的例子。 Abstract: This paper mainly discusses some characteristics of safety PLC system and introduces one example to upgrade the system from S5 to S7。 關鍵詞：安全型PLC、STEP 7、升級 Key words: Safety PLC STEP 7 Upgrading 前言 　　我公司2002年8月進口的大張質量檢查機，其圖像檢查系統(tǒng)是KBA公司開發(fā)生產的第二代印品質量圖像檢查系統(tǒng)，技術上已經滯后，其檢測效果已不能完全滿足我公司生產的需要，并且其維護成本、故障率均比較高，操作使用也不太方便，因此需對該檢測系統(tǒng)進行改造和提升。為配合檢測系統(tǒng)的改造和提升，在全面掌握設備原理及相關技術的基礎上，我們決定對電氣控制系統(tǒng)進行改造和升級。 系統(tǒng)分析 　　進口大張檢查機的電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7412-2 PLC為中心， 通過MPI總線連接兩個觸摸屏，通過Profibus總線連接主電機、主機編碼器、ET200L-SC分布式I/O模塊，通過點對點通訊模塊CP441-2的串口一（9364R協(xié)議）連接負責主機運行與安全保障的S5主從PLC，通過點對點通訊模塊CP441-2的串口二（RK512協(xié)議）連接圖像檢測系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的架構合理、主流、靈活。但控制系統(tǒng)也存在不便之處：S5-95F安全型 PLC是西門子的過時產品，市場上越來越難以購買,且需經過 DOS下的軟件配置后方能使用，如該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將嚴重影響公司的正常生產，為此，須對該S5系統(tǒng)進行改造和升級。 1、S5-95F PLC的硬件架構及特點 　　1）、安全型PLC簡介 　　根據IEC標準，安全型系統(tǒng)稱為Safety-Related System，它覆蓋的范圍很廣，適用于所有工業(yè)系統(tǒng)，它包含了影響安全的各種因素，如儀表組成的保護系統(tǒng)，工藝設備的安全措施以及管理和人員的操作和規(guī)章制度等各方面。 　　在什么情況下一個PLC才能被稱為安全PLC呢?總的來說，安全PLC是一種專門為條件苛刻的任務或是安全相關的應用而設計的可編程邏輯控制器;如果一臺安全PLC失效了，它不會對人員安全或過程安全帶來危險。實際上，“安全PLC”這種說法并不是很確切。即使一臺PLC達到了特定的安全完整性等級（SIL），它仍然有可能由于被人錯誤地使用而造成不安全的結果。當然，根據PLC的具體SIL等級，標準的用于自動化控制的PLC也可以在安全應用場合使用。現(xiàn)在有些標準PLC的編程也可以被驗證用于安全應用，同時安全網絡控制器已經可以在某些應用場合中代替安全PLC。 　　一個安全PLC需要利用各種水平的冗余結構、利用安裝在不同區(qū)域的芯片來設計和構造成事故安全的PLC，它還需要經過第三方的認證達到IEC61508標準。如果安全PLC的編程和接口能夠同其它所有PLC一致，那將是最好的結果。因為這樣就可以避免混淆或可以減少出錯的可能性，當一臺安全PLC根據要求達到了特定的可靠性/故障概率等級時，這就意味著它具有廣泛的自診斷能力，可以監(jiān)測各個方面的硬件狀態(tài)、程序執(zhí)行狀態(tài)和操作系統(tǒng)狀態(tài)，這樣一臺PLC是‘安全的’。 　　目前，由于采用微處理器技術的PLC具有高可靠性、高可用性和可維護性，因此在工程實際中得到了廣泛的應用。 　　2）S5-95F PLC的硬件架構 　　S5-95F（6ES5 095-8FB01）是西門子公司是推出的一種小型安全型PLC。S5-95F PLC系統(tǒng)一般采用冗余設計，包括兩個獨立的PLC單元（包括CPU、電源、I/O），相互之間通過光纖聯(lián)絡。 　　兩套S5-95F PLC能提供的I/O資源主要有： 　　①、16路安全型數(shù)字輸入（failsafe digital inputs） DI32.0-33.7 　　②、8路安全型數(shù)字輸出（failsafe digital outputs） DQ32.0-32.7 　?、?、8路數(shù)字輸出（A：DQ33.0-33.3 B: DQ32.0-34.3） 　?、堋?路安全型中斷輸入（failsafe interrup inputs） DI59.0-59.3 　?、荨?路安全型計數(shù)器（failsafe counter inputs） 　　上述地址是固定分配的，不能更改。 　　系統(tǒng)開始運行后，S5-95F將在規(guī)定的時間內分別測試上述安全型I/O，如 　　I/O失效，各I/O點或系統(tǒng)將在一個基本周期內回到安全狀態(tài)。 　　大張檢查機的S5系統(tǒng)包括兩套S5-95F PLC （PLC A 、PLC B），每套PLC系統(tǒng)的傳感器輸入信號獨立，并且用中間繼電器進行輸出耦合，形成一個冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全等級較高。接線示例如圖1所示。 　　圖中的S1a、S1b是同一個安全保護裝置的兩路獨立的傳感器，分別作為PLC A和PLC B的輸入信號，使安全信號有了更高的冗余度。PLC A和PLC B 的DQ32.2同時輸出時,繼電器才吸合,使得重要的外部器件受到PLC A和PLC B的控制，這就使得系統(tǒng)具有更高的安全等級。 　　3）S5-95F PLC 程序（Step 5）邏輯 　　Step 5編程語言主要有組織塊（OBs）、程序塊（PBs）、連續(xù)塊（SBs）、功能塊（FBs）、數(shù)據塊（DBs）5種塊。 　　組織塊作為操作系統(tǒng)用戶程序的進口，決定用戶程序的結構;程序塊（PBs）、連續(xù)塊（SBs）和功能塊（FBs）完成具體子程序功能;數(shù)據塊（DBs）存儲程序所需的數(shù)據。 　　OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序的主程序，OB21和OB22僅在程序啟動時執(zhí)行。 　　大張質量檢查機中S5-95F PLC 程序結構圖2所示。 　　在OB21和OB22中進行程序初始化，在OB1中循環(huán)調用PB10、PB11、PB12、PB14程序塊完成相關程序功能。 　　S5-95F PLC與S7412-2 PLC之間的數(shù)據交流。S5-95F PLC通過串口一（9364R協(xié)議）與S7412-2 PLC進行通訊，數(shù)據傳輸流程如圖3所示 　　4）S5-95F PLC系統(tǒng)的控制對象及在電氣控制系統(tǒng)的作用 　　大張質量檢查機的S5-95F PLC系統(tǒng)的輸入信號是按鈕、傳感器等時效性要求不是太高的開關信號，S5-95F PLC系統(tǒng)根據這些信號的輸入和S7412-2 PLC的使能信號和運轉信息，按照預先設置的邏輯關系對主電機的運動進行控制并保障系統(tǒng)安全，并把相關的安全信息和報警信息通過串口發(fā)送給S7412-2 PLC進行顯示和控制。 　　基于印刷機械的特性及安全度等級要求，嚴謹?shù)某绦蜻壿嫼臀鏖T子PLC本身的安全可靠特性完全能滿足大張質量檢查機電氣系統(tǒng)的安全要求，因此完全可以將S5-95F PLC 這部分控制程序整和到S7412-2 PLC程序中去。 2、方案選擇 　　毋庸置疑，大張質量檢查機以穩(wěn)定可靠的工業(yè)PLC作為控制中心，針對此次S5-95F PLC改造和升級，我們結合實際，歸納出三種候選方案：其一是以S7412-2 PLC 的三個I/O模塊替換S5-95F PLC，重新設計能完成原S5-95F PLC系統(tǒng)功能 　　的程序塊，并整合到S7412-2 PLC程序中去;其二是采用一個S7400系列PLC 　　系統(tǒng)替換S5-95F PLC控制系統(tǒng);其三是以其他品牌的 PLC（以Omron為例）為中心，整體替換當前控制系統(tǒng)。 　　（1）方案實施的風險性比較 　　針對行業(yè)應用的要求，我們這樣定義進口大張質量檢查機國產化提升的風 　　險性：按期完成國產化提升的不確定性，具體分為技術的不確定性與施工的不確定性，技術的不確定性又包括控制平臺應用水平的不確定性與控制對象運行邏輯理解程度的不確定性。方案一將 S5的控制程序以軟硬件模塊方式并入S7 PLC中，不改變程序流程，完全滿足S5所連接的按鈕、傳感器及主電機等控制對象的低速要求，接線施工量小，不存在關鍵的硬件性能上的技術不確定性與布線連接上的施工不確定性，以及控制對象運行邏輯理解程度的不確定性;方案二用同一品牌主流PLC系統(tǒng)替換過時PLC，實施的風險性與方案一相差不大，甚至還要小一些;方案三的硬件變化與軟件變化都較大，無論是技術上還是施工上，特別是控制對象運行邏輯理解程度上的不確定性都更大。 　　本質上，大張質量檢查機電氣控制系統(tǒng)應用標準性很強的PLC控制技術與 　　產品，只要具備相應平臺的技術應用能力與適當?shù)目刂茖ο蟮妮^深運行邏輯理解，無論哪種方案，都是可以控制風險性的。準確地講，方案三的施工工作量很大，要求完整深入地理解控制對象運行邏輯。在相同的平臺應用能力下，方案一和方案二的綜合風險性較小。 　　（2）使用維護的便捷性比較 　　從使用的便捷性上比較，方案一與方案二都保留現(xiàn)在的操作方式與操作流程，工人使用起來可能比方案三更易于上手;從維護的便捷性上比較，方案一中將過時部件升級成主流產品后與方案二不相上下。所以在使用維護的便捷性上，三個方案相差不大。 　　（3）改造維護的經濟性比較 　　時至今日，任何主流品牌的PLC（西門子、施耐德、歐姆龍、三菱、羅克 　　韋爾、基恩仕等）可靠性都能得到保障，故障率都是非常低的，西門子PLC更不用說?？梢赃@么講，進口大張質量檢查機上的西門子PLC，無論是S7，還是S5安全型PLC，極有可能比全新的其他品牌PLC生命期更長。而且，西門子PLC市場占有率極高，在本行業(yè)中應用也越來多（如裁封自動線、多功能印碼機、集中供氣系統(tǒng)等），備品備件非常方便。由于方案一僅需購置三塊I/O卡，即兩塊32位數(shù)字輸入卡（6ES7 421-1BL01-0AA0），一塊32位數(shù)字輸出卡（6ES7 422-1BL00-0AA0），相對于方案二和方案三購置一套PLC系統(tǒng)來說，投資是非常少的，所以，在改造維護的經濟性方面，方案一最好，方案二次之，方案三最差。 　　綜合考慮以上比較結果，我們認為，最好的方案是方案一，即基于對控制程序的適度分析，將 S5的控制程序以軟硬件模塊方式并入S7 PLC中。這樣，既可以最大限度的確保操作連貫性、提升項目經濟性、降低改造風險性，又能保障S5 PLC故障時的快速升級替換。 方案實施 　　1、硬件設計 　　在S7412-2 PLC所在的主板上增加需要的I/O卡，即兩塊32位數(shù)字輸入卡（6ES7 421-1BL01-0AA0），一塊32位數(shù)字輸出卡（6ES7 422-1BL00-0AA0），并將原S5-95F PLC上的接線連接在這三塊I/O卡相應位置上，根據插槽位置，在STEP 7中為各I/O分配地址。為盡量保證系統(tǒng)的安全可靠性，原連接主從S5-95F PLC的兩路獨立傳感器信號（安全罩等安全信息）串聯(lián)連接在I/O卡上對應的輸入點上（注：信號是否并聯(lián)或串聯(lián)，應根據該開關信號在工作情況下的通斷狀態(tài)），以提高系統(tǒng)的冗余性和安全度等級。 　　原S5-95F PLC控制系統(tǒng)有兩套獨立的PLC單元，部分輸出是用中間繼電器進行耦合的。在新系統(tǒng)中，應將24V直流電源的負端直接與繼電器線圈的一端連接，另一端通過數(shù)字輸出卡對應的輸出點與正端連接，同樣可達到原系統(tǒng)的控制功能。 　　2、軟件設計 　　1）、在已分配I/O地址基礎上進行S5_Run_Program功能設計轉換。 　?、佟楸ＷC程序邏輯可靠，避免資源沖突，采用資源遠離原則。為此，利用STEP 7中的Reference Date對原S7系統(tǒng)中資源（I/O點、M、T等）進行查驗，確認未被原S7系統(tǒng)使用的資源，然后將其分配給S5_Run_Program功能塊，并盡量使該功能塊的資源集中在一起，以保證S5_Run_Program程序中的資源不與原S7系統(tǒng)中資源（I/O點、M、T等）發(fā)生重合，避免沖突，并提高程序設計的方便性和可修改性。 　?、凇⒕庉嫹柫?，提高程序的可讀性。使用STEP 7中的Symbol Table編輯符號變量，如用“BUZZER”（吶叭）作為Q0.7的符號變量, 這使得閱讀程序和設計程序更容易理解和閱讀。 　?、邸⒎治隹刂茖ο筇攸c，確?？刂茖ο蟮陌踩?。S5_Run_Program功能控制的對象是一大功率直流電動機。為保證直流電動機不發(fā)生“矢磁飛車”情況，必須保證啟動電動機時，先給勵磁電源，在確保勵磁電源給上的情況下，在給電機的電樞電源;在停電動機時，順序相反，即先斷電樞電源，然后再斷勵磁電源，為此，S5_Run_Program功能應保證電機的安全可靠性。啟動電機時：先給勵磁電源（53K13閉合），在勵磁電源給上的情況下（53K13常開接點閉合后反饋），在給電機的電樞電源（53K11閉合）。停電機時，先斷電樞電源（53K11失電斷開），然后延時15秒，再斷勵磁電源（53K13失電斷開），程序如下所示。 　　電動機啟動： 　　O M 121.1 　　O M 120.0 　　S "MAIN MOTOR FIELD" // 53K13————勵磁電源 　　A（ 　　O M 121.1 　　O M 120.0 　?。? 　　A "FB-MOTOR FIELD" //勵磁電源反饋（53K13常開接點） 　　S "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————電樞電源 　　電動機停止： 　　AN M 121.1 　　AN M 120.0 　　AN "MAIN MOTOR DRIVE RELAY" 　　R "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————電樞電源 　　NOP 0 　　A "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————電樞電源 　　L S5T#15S 　　SF T 14 　　AN T 14 　　AN M 121.1 　　AN M 120.0 　　R "MAIN MOTOR FIELD" // 53K13————勵磁電源 　?、?、根據S5_Run_Program所分配的資源設計該功能塊的各單項功能。在程序的設計和轉換中需注意西門子STEP 5與STEP 7中組織塊、功能塊、數(shù)據塊的對應關系。在STEP 5 中 OB塊和DB塊在STEP 7仍然對應OB塊和DB塊，但FB、SB、DB在STEP 7都對應FC，在STEP 7中OB100和OB101（STEP 5 中OB121和OB22）僅在程序啟動時執(zhí)行。 　　⑤、保證系統(tǒng)的數(shù)據交換。由于S5_Run_Program功能塊整合到原S7412-2 PLC程序中，原S5-95F PLC通過串口傳送到S7412-2 PLC中的信息，在新程序中只須在S5_Run_Program中將保存在相應M區(qū)的數(shù)據發(fā)送到S7412-2 PLC中的DB區(qū)中，就可完成原兩PLC（S7412-2 PLC與S5-95F PLC）的信息傳輸。如下所示。 　　L MW 74 　　T DB100.DBW 2 　　L MW 76 　　T DB100.DBW 4 　　L MW 78 　　T DB100.DBW 6 　　⑥、整合功能塊。每個功能單項可進行模擬調試，以保證其邏輯可靠性，然后根據邏輯調用順序，將功能單項整合為一個功能塊，保證原STEP 5與STEP 7程序的相對獨立性; 　　5）、為保證S5_Run_Program功能塊的可靠性，設計該功能塊的初始化程序S5_Init。 　　6）、在S7412-2 PLC程序的OB1中調用S5_Run_Program 　　CALL "AUT-MAN" 　　CALL "MAN" 　　CALL "AUTO" 　　CALL "RUN" 　　CALL "COMMAND" 　　…… 　　CALL "Counter" 　　CALL "DATA for OP 27" 　　CALL "S5_Run_Program" 　　7）在S7412-2 PLC程序中的PLC INIT（PLC程序初始化）中調用S5_Init 　　CALL "S5_Init" 　　AN M 255.0 　　O M 255.0 　　R "M 5.1" 　　R "M 30.3" 　　R "M 30.4" 　　R "M 12.0" 　　S M 81.5 　　…… 　　R M 169.7 　　R "DEV. 10" 　　R "DEV. 11" 　　…… 　　R "M 70.1" 　　L W#16#0 　　T MW 39 　　T MB 11 　　…… 　　T MW 144 　　OPN DB 10 　　L W#16#0 　　T DBW 2 　　…… 　　R M 60.0 　　R M 103.0 結論 　　基于以上方法，我們成功地完成了大張質量檢查機電氣控制系統(tǒng)改造，其中S5-95F PLC的改造和升級，在外部接線無誤的情況下，免現(xiàn)場測試，一次成功，達到了預期的目的。 參考文獻 　　1 、SIEMENS公司 Simatic S5 S5-95F Progrmmable Controller Manual 　　2、 KBA公司,NotaCheckII配套技術文檔 鄧世俊，男， 1992年7月畢業(yè)于北京航空航天大學自動控制系電氣技術專業(yè)?，F(xiàn)在成都印鈔公司從設備管理工作。