西門子6ES7211-1BE40-0XB0

PLC與工控機應用分析

1 系統組成

某電廠化學水處理系統基礎設備具有良好的可控性，利用PLC和工業控制計算機對其進行實時監控管理

采用3臺西門子公司的SIMATIC S5—115U可編程序控制器控制現場的一次設備，程控系統分為3套，依次為＃1補給水處理單元

操作員站選用兩臺研華586工控機，軟件開發平臺選用美國Intellution公司的FIX5.5組態軟件。FIX5.5是一種能完成數據采集及控制、報警、圖形數據顯示等功能的完整工業自動化軟件，該版本在WINDOWS或WINDOWSNT環境下運行，采用了圖形用戶界面，相應其內部的圖形處理是基于第三代圖形技術。

數據通信系統采用SINEC L2網，它把SIMATIC系列可編程序控制器以及工控機連成網絡。SNEC L2是令牌總線網，網絡傳輸介質是雙絞線或光纜。每個節點通過總線連接器連到總線網上，在本系統中，三臺PLC之間以及與兩臺工控機之間都實現了數據通訊。

該方案配置體現了分散控制系統的優點，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味著系統實時響應快和系統危險分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置還具有冗余特性。

2 PLC及其程序設計

2.1 SIMATIC S5-115U硬件組成及編程概要

可編程序控制器SIMATIC S5-115U采用標準的模塊式結構，電源、CPU、各種I/O模件都插在一塊母板上，并可以根據不同的I/O點數增加擴展母板，輸入、輸出模件和存儲器的精細分級，使得這種裝置具有較強的配置適應能力；通過通訊處理器和局部網，可方便地實現PLC之間及與計算機的通訊。

SIMATIC S5-115U的編程語言是STEP5，有3種表達方法，即控制系統流程圖CSF，梯形圖LAD和語句表STL。其中語句表STL較接近于機器內部的控制程序，功能也比前兩種方法豐富得多，因此在本系統實際編程應用中全部采用語句表STL。

STEP5的大特點是采用了結構化編程方法，并提供大量標準功能塊如乘能塊FB242、通訊功能塊FB244等，使得編程工作大大簡化，而且所編程序條理清晰，易于讀懂、修改和測試，這一優點尤其在編制大型復雜程序時更能顯現出來。

要完成復雜任務，可以把整個程序分成一個個獨立的程序塊，STEP5有5種塊類型，即組織塊(OB)、程序塊(PB)、順序塊(SB)、功能塊(FB)和數據塊(DB)，其中組織塊(OB)用以管理用戶程序，形成了操作系統和控制程序之間的接口，所有其它類型塊在此被調用執行。功能塊(FB)用于實現反復調用或者特別復雜的程序功能，這些功能塊可以是系統以標準功能塊的形式提供的，也可以由用戶自己編制。例如標準功能塊FB242就可以實現16位二進制乘能、FB244可以實現CPU與通訊處理器之間的數據傳送，用到這些功能時可以直接調用這些功能塊。

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 一、輸入輸出（I/O）點數的估算
    I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再10%～20%的可擴展
    余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。
    二、存儲器容量的估算
    存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。
    存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。
    三、控制功能的選擇
    該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
    (一)運算功
    簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通PLC的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運算和其他運算功能。隨著開放的出現，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或機的通信，有些產品還具有與工廠或企業網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發，合理選用所需的運算功能。大多數應用，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和PID運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。
    (二)控制功能
    控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，PLC的處理速度和節省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、ASC碼轉換單元等。
    (三)通信功能
    大中型PLC應支持多種現場總線和通信協議（如TCP/IP），需要時應能與工廠網（TCP/IP）相連接。通信協議應符合ISO/IEEE通信，應是開放的通信網絡。
    PLC的通信接口應包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工業以太網、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線（含接口設備和電纜）應1：1冗余配置，通信總線應符合，通信距離應裝置實際要求
    PLC的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1Mbps，通信負荷不大于60%。PLC的通信網絡主要形式有下列幾種形式：1）PC為主站，多臺同型號PLC為從站，組成簡易PLC網絡；2）1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構成主從式PLC網絡；3）PLC網絡通過特定網絡接口連接到大型DCS中作為DCS的子網；4）PLC網絡（各廠商的PLC通信網絡）。
    為減輕CPU通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業以太網）通信處理器。

    (四)編程功能
    離線編程：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程可成本，但使用和調試不方便。在線編程：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種成本較高，但調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。
    五種化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以特殊控制的控制要求。
    (五)診斷功能
    PLC的診斷功能包括硬件和的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，診斷分內診斷和外診斷。通過對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷

西門子憑借制藥數字化企業解決方案助力金宇生物建設面向“工業4.0"的數字化工廠

，將利用西門子的數字化企業解決方案幫助金宇生物建設面向“工業4.0"的智能化產業園區，打造的生物科技產業園。內蒙古自治區副主席王波、呼和浩特市市長李杰翔、副市長畢國臣等出席并見證了簽字儀式。

西門子與金宇生物將在自動化、數字化、智能化等“工業4.0"關鍵領域緊密合作，致力于打通企業研發、生產與質控等環節，實現工程管理、設備運維、環境監控、節能減排的數字化。根據協議，西門子將向金宇生物提供一系列產品、系統以及相關解決方案和技術支持，幫助其實現廠區智能化，包括園區的整體規劃、工業信息安全和網絡系統、智能生產系統、建筑管理、能源管理、實驗室管理系統等。目前，西門子與金宇生物就制藥行業制造執行系統Simatic IT eBR和工程設計與運維管理平臺Comos簽訂了軟件與工程合同，引入西門子Simatic全集成生產管理系統和“一體化工程到一體化運維"的數字化設計理念。"

“數字化是通往‘工業4.0’和‘中國制造2025’的必經之路，我相信西門子與金宇生物合作打造的數字化工廠將成為制藥行業，乃至流程工業數字化工廠的*，助力金宇生物實現全面的產業轉型升級。"

“西門子作為數字化企業的企業，以持續的技術和管理創新，不斷為社會提供優質產品和的技術服務方案。"金宇生物技術股份有限公司董事長兼總裁、黨委書記張翀宇表示，“金宇生物秉承創新未來的宗旨，融合西門子的技術與經驗建立數字化工廠形成智能化制造體系，必將制藥行業的數字化發展趨勢，共同滿足客戶的需求。"

隨著監管部門對制藥行業數據完整性的重視，數字化成為制藥領域的日益關注的話題，是中國藥企實現轉型升級的必由之路。西門子為制藥行業提供經過驗證的集成的數字化解決方案，該方案包括Simatic IT eBR MES系統、Comos工程設計與設備運維管理平臺、Simatic PCS 7過程控制系統、Batch批處理系統、SIPAT過程分析解決方案、Scalance信息安全與工業網絡以及XHQ綜合信息管理平臺等，并為該數字化解決方案提供滿足FDA、EMEA、CFDA等要求的計算機化系統驗證服務，助力中國藥企提升品質、走向世界。

金宇生物是中國獸用生物制品行業的企業，在產品質量與檢測方面已成為行業標準的制定者，其自有產品質量標準一直高于行業標準，在大規模哺乳動物細胞培養、重組蛋白純化及檢定方面有相當的技術積累。2015年金宇生物在中國口蹄疫疫苗市場排名，直銷份額高達60%。目前，金宇生物在呼和浩特市投資50億元興建金宇生物科技產業園，總建筑面積330,600平方米，將形成人用生物制藥、獸用生物制藥、中外合資生命科學、研發配套綜合服務四大功能區，打造技術支撐與孵化平臺。