摘 要：本文簡要介紹了安全型PLC的一些特點(diǎn),并根據(jù)實(shí)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(guān)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(jìn)口的大張質(zhì)量檢查機(jī)，其圖像檢查系統(tǒng)是KBA公司開發(fā)生產(chǎn)的第二代印品質(zhì)量圖像檢查系統(tǒng)，技術(shù)上已經(jīng)滯后，其檢測效果已不能完全滿足我公司生產(chǎn)的需要，并且其維護(hù)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(jìn)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(shè)備原理及相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們決定對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級。 系統(tǒng)分析 　　進(jìn)口大張檢查機(jī)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(jī)、主機(jī)編碼器、ET200L-SC分布式I/O模塊，通過點(diǎn)對點(diǎn)通訊模塊CP441-2的串口一（9364R協(xié)議）連接負(fù)責(zé)主機(jī)運(yùn)行與安全保障的S5主從PLC，通過點(diǎn)對點(diǎn)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(gòu)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(shí)產(chǎn)品，市場上越來越難以購買,且需經(jīng)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(yán)重影響公司的正常生產(chǎn)，為此，須對該S5系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級。 1、S5-95F PLC的硬件架構(gòu)及特點(diǎn) 　　1）、安全型PLC簡介 　　根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)系統(tǒng)，工藝設(shè)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(wù)或是安全相關(guān)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(xiǎn)。實(shí)際上，“安全PLC”這種說法并不是很確切。即使一臺PLC達(dá)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(jié)果。當(dāng)然，根據(jù)PLC的具體SIL等級，標(biāo)準(zhǔn)的用于自動化控制的PLC也可以在安全應(yīng)用場合使用。現(xiàn)在有些標(biāo)準(zhǔn)PLC的編程也可以被驗(yàn)證用于安全應(yīng)用，同時(shí)安全網(wǎng)絡(luò)控制器已經(jīng)可以在某些應(yīng)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(jié)構(gòu)、利用安裝在不同區(qū)域的芯片來設(shè)計(jì)和構(gòu)造成事故安全的PLC，它還需要經(jīng)過第三方的認(rèn)證達(dá)到IEC61508標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)果。因?yàn)檫@樣就可以避免混淆或可以減少出錯的可能性，當(dāng)一臺安全PLC根據(jù)要求達(dá)到了特定的可靠性/故障概率等級時(shí)，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(shù)的PLC具有高可靠性、高可用性和可維護(hù)性，因此在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 　　2）S5-95F PLC的硬件架構(gòu) 　　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(shè)計(jì)，包括兩個獨(dú)立的PLC單元（包括CPU、電源、I/O），相互之間通過光纖聯(lián)絡(luò)。 　　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 　?、凇?路安全型數(shù)字輸出（failsafe digital outputs） DQ32.0-32.7 　?、邸?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(jì)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(yùn)行后，S5-95F將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)分別測試上述安全型I/O，如 　　I/O失效，各I/O點(diǎn)或系統(tǒng)將在一個基本周期內(nèi)回到安全狀態(tài)。 　　大張檢查機(jī)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(dú)立，并且用中間繼電器進(jìn)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(hù)裝置的兩路獨(dú)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(shí)輸出時(shí),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(jù)塊（DBs）5種塊。 　　組織塊作為操作系統(tǒng)用戶程序的進(jìn)口，決定用戶程序的結(jié)構(gòu);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(jù)塊（DBs）存儲程序所需的數(shù)據(jù)。 　　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(shí)執(zhí)行。 　　大張質(zhì)量檢查機(jī)中S5-95F PLC 程序結(jié)構(gòu)圖2所示。 　　在OB21和OB22中進(jìn)行程序初始化，在OB1中循環(huán)調(diào)用PB10、PB11、PB12、PB14程序塊完成相關(guān)程序功能。 　　S5-95F PLC與S7412-2 PLC之間的數(shù)據(jù)交流。S5-95F PLC通過串口一（9364R協(xié)議）與S7412-2 PLC進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)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(zhì)量檢查機(jī)的S5-95F PLC系統(tǒng)的輸入信號是按鈕、傳感器等時(shí)效性要求不是太高的開關(guān)信號，S5-95F PLC系統(tǒng)根據(jù)這些信號的輸入和S7412-2 PLC的使能信號和運(yùn)轉(zhuǎn)信息，按照預(yù)先設(shè)置的邏輯關(guān)系對主電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制并保障系統(tǒng)安全，并把相關(guān)的安全信息和報(bào)警信息通過串口發(fā)送給S7412-2 PLC進(jìn)行顯示和控制。 　　基于印刷機(jī)械的特性及安全度等級要求，嚴(yán)謹(jǐn)?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(zhì)量檢查機(jī)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(zhì)量檢查機(jī)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(jié)合實(shí)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(shè)計(jì)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O(shè)mron為例）為中心，整體替換當(dāng)前控制系統(tǒng)。 　　（1）方案實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)性比較 　　針對行業(yè)應(yīng)用的要求，我們這樣定義進(jìn)口大張質(zhì)量檢查機(jī)國產(chǎn)化提升的風(fēng) 　　險(xiǎn)性：按期完成國產(chǎn)化提升的不確定性，具體分為技術(shù)的不確定性與施工的不確定性，技術(shù)的不確定性又包括控制平臺應(yīng)用水平的不確定性與控制對象運(yùn)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(jī)等控制對象的低速要求，接線施工量小，不存在關(guān)鍵的硬件性能上的技術(shù)不確定性與布線連接上的施工不確定性，以及控制對象運(yùn)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(shí)PLC，實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)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(shù)上還是施工上，特別是控制對象運(yùn)行邏輯理解程度上的不確定性都更大。 　　本質(zhì)上，大張質(zhì)量檢查機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)性很強(qiáng)的PLC控制技術(shù)與 　　產(chǎn)品，只要具備相應(yīng)平臺的技術(shù)應(yīng)用能力與適當(dāng)?shù)目刂茖ο蟮妮^深運(yùn)行邏輯理解，無論哪種方案，都是可以控制風(fēng)險(xiǎn)性的。準(zhǔn)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(yùn)行邏輯。在相同的平臺應(yīng)用能力下，方案一和方案二的綜合風(fēng)險(xiǎn)性較小。 　　（2）使用維護(hù)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(hù)的便捷性上比較，方案一中將過時(shí)部件升級成主流產(chǎn)品后與方案二不相上下。所以在使用維護(hù)的便捷性上，三個方案相差不大。 　?。?）改造維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性比較 　　時(shí)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(jìn)口大張質(zhì)量檢查機(jī)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(yīng)用也越來多（如裁封自動線、多功能印碼機(jī)、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(hù)的經(jīng)濟(jì)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(jié)果，我們認(rèn)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(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、降低改造風(fēng)險(xiǎn)性，又能保障S5 PLC故障時(shí)的快速升級替換。 方案實(shí)施 　　1、硬件設(shè)計(jì) 　　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(yīng)位置上，根據(jù)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(dú)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(yīng)的輸入點(diǎn)上（注：信號是否并聯(lián)或串聯(lián)，應(yīng)根據(jù)該開關(guān)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(dú)立的PLC單元，部分輸出是用中間繼電器進(jìn)行耦合的。在新系統(tǒng)中，應(yīng)將24V直流電源的負(fù)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(yīng)的輸出點(diǎn)與正端連接，同樣可達(dá)到原系統(tǒng)的控制功能。 　　2、軟件設(shè)計(jì) 　　1）、在已分配I/O地址基礎(chǔ)上進(jìn)行S5_Run_Program功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。 　　①、為保證程序邏輯可靠，避免資源沖突，采用資源遠(yuǎn)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(diǎn)、M、T等）進(jìn)行查驗(yàn)，確認(rèn)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(diǎn)、M、T等）發(fā)生重合，避免沖突，并提高程序設(shè)計(jì)的方便性和可修改性。 　　②、編輯符號量，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(shè)計(jì)程序更容易理解和閱讀。 　　③、分析控制對象特點(diǎn)，確?？刂茖ο蟮陌踩5_Run_Program功能控制的對象是一大功率直流電動機(jī)。為保證直流電動機(jī)不發(fā)生“矢磁飛車”情況，必須保證啟動電動機(jī)時(shí)，先給勵磁電源，在確保勵磁電源給上的情況下，在給電機(jī)的電樞電源;在停電動機(jī)時(shí)，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(yīng)保證電機(jī)的安全可靠性。啟動電機(jī)時(shí)：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(diǎn)閉合后反饋），在給電機(jī)的電樞電源（53K11閉合）。停電機(jī)時(shí)，先斷電樞電源（53K11失電斷開），然后延時(shí)15秒，再斷勵磁電源（53K13失電斷開），程序如下所示。 　　電動機(jī)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(diǎn)） 　　S "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————電樞電源 　　電動機(jī)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 　　④、根據(jù)S5_Run_Program所分配的資源設(shè)計(jì)該功能塊的各單項(xiàng)功能。在程序的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)換中需注意西門子STEP 5與STEP 7中組織塊、功能塊、數(shù)據(jù)塊的對應(yīng)關(guān)系。在STEP 5 中 OB塊和DB塊在STEP 7仍然對應(yīng)OB塊和DB塊，但FB、SB、DB在STEP 7都對應(yīng)FC，在STEP 7中OB100和OB101（STEP 5 中OB121和OB22）僅在程序啟動時(shí)執(zhí)行。 　?、荨⒈ＷC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(yīng)M區(qū)的數(shù)據(jù)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 　?、蕖⒄瞎δ軌K。每個功能單項(xiàng)可進(jìn)行模擬調(diào)試，以保證其邏輯可靠性，然后根據(jù)邏輯調(diào)用順序，將功能單項(xiàng)整合為一個功能塊，保證原STEP 5與STEP 7程序的相對獨(dú)立性; 　　5）、為保證S5_Run_Program功能塊的可靠性，設(shè)計(jì)該功能塊的初始化程序S5_Init。 　　6）、在S7412-2 PLC程序的OB1中調(diào)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(diào)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(jié)論 　　基于以上方法，我們成功地完成了大張質(zhì)量檢查機(jī)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(dá)到了預(yù)期的目的。 參考文獻(xiàn) 　　1 、SIEMENS公司 Simatic S5 S5-95F Progrmmable Controller Manual 　　2、 KBA公司,NotaCheckII配套技術(shù)文檔 鄧世俊，男， 1992年7月畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)自動控制系電氣技術(shù)專業(yè)?，F(xiàn)在成都印鈔公司從設(shè)備管理工作。