基于ATS组态的砂石生产线自动控制系统的设计

周 颖，沈 勇，王嘉梅，范 菁

(云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 650000 )

为了适应国家“十三五”时期的发展规划，我国正在转变砂石生产线发展方式，正在推动机制砂石生产线工业标准化、绿色现代化[1].针对早期的砂石生产线控制系统大多无法实现自动化生产的问题，通过引入自动化技术，将生产线上的各个设备连接起来，以实现砂石生产线的无人化操作.此次根据用户需求所设计的砂石生产线占地面积大，总长达 900 m，所用设备众多，共94台设备，设备功率总量为 1 898.5 kW.自动控制系统通过编程进行控制砂石生产线全自动运行，可以在无人操作、辅助的情况下，自动完成预定的全部工序.除非遇到特殊情况或者紧急事件，一般情况下，不需要人员进行干涉生产[2].砂石生产线自动控制系统会对出现的故障进行诊断，并对故障进行相应的处理，同时将故障信息通过ATS组态软件向操作人员进行反馈.该砂石生产线自动控制系统具有工作效率高、操作方便快捷、劳动强度低的特点，符合当今社会经济环保的发展理念.

1 系统的总体设计

1.1 系统概述

砂石生产线自动控制系统需要生产出多种规格的砂石产品，并对砂石产品进行筛分.在此次设计中按照需求，分成了粗碎车间、1次筛分车间、精碎车间、2次筛分车间、3次筛分车间.这5个车间彼此相互对立，胶带输送机将这5个车间进行连接.砂石生产线自动控制系统的车间分布图如图1所示.

图1砂石生产线自动控制系统的车间分布图

1.2 工艺流程

砂石生产线自动控制系统是对来自料仓的大小尺寸不一的石块，经过破碎、筛分、冲洗后制作成颗粒直径符合要求的砂石[3].砂石生产线自动控制系统的设备在连锁模式下采用逆序启动、顺序停机的流程进行工作.整个加工生产过程共用到94台设备，设备有正转、正/反转2种运行方式.首先进行粗碎，然后通过胶带输送机把粗碎加工完成的砂石输送到精碎工序涉及的设备中，进行进一步的破碎处理，最后可以得到颗粒直径符合要求的砂石.砂石生产线控制系统总工艺流程图如图2所示.

图2砂石生产线自动控制系统总工艺流程图

1) 粗碎

在粗碎工艺过程中，大块砂石经料仓由振动喂料机通过胶带输送机送到振动筛，通过振动筛的筛分，将符合尺寸的砂石通过胶带输送机均匀地送进颚式破碎机，进行粗碎.

2) 废料仓

在粗碎过程中，不符合尺寸的砂石通过手动打开电动弧门、胶带输送机送进废料仓，手动启动卸料小车，将弃料运走.

3) 精碎

经过粗碎加工的砂石通过胶带输送机传送到反击式破碎机中进行精碎，也可以通过手动打开给料机的方式将砂石送到反击式破碎机进行精碎.通过反击式破碎机破碎的部分砂石需由胶带输送机再送到立式复合破碎机，进一步进行精碎工序.粗碎工序对砂石进行第一次筛分，精碎工序对砂石进行进一步的筛分.精碎加工后的砂石由胶带输送机送到振动筛进行筛分.通过振动筛筛分的部分砂石需由圆筒筛进一步进行筛分，筛分出几种不同规格的石子.经过粗碎、精碎加工后的满足粒度要求的砂石由胶带输送机送往成品料仓，而不满足粒度要求的砂石由胶带输送机将砂石返回送到反击式破碎机再次进行精碎，进行多次循环，直到加工的砂石的颗粒直径大小满足要求为止.砂石成品按照颗粒直径大小可以分为4种规格，砂石成品规格表如表1所示.

表1 砂石成品规格表

由于精碎工序较复杂，涉及的设备较多，故将精碎工序分成了A、B、C、D、E、F 6段工序.精碎B段、精碎C段之间只可选择其中一组运行.精碎E段、F段可选择其中一组运行，或者两段同时运行.

4) 成品料仓

成品料仓共包括4条料仓生产线，分别手动启动各条料仓生产线的胶带输送机、电动弧门、喷淋除尘装置、卸料小车，将砂石送到成品料仓，并由卸料小车将成品料仓中加工好的砂石运走.

1.3 系统的控制模式

1) 连锁模式控制

在整条砂石生产线上，设备之间有关联，存在连锁关系.由于设备间的连锁关系，当设备连锁启动运行时，需要先启动下游设备，再开启上游设备，即逆序启动，避免了出现砂石料堆积的问题[4-5].当设备停机时，需要先停止上游设备，再停止下游设备，即顺序停机，使得给料机先停机，保证了没有新的砂石料送入砂石生产线自动控制系统中.当某台设备在连锁运行时出现故障而停机时，进料方向的设备会及时停机，而出料方向的设备会在石料运输结束后，正常停机.连锁模式控制可以减少操作人员的误操作，使事故发生得概率大大降低.

2) 手动模式控制

在整条砂石生产线上，每台设备都可以通过手动模式进行控制.手动模式控制用于实现单个设备的就地启动和停止，也可以实现多台设备的就地一键启动和停止等.手动模式控制用于整条生产线的初期调试阶段、后期某个设备维修阶段，还用于由于故障原因，导致系统连锁模式下启停不完全的情况，对连锁启停进行完善.

3) 调试模式控制

在整条砂石生产线上，调试模式与手动模式相结合，用于检查单台设备是否正常运转，不考虑各个设备间的连锁关系.联机调试设备时，主电路要断电，只对控制电路进行调试.

2 系统的网络结构设计

砂石生产线自动控制系统由上位监控系统和现场控制系统组成，以SIMATIC S7-1500 PLC作为核心，用于过程控制和采集现场控制系统的数据[6].同时采用ATS组态软件，设计模拟砂石生产的现场的上位监控系统，利用Modbus RTU通信协议、Modbus TCP通信协议、S7通信协、PROFINET IO通信协议将上位监控系统和下位控制系统进行连接，实现砂石生产线自动控制系统的控制要求.

2.1 上位监控系统

为了实现通信要求并可以实时监控整个砂石生产线的运行状态，上位监控系统选用了2台装有ATS组态软件的计算机，安装在中控室内.S7-1500 PLC通过以太网上的S7通信协议与计算机相连接，S7-1500 PLC将采集和处理后的现场设备的数据传送给计算机，第一台计算机进行远程操控和实时监控砂石生产线自动控制系统，另一台计算机作为第一台计算机的备份机，只用来实时监控砂石生产线自动控制系统.上位软件和硬件转换开关相配合完成了连锁模式、手动模式、调试模式的切换.通过操作组态界面可以对手动运行模式下的单台设备进行操作，可以按照要求对操作人员设置操作权限，还可以对实时数据曲线、历史数据曲线进行观测及记录.

2.2 现场控制系统

在砂石生产的现场控制系统中，设计了两台PLC柜，PLC柜1中有S7-1500 PLC、交换机、串口服务器，PLC柜2中有远程IO模块、交换机、串口服务器.S7-1500 PLC通过控制电缆控制P1电柜、P2电柜，远程IO模块通过控制电缆控制P3电柜.P1电柜、P2电柜、P3电柜各控制多台电机，变频器、软起动器、仪表等设备通过串口服务器进行网络转换，将Modbus RTU通信协议转换为Modbus TCP通信协议，软起动器、变频器、仪表等设备通过交换机再与PLC、计算机进行通信.砂石生产中的被控设备大多为IO型设备，PLC主站和远程IO模块ET200ecoPN从站之间的通信采用PROFINET IO通信协议.PROFINET远程IO即支持PROFINET通信协议的IO模块，远程指的是分布式，由主CPU拉一根网线到另一端的PROFINET远程IO模块，模拟量、开关量远端读取，程序由主PLC控制.

砂石生产线自动控制系统的网络结构如图3所示.

图3 砂石生产线自动控制系统的网络结构

3 系统结构化程序设计

此次设计的砂石生产线自动控制系统所用的设备较多，工艺较复杂，使用了TIA Portal V15.1软件进行结构化程序设计.对砂石生产线自动控制系统进行拆分，拆分成相对独立控制单元，分割成与工艺流程对应或可重复调用的子任务.这些子任务由组织块OB、函数块FB、函数FC、数据块DB 4部分独立的块共同完成，减小了每一个控制单元的复杂性，便于设计.通过对每个独立的控制单元进行程序设计和参数设置，更易于系统的处理和管理.通过结构化程序设计，更容易进行复杂程序的编程.通过更改结构化程序的参数可以反复使用，使得程序结构更简单，更改程序更容易，简化了调试工作[7].结构化程序示意图如图4所示.

图4 结构化程序示意图

3.1 程序控制对象设计分类

用户自定义数据类型(UDT)由多个不同数据类型元素组成或同数据类型元素组成的复合型PLC数据类型，可以用作逻辑块的变量声明或数据块中变量的数据类型，是进行结构化程序设计的基础，可以对设备数据进行准确的描述[8].

对此次砂石生产线自动控制系统设备的种类、特性、工作模式进行分析总结，将设备分成了3类，设计时采用了户自定义数据类型(UDT)的方法，定义了3种UDT数据类型与之对应，即喷淋设备数据类型、正转设备数据类型、正反转设备数据类型.以UDT正转设备数据类型为例，UDT正转设备数据类型如下表2所示.

1) X02表示在连锁模式下，正转设备未有故障发生，所有的正转设备准备就绪.X05、X06表示在连锁模式下，正转设备的顺序启动与停机.正转设备启动有一定的延时，X11表示正转设备启动延时时间到达，完成对正转设备的启动.

2) X08表示对正转设备旁边的操作台进行就地操作，X16表示通过操作正转设备旁边的操作台，使得正转设备就地停机.X09表示对正转设备的电气柜门进行本地操作.

3) X10表示正转设备运行过程中发生故障，提供故障信号.X15表示切除故障后，对正转设备进行复位.

4) X12表示对正转设备中的胶带输送机进行检测，检测它的位置是否偏离正确位置.

5) 连锁模式下，对设备采用逆序启动的方式.只有后级设备允许启动信号X13传来时，当前正转设备才允许启动.连锁模式下，对设备采用顺序停机的方式.只有上级设备停机信号Y05传来时，当前正转设备才允许停机.

6) Y02提供跑偏报警信号，该信号表明胶带输送机已经偏离正确位置.Y03提供超时报警信号，该信号表明设备延时启动的时间超过了设定的延时时间，提示操作人员正转设备出现故障.

7) Y04提供允许启动信号，该信号表明连锁模式下运行的设备未发生故障，可以正常启动.

表2 UDT正转设备数据类型

3.2 数据块DB的设计

数据块(DB)是用于存储用户程序数据及程序的中间变量数据.数据块中仅包含变量声明，而不包含任何代码.创建数据块时，采用用户自定义数据类型可以简化编程，增加程序的易读性.

以设备全局数据块DB20为例，设备全局数据块DB20是整个在砂石生产线自动控制系统的程序块的核心，任何代码块都可以访问设备全局数据块DB20的值.

1) G1公共信号数组

在设备全局数据块DB20中设计G1公共信号数组，数据类型为布尔型数组，用于上位机与设备的输入、输出接口进行数据的传输.其中，G1[0]～G1[15]的公共信号由上位机将数据传给设备.G1[15]～G1[31]的公共信号由设备将数据传给上位机.G1[9]信号表示上位机向设备传达设备正处于连锁模式的信号.G1[1]信号表示上位机向设备传达粗碎一键顺序启动准备好的信号，表示设备可以进行连锁模式下的粗碎部分的顺序启动.G1[2]信号表示上位机向设备传达粗碎一键顺序启动的信号.G1[3]信号表示上位机向设备传达粗碎一键顺序停止的信号.G1[20]信号表示设备故障信号传达给上位机，G1[21]信号表示设备启动超时信号传达给上位机，G1[26]信号表示砂石生产线自动控制系统中的胶带输送机设备跑偏15度信号传达给上位机.G1公共信号数组如下表3所示.

2) 设备的数据类型

在设备全局数据块DB20中添加砂石生产线自动控制系统所用到的94台设备，其中18台电动弧门、9台卸料小车的数据类型皆为正/反转设备接口，成品仓的4台喷淋除尘装置的数据类型为喷淋设备接口，其他63台设备的数据类型皆为正转设备数据类型.

3) 使用方法

以UDT正/反转设备数据类型的设备为例，每台电动弧门、卸料小车的X00～X24表示接收上位机对PLC控制器的控制信号，上位机可以读取和修改数据信息.Y01～Y06表示PLC控制器将数据信息传给上位机，上位机只能读取数据信息，监控设备的状态.其他数据类型设备的数据传输与UDT正/反转设备数据类型设备的数据传输类似.

3.3 函数块FB的设计

函数块(FB)可以将输入、输出和输入/输出参数永久地存储在背景数据块中，具有存储器的功能.函数块(FB)易于移植，对于相同控制逻辑不同参数的被控对象，只要使用不同的背景数据块，同一个FB块就可以实现控制，减少了重复工作，提高了工作效率.在砂石生产线自动控制系统程序设计的过程中，不仅涉及到PLC控制系统的程序现态，还涉及到它的历史状态，以及在这些状态之间的转移和动作，用到了有限状态机(FSM)的概念进行函数块的设计.

表3 DB20中G1公共信号数组

以正转启停控制函数块FB1为例，输入、输出参数皆与时间参数有关，输入/输出参数的数据类型为UDT正转设备数据类型.在静态变量中，存放了启机、超时、停止、手动启停复位计时器.M00～M10为正转启停控制函数块FB1中的有限状态机，正转设备的状态在几个状态中进行转换.设备在连锁模式启动允许状态下，才可以转换成连锁运行标志状态.调试模式与连锁模式的状态转换相似.当正转设备发生故障时，转换成故障报警状态.对于正转设备中的胶带输送机，当它在运行过程中发生跑偏现象，则转换成跑偏报警状态.当正转设备的超时计时时间达到或超过超时延时设定的0.1s时，正转设备转换成超时报警状态.当正转设备停机时，由于设有延时设定，首先转换成停止倒计时标志状态，当达到倒计时设定的时间时，设备转换成停止标志状态，此时设备停机.正转设备启机过程与停机过程类似.正转启停控制函数块FB1的变量声明表如下表4所示.

表4 正转启停控制函数块FB1的变量声明表

3.4 公共信号函数FC的设计

在砂石生产线自动控制系统的程序块中建立公共信号函数FC1，没有可以存储块参数值的数据存储器，调用函数时，必须给所有形参分配实参.在公共信号函数FC1中调用设备控制调用FB20、粗碎顺序启停调用FB21、精碎顺序启停调用FB22、信号中转传送FB23、上位信号复位FB8.调用这些需要重复执行的代码块，可以简化我们需要重复执行的任务，提高代码的运行效率，不占用额外的存储资源，减少了编程的工作量，提高了工作效率.

3.5 组织块OB的设计

组织块(OB)是CPU操作系统和用户程序之间的接口，由操作系统调用，当建立一个程序时，系统会自动建立一个Main[OB1]程序，负责调用其他模块.在砂石生产线自动控制系统的程序块的组织块OB块中调用公共信号函数FC1，来调动整个控制程序.

4 ATS上位监控系统界面设计

监控系统的上位机一般都是工控机，即工业计算机.工控机通过软件、串口、以太网等进行通信，实现过程控制并采集PLC、仪表、变频器等设备的实时、快速、准确的数据，工控机把数据采集上来，通过软件把数据显示到画面上，可以在工控机上能看到远程设备的数据和状态，也可以操控，同时可以进行数据统计等操作[9].

ATS组态软件是一款通用型的人机可视化监控组态软件，以分布式实时数据库技术作为内核的自动化软件产品.通过ATS组态软件，砂石生产线自动控制系统的工艺流程要能够通过界面模拟显示出来，直观地反映控制系统的运行状态，还要通过组态画面对系统进行控制[10].由于砂石生产线较长，涉及的设备较多，对每个车间配以独立的监控画面，更加清晰直观地显示设备的运行状态，在手动模式、远程模式下，点击设备图案要能完成对设备的直接操作.

4.1 除尘器界面设计

在砂石生产线中，共配备了4台除尘器，可以减小环境污染.在除尘器界面中，对每一台除尘器进行控制，并实时监控4台除尘器的参数.

4.2 主流程界面设计

根据砂石生产的工艺流程，对主流程界面进行设计.在主流程界面上，可以清晰地看到整个砂石加工生产的实时过程.在砂石生产线启动前，要先进行预警启动，警铃提示砂石生产线上设备周围的人，砂石生产线即将启动.在主流程界面上的预警部分可以清晰地看到设备的运行状态并对故障进行复位操作.将粗碎、精碎2部分工序的一键启动、一键停止按钮以及精碎工序的B段、C段、E段、F段、E和F段启动选择按钮设置在主流程界面上，便于操作人员对整个砂石生产线进行实时控制与监控.主流程界面如下图5所示.

图5 主流程界面

4.3 工作维护界面设计

工作维护界面中，分为了3个部分.第1部分是砂石加工生产设备进行模式的选择.第2部分是可对PLC控制器的工作状态进行监控.第3部分是对有桥接信号的卸料小车、电动弧门进行正反限位桥接控制.在设备维护时，为解除限位，桥接信号由工作维护操作界面给出.工作维护界面如下图6所示.

图6 工作维护界面

经调试，各个设备均可正常运行.设备在连锁模式、手动模式下均可正常运行.

5 结语

根据客户提出的全自动砂石生产线的需求，首先设计了砂石生产线自动控制系统工艺流程图，并设计了连锁模式、调试模式、手动模式进行控制砂石生产线自动化控制系统.其次，对砂石生产线自动化控制系统进行了网络结构的设计.再次，对砂石生产线自动化控制系统进行了结构化程序的设计.最后，采用ATS组态进行了主流程界面的设计，能够实现实时监控、控制的目的.砂石生产线自动控制系统的应用，不但节省了人力、管理费用，而且还有效的提高了砂石生产的生产效率以及砂石资源的利用率，此次设计满足了客户的需求，更重要的是与当今国家发展的主题相符.