PLC与OP在综合测控系统的设计

张晓玲，魏宗康

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

PLC与OP在综合测控系统的设计

张晓玲，魏宗康

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

基于可编程控制器（PLC）与操作员面板（OP）创新结合的平台，提供了一个安全可靠、实时操作和高效快捷的测量和控制系统，不仅扩展了PLC的功能，使其具有图形化、交互式工作界面的独立系统，而且大大减少了操作台上开关、按钮、仪表等的使用数量，使得编程和操作工作非常轻松舒适。提出了利用西门子S7-300系列PLC、OP构成的综合测控系统设计方案。设计了测控系统的组成、PLC和OP硬件结构及软件框图、操作面板组态画面以及主要监测功能，在实际的应用中提高了自动化测试程度及测试的数据精度和准确性，取得了良好的应用效果。

可编程控制器；人机界面；操作员面板OP277；测控系统

0　引言

综合测控系统用来提高测试的自动化程度，以及测试数据的精度和准确性。它主要完成对开关量输入信号、模拟量输入信号和开关量输出信号的自动采集、测量、控制、显示；并能接收主控计算机发出的指令，执行开关量输出控制，检查开关量输入状态，读取电压、电流的测量值等功能。

本文中采用西门子S7-300 PLC与OP277相结合［1-2］，设计出综合测控系统，在应用中取得良好效果。西门子S7-300中小型PLC，具有模块化、无排风扇结构，易于实现分布，高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性，与上位机通信方便等特点，成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案［3-4］。由于现场操作面板（OP）具有编程容易掌握、与PLC通信良好、抗干扰能力强、操作简便、界面美观直接、灵活的组态方式，方便用户使用及二次开发的特点，正迅速地渗入各个行业，发挥自动化控制的最大优势。一套自动化测试程度高、通信速度快、数据采集精度高、操作方便直观的综合测控系统成为目前研制的重点。

1　系统组成

综合测控系统由PLC、模拟量输入信号调理板、开关量输入信号调理板、操作员面板OP277、主控计算机、以太网交换机、测控软件、打印机组成。

PLC［5-6］是整个系统的核心，是前端读、写I/O的中枢，负责采集开关量输入和电压、电流测量，接收主控计算机发出的指令执行开关量输出，检查开关量输入状态，读取电压、电流的测量值。其中电压、电流信号的规格不同，电压、电流信号由模拟量输入信号调理板统一变换成±10V信号，并隔离输出到PLC。开关量输入信号由PLC的开关量输入信号调理板实现隔离。

主控计算机通过以太网络从PLC设备中读取参数，实时显示并存入数据库；同时可以向PLC发出指令。计算机选用一体化工业计算机，安装iFIX4.5软件［7-8］。

以太网交换机为整个系统的通信中枢，实现计算机与各部分之间的信息交换。

综合测控系统拓扑结构如图1所示。

图1　系统拓扑结构图Fig.1　Topological structure

2　硬件设计

2.1PLC设计

（1）模块配置

综合测控系统的核心采用SIEMENS S7-300 PLC，模块配置图如表1所示。

（2）PLC通信配置

CPU315-2PN/DP带有以太网接口，与主控计算机进行以太网通信；与OP277操作员面板用MPI网进行通信。

（3）STEP 7工具

STEP7是用于SIEMENS PLC［9］S7的标准工具，其对用户的方便性，使用户可以容易地利用这些系统资源。STEP7具有友好的用户功能：硬件的配置和参数设置；通信的定义；编程；测试、启动、维护；文件、建档；操作/诊断功能。

STEP7将所有用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中。在块内和块之间可以进行子程序调用，使用户程序可以结构化。这将显著增加PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。

2.2人机界面OP277

根据5U高的机箱，选择西门子公司标准的OP277操作员面板［10］，有6英寸的液晶显示屏和各种系统键、功能键，能方便地显示测试的所有数据和监视其运行情况。

（1）OP277的特点

操作员面板OP277的正视图如图2所示，使用系统键和功能键操作OP277，在组态期间定义分配给特定功能键的功能。

表1　模块配置图Table 1　Module configuration

图2　OP277正视图Fig.2　Front view of OP277

OP277的底视图如图3所示，OP277提供了丰富方便的接口：USB端口、RS422/RS485（1F1B）端口、以太网端口、电源插座。USB接口可用于开机状态下“即插即用”。在本测控系统中，OP277采用以太网端口传送程序，通过多点接口MPI与SIMATIC S7可编程控制器直接相连，实现控制过程的人机对话。

图3　OP277底视图Fig.3　Bottom view of OP277

（2）Wincc fexible组态

SIMATIC WinCC flexible［7-9］是西门子公司的HMI/SCADA软件系统的一员，使用基于Windows的软件WinCC flexible，可以对操作员面板OP277进行既简单又高效的组态。WinCC flexible集成了ProTool的简易性和WinCC的开放性，以机器和过程为向导，可嵌入面板与PC中，多语言可全球通用，可通过网络进行远程诊断、控制、服务，具有开放简易的扩展功能。在WinCC flexible的应用界面下，用户可以根据系统要求进行组态、编程和数据管理。离线方式下也可以创建和编辑项目，即使没有PLC和OP，亦可PC模拟组态测试。

2.3开关量输入信号调理板

开关量输入信号经开关量输入信号调理板后转换成适合PLC的开关量输入模块的测量电平24V、0V。开关量输入信号经信号调理板后，与PLC开关量输入模块隔离。

每一路开关量输入信号调理电路由光隔离继电器AQW214、电阻R和电容C等组成，电路图如图4所示。

电路中D1为双路光耦隔离芯片AQW214，是实现电路隔离、电平转换的核心，具有低电流控制、高隔离电压、低泄漏电流的特点。电路输入的电压信号经过R1、C1后转换为电流进入D1输入端驱动发光器件，发出一定波长的光，光探测器接收而产生电流，再经放大输出。D1输入端属于电流型的低阻元件，具有很强的共模抑制能力，可以大大提高信噪比，增加可靠性。同时输入输出信号相互隔离，电信号传递具有单向性，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

2.4模拟量输入信号调理板

模拟量输入信号经模拟量输入信号调理板按适当比例转换成符合PLC模拟量输入模块的测量量程±10V，由PLC采样、处理后，恢复到原来的量程。模拟量输入信号经信号调理板后，不仅与PLC模拟量输入模块隔离，而且各路之间也相互隔离。

每路模拟量输入信号调理电路由电压转换器、1∶1隔离放大器、DC-DC转换器A、DC-DC转换器B等组成，电路图如图5所示。

图4　开关量输入信号调理电路Fig.4　Signal conditioning circuit of DI

图5　模拟量输入信号调理电路图Fig.5　Signal conditioning circuit of AI

3　软件设计

3.1PLC程序流程设计

PLC的软件开发选择标准工具软件STEP7，STEP7将所有用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中。在块内和块之间可以进行子程序调用，使用户程序结构化成为可能。这将显著增加PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。

综合测控系统的PLC程序从以下5个方面说明：

1）对PLC各模块及模块内参数进行配置。

2）对与主控计算机通信的以太网通信口以及与OP操作员面板通信的MPI通信口进行配置，定义网络属性、通信参数以及通信内存区。

3）与OP操作员面板通信的通信内存区—DB数据块的定义。

4）上电初始化程序块、各种运行故障处理程序块的编写。

5）主循环程序块根据OP操作员面板或主控计算机下达的指令，工作在两种状态：

①正常状态：将采样得到的各种参数存入到数据存储区域，主控计算机及OP操作员面板分别通过以太网和MPI网络，读取这些存储区域的参数；根据主控计算机下达的命令，执行开出动作。

②自检状态：根据OP操作员面板的自检命令，关闭相应的开出开关，并将执行结果反馈给OP操作员面板。

3.2OP277编程思路

操作员面板OP277在本测控系统中的编程思路主要分为3个部分，程序框图如图6所示。

图6　OP277程序框Fig.6　Program chart of OP277

3.3程序流程图

综合测控系统的软件流程图如图7、图8所示。

图7　分支程序①流程图Fig.7　Flow chart of branching program

其中，图7是分支程序流程图，主要完成OP的自检命令，包括开关量检测功能和模拟量检测功能。图8是主程序流程图，主要是将开关量输入信号分别送给主机和OP。将开关量输出映象送给OP。模拟量采样分层值送给主机；经过计算的电压值送给OP，计算系数由OP给出。

4　HMI设计

起始画面可在设备设置中进行定义。起始画面如图9所示，“综合测控系统”定义为图形视图，根据需要进行属性设置。功能键可授予画面切换的功能，控制功能键有：F9（启动）、F10（开入）、F11（模入）、F14（密码）。按F9键进入各种状态下的测试画面；按F10键进入“开关量检测画面”；按F11键进入“模拟量检测画面”；按F14键进入“口令处理画面”，输入口令后，即可授权进行检测功能。

口令处理画面如图10所示，输入用户名和密码，即可进行信号的检测功能。

图8　主程序流程图Fig.8　Flow chart of main program

图9　起始画面Fig.9　Starting interface

图10　口令处理画面Fig.10　Password handling interface

模拟量检测画面如图11所示，可以显示模拟量输入信号的电压值。通过右下方功能键F11和F12可分别授予模拟量信号的“闭合”和“断开”功能。F13授予模拟量检测画面和开关量检测画面的切换功能。

图11　模拟量检测画面Fig.11　Analog signal test interface

开关量检测画面如图12所示，分别用ON和OFF来显示开关量信号的闭合和断开。通过右下方功能键F11和F12可分别授予开关量信号的“闭合”和“断开”功能。F13授予开关量检测画面和模拟量检测画面的切换功能。

图12　开关量检测画面Fig.12　Digital signal test interface

5　结论

本文主要设计了PLC硬件组成和程序结构，OP277的主要监测功能，HMI画面，组态画面不仅显示清晰、直观，而且给系统增添了美观。综合测控系统安全、可靠，操作方便直观，自动化测试程度高，通信速度快，数据采集精度高。基于PLC和OP结合的产品具有很高的稳定性，而且在软件开发上非常高效快捷，一方面扩展了PLC的功能，使其具有图形化、交互式工作界面的独立系统，另一方面大大减少了操作台上开关、按钮、仪表等的使用数量，使操作更加方便直观。这不仅为综合测控系统提供了有力保证，而且在综合测控系统的应用中取得了良好的效果。

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Design of Integrated Measurement and Control System Based on PLC and OP

ZHANG Xiao-ling，WEI Zong-kang
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

Innovative combination based on PLC and OP is a platform that offers a safe，reliable，real-time operational solution，which is quick and efficient for the measurement and control system.This platform not only extends PLC functions including graphical and interactive interfaces，but also reduces the number of switches，buttons and instruments on the work stations.All of these advantages can make the programming and operation become very relaxed and comfortable.Here，this article presents a measurement and control system which is designed by choosing SIEMENS S7-300 PLC and OP as the hardware platform.System composition，hardware structure and software block diagram，HMIdesignandfunctionsareintroduced.Inpractice，the experimentalresults showthat thesystem can achieve good effects in many aspects such as improving the automatic degree and precision and accuracy of the test.

programmable logic controller（PLC）；human-machine interface（HMI）；OP277；measurement and control system

TP274+.2

A

1674-5558（2016）05-01080

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.020

2015-02-13

张晓玲，女，博士，工程师，研究方向为导航、制导与控制。