论文部分内容阅读
摘 要：西门子SIMATIC-S5系统已停产，采用该系统的旧有生产设备面临着升级改造的问题。提出了真空感应精密熔铸炉控制系统升级改造方案。详述了如何由SIMATIC-S5系统升级为SIMATIC-S7系统，以及期间遇到的问题和解决方法。利用MCGS组态软件对人机界面系统做了升级改造。
关键词：真空感应精密熔铸炉；SIMATIC-S5；SIMATIC-S7；升级
1. 引言
上个世纪90年代，西门子S5系统是当时控制系统的主流，真空感应精密熔铸炉是当时从德国莱宝（LEYBOLD）公司引进，其控制系统为西门子的SIMATIC-S5系统。目前S5系统大多数CPU模块和信号处理模块已经不再生产，取而代之的是西门子更为先进的SIMATIC-S7 系统。由于S5备件价格昂贵，供应周期很长而且越来越难于订货，保障性差。为了保证该设备能满足稳定生产的需要，有必要将其控制系统进行升级改造，即由SIMATIC-S5系统升级至SIMATIC-S7 系统。
2. 生产工艺介绍
真空感应熔炼（VIM）是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制等特点。主要生产工艺包括真空发生、模壳加热、加料、熔炼、浇铸、拉晶等控制过程。设备形式为三室立式结构：加料测温室、熔炼室及模壳铸型室。加料测温室与熔炼室之间、熔炼室与模壳铸型室之间通过气动真空插板阀的开启和关闭来实现连通和断开，从而实现熔炼室在真空状态下的多次加料、测温以及模壳铸型的装卸，实现真空环境下的连续生产。
3. 原SIMATIC-S5控制系统构成
控制系统主机采用的是西门子S5-135U，中央处理器模块为CPU928B模板，主机架配置一个IP246 I定位模板、一个16通道模拟量输入模板、一个8通道模拟量输出模板、6个32点数字量输入模板以及5个32点数字量输出模板。配置一个西门子OP15操作面板。整个系统由模壳升降控制、模壳加热器温度测量及控制、熔炼温度测量及控制、真空测量及控制、加料器升降控制、冷却水循环等六大部分组成。
4. 控制系统改造升级方案
目前设备控制系统的稳定性和可维护性问题主要集中在控制主机PLC上，为尽可能减少升级改造工作对正常生产的影响，所以原有控制柜改造不进行整体升级替换，而是保留现有低压主回路，控制柜体、模拟操作屏和端子等部分均予保留，只对PLC部分进行拆除，然后用替代的新产品在现场重新安装、配线成柜。PLC程序也必须对应由S5程序升级到S7。根据原控制主机的情况和设备的工艺及性能要求，PLC采用西门子S7-300系列产品。CPU模块采用CPU317-2PN/DP带工业以太网接口可与安装MCGS组态软件的工控机通讯，由工控机的图形化人机界面代替原OP15的文本界面。PLC配置两个机架：机架0配置电源模块，CPU模块，IM360接口模块，6个32点数字量输入模块和1个8通道模拟量输出模块；机架1配置IM361接口模块，1个FM354定位模块，2个8通道模拟量输入模块和5个32点数字量输出模块。PLC的输入输出点数完全满足设备控制要求。在地址分配中尽可能保持原S5系统的I/O地址不变，新增加的点分配新的地址。这样减少转换过程的工作量。
5. S5程序转换为S7程序
虽然SIMATIC-S7为SIMATIC-S5系列的升级换代产品，但是S5升级改造为S7的工作量同样非常巨大。S5系统与S7系统相比较而言，其无论从编程语言、产品框架等都有极大的不同。这就要求不仅对S5编程语言、思路有详细的了解，而且要能找出S5对应升级S7后的替代产品，并要求在S7系统上编出具有相同功能的流程图及程序。
虽然西门子提供了S5程序到S7程序的转换工具，但是使用“Converting S5 Files”后，所转换的程序会出现各种问题。为了保证程序的可用性，我们还必须仔细的核对修改。首先，了解分析原程序的结构、控制流程，各个功能块数据块的调用关系；掌握原S5程序中所有程序块的作用和功能。其次，逐条检查每一条程序，错误的地方再用人工进行修改。
S5中的OB20为手动或自动冷重启时调用的组织块，在S7中可以用OB100进行替代。S5中的OB15是时基500ms的周期中断组织块，在S7中可以用OB33进行替代。S5中所有的用户程序块PB块和FB块都转换成S7中的功能FC，数据块DB转换成具有相同编号的全局数据块。
S5中的PB5程序块是自动模式的顺序控制程序。通过GRAPH5的顺控器功能块FB72调用顺控器SB22（加料器下降控制）、SB23（模壳预加热控制）、SB24（熔炼控制）、SB25（拉晶控制）、SB26（加料器上升控制），从而实现生产过程的自动控制。在S7中这部分程序是用S7-GRAPH编程语言重新编写的。用于PLC与操作面板OP15通讯的功能块及其数据块在新系统中没有使用，可以直接删除。在新系统中通过上位机组态软件直接读取/写入PLC中的变量实现图形化人机界面操作。
其余的程序通过逐条检查，错误的地方经人工修改，不能转换的根据其功能重新编程，当所有的错误修改完成并在源文件中编译无误，PLC程序部分转换完成。经使用S7-PLCSIM仿真软件对程序运行情况及其I/O进行测试，表明程序升级成功。
6. 图形化人机界面
设备原有人机界面采用的是西门子OP15文本操作面板。它是专用于SIMATIC S5 PLC的文本操作面板，具有2×40个字符的显示，16个自定义功能键以及24个系统功能键。主要实现的功能是：（1）工艺配方的输入、存储和传送；（2）设备在预加热、熔炼、拉晶等工艺过程期间，当前工作状态的文本显示；（3）设备断电后重新上电时，模壳升降系统返回参考点操作；（4）设备报警、故障信息的显示输出以及报警信息的确认；（5）密码登录、退出，即访问级管理。
系统升级后由具有12寸LCD触摸屏的工控机代替原OP15的全部功能。在工控机上安装了MCGS组态软件，通过图形化人机界面的开发，不仅保留原OP15的全部功能，而且操作更加简单、明確，功能更加完善。MCGS组态软件通过工业以太网与S7-300 PLC通讯，通过组态各种图形、按钮控件、配方操作处理构件、报警显示构件等数据对象，实现了设备工作状态的图形化显示，配方管理、报警显示等原OP15的所有功能。通过组态实时曲线构件、历史曲线构件、历史表格构件等数据对象，为升级后的系统增加了工艺过程实时曲线显示，工艺曲线历史记录管理及打印输出，报警历史记录等功能。配方操作处理构件采用表格形式的配方管理，使工艺配方的管理更直观方便。
7. 结论
通过对真空感应精密熔铸炉控制系统S5到S7 PLC的升级改造，优化了用户软件及硬件系统，进一步完善了该设备的控制功能。该项目经过PLC硬件系统IO测试以及设备现场安装调试。结果表明，升级后的S7 PLC控制系统达到甚至超过了原设备的控制要求。
参考文献
[1]SIMATIC STEP 7 from s5 to s7 converter manual，2004.1.
[2]SIMATIC S5 S5-135U CPU 928B Programming Guide，1996.11
[3]廖常初编著.S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社，2008，5.
[4]SIMATIC用于S7-300和S7-400的语句表（STL）编程.2007，8.
关键词：真空感应精密熔铸炉；SIMATIC-S5；SIMATIC-S7；升级
1. 引言
上个世纪90年代，西门子S5系统是当时控制系统的主流，真空感应精密熔铸炉是当时从德国莱宝（LEYBOLD）公司引进，其控制系统为西门子的SIMATIC-S5系统。目前S5系统大多数CPU模块和信号处理模块已经不再生产，取而代之的是西门子更为先进的SIMATIC-S7 系统。由于S5备件价格昂贵，供应周期很长而且越来越难于订货，保障性差。为了保证该设备能满足稳定生产的需要，有必要将其控制系统进行升级改造，即由SIMATIC-S5系统升级至SIMATIC-S7 系统。
2. 生产工艺介绍
真空感应熔炼（VIM）是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制等特点。主要生产工艺包括真空发生、模壳加热、加料、熔炼、浇铸、拉晶等控制过程。设备形式为三室立式结构：加料测温室、熔炼室及模壳铸型室。加料测温室与熔炼室之间、熔炼室与模壳铸型室之间通过气动真空插板阀的开启和关闭来实现连通和断开，从而实现熔炼室在真空状态下的多次加料、测温以及模壳铸型的装卸，实现真空环境下的连续生产。
3. 原SIMATIC-S5控制系统构成
控制系统主机采用的是西门子S5-135U，中央处理器模块为CPU928B模板，主机架配置一个IP246 I定位模板、一个16通道模拟量输入模板、一个8通道模拟量输出模板、6个32点数字量输入模板以及5个32点数字量输出模板。配置一个西门子OP15操作面板。整个系统由模壳升降控制、模壳加热器温度测量及控制、熔炼温度测量及控制、真空测量及控制、加料器升降控制、冷却水循环等六大部分组成。
4. 控制系统改造升级方案
目前设备控制系统的稳定性和可维护性问题主要集中在控制主机PLC上，为尽可能减少升级改造工作对正常生产的影响，所以原有控制柜改造不进行整体升级替换，而是保留现有低压主回路，控制柜体、模拟操作屏和端子等部分均予保留，只对PLC部分进行拆除，然后用替代的新产品在现场重新安装、配线成柜。PLC程序也必须对应由S5程序升级到S7。根据原控制主机的情况和设备的工艺及性能要求，PLC采用西门子S7-300系列产品。CPU模块采用CPU317-2PN/DP带工业以太网接口可与安装MCGS组态软件的工控机通讯，由工控机的图形化人机界面代替原OP15的文本界面。PLC配置两个机架：机架0配置电源模块，CPU模块，IM360接口模块，6个32点数字量输入模块和1个8通道模拟量输出模块；机架1配置IM361接口模块，1个FM354定位模块，2个8通道模拟量输入模块和5个32点数字量输出模块。PLC的输入输出点数完全满足设备控制要求。在地址分配中尽可能保持原S5系统的I/O地址不变，新增加的点分配新的地址。这样减少转换过程的工作量。
5. S5程序转换为S7程序
虽然SIMATIC-S7为SIMATIC-S5系列的升级换代产品，但是S5升级改造为S7的工作量同样非常巨大。S5系统与S7系统相比较而言，其无论从编程语言、产品框架等都有极大的不同。这就要求不仅对S5编程语言、思路有详细的了解，而且要能找出S5对应升级S7后的替代产品，并要求在S7系统上编出具有相同功能的流程图及程序。
虽然西门子提供了S5程序到S7程序的转换工具，但是使用“Converting S5 Files”后，所转换的程序会出现各种问题。为了保证程序的可用性，我们还必须仔细的核对修改。首先，了解分析原程序的结构、控制流程，各个功能块数据块的调用关系；掌握原S5程序中所有程序块的作用和功能。其次，逐条检查每一条程序，错误的地方再用人工进行修改。
S5中的OB20为手动或自动冷重启时调用的组织块，在S7中可以用OB100进行替代。S5中的OB15是时基500ms的周期中断组织块，在S7中可以用OB33进行替代。S5中所有的用户程序块PB块和FB块都转换成S7中的功能FC，数据块DB转换成具有相同编号的全局数据块。
S5中的PB5程序块是自动模式的顺序控制程序。通过GRAPH5的顺控器功能块FB72调用顺控器SB22（加料器下降控制）、SB23（模壳预加热控制）、SB24（熔炼控制）、SB25（拉晶控制）、SB26（加料器上升控制），从而实现生产过程的自动控制。在S7中这部分程序是用S7-GRAPH编程语言重新编写的。用于PLC与操作面板OP15通讯的功能块及其数据块在新系统中没有使用，可以直接删除。在新系统中通过上位机组态软件直接读取/写入PLC中的变量实现图形化人机界面操作。
其余的程序通过逐条检查，错误的地方经人工修改，不能转换的根据其功能重新编程，当所有的错误修改完成并在源文件中编译无误，PLC程序部分转换完成。经使用S7-PLCSIM仿真软件对程序运行情况及其I/O进行测试，表明程序升级成功。
6. 图形化人机界面
设备原有人机界面采用的是西门子OP15文本操作面板。它是专用于SIMATIC S5 PLC的文本操作面板，具有2×40个字符的显示，16个自定义功能键以及24个系统功能键。主要实现的功能是：（1）工艺配方的输入、存储和传送；（2）设备在预加热、熔炼、拉晶等工艺过程期间，当前工作状态的文本显示；（3）设备断电后重新上电时，模壳升降系统返回参考点操作；（4）设备报警、故障信息的显示输出以及报警信息的确认；（5）密码登录、退出，即访问级管理。
系统升级后由具有12寸LCD触摸屏的工控机代替原OP15的全部功能。在工控机上安装了MCGS组态软件，通过图形化人机界面的开发，不仅保留原OP15的全部功能，而且操作更加简单、明確，功能更加完善。MCGS组态软件通过工业以太网与S7-300 PLC通讯，通过组态各种图形、按钮控件、配方操作处理构件、报警显示构件等数据对象，实现了设备工作状态的图形化显示，配方管理、报警显示等原OP15的所有功能。通过组态实时曲线构件、历史曲线构件、历史表格构件等数据对象，为升级后的系统增加了工艺过程实时曲线显示，工艺曲线历史记录管理及打印输出，报警历史记录等功能。配方操作处理构件采用表格形式的配方管理，使工艺配方的管理更直观方便。
7. 结论
通过对真空感应精密熔铸炉控制系统S5到S7 PLC的升级改造，优化了用户软件及硬件系统，进一步完善了该设备的控制功能。该项目经过PLC硬件系统IO测试以及设备现场安装调试。结果表明，升级后的S7 PLC控制系统达到甚至超过了原设备的控制要求。
参考文献
[1]SIMATIC STEP 7 from s5 to s7 converter manual，2004.1.
[2]SIMATIC S5 S5-135U CPU 928B Programming Guide，1996.11
[3]廖常初编著.S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社，2008，5.
[4]SIMATIC用于S7-300和S7-400的语句表（STL）编程.2007，8.