西门子6ES7211-1BE40-0XB0

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PLC与工控机应用分析

1 系统组成

某电厂化学水处理系统基础设备具有良好的可控性，利用PLC和工业控制计算机对其进行实时监控管理

采用3台西门子公司的SIMATIC S5—115U可编程序控制器控制现场的一次设备，程控系统分为3套，依次为＃1补给水处理单元

操作员站选用两台研华586工控机，软件开发平台选用美国Intellution公司的FIX5.5组态软件。FIX5.5是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动化软件，该版本在WINDOWS或WINDOWSNT环境下运行，采用了图形用户界面，相应其内部的图形处理是基于第三代图形技术。

数据通信系统采用SINEC L2网，它把SIMATIC系列可编程序控制器以及工控机连成网络。SNEC L2是令牌总线网，网络传输介质是双绞线或光缆。每个节点通过总线连接器连到总线网上，在本系统中，三台PLC之间以及与两台工控机之间都实现了数据通讯。

该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置还具有冗余特性。

2 PLC及其程序设计

2.1 SIMATIC S5-115U硬件组成及编程概要

可编程序控制器SIMATIC S5-115U采用标准的模块式结构，电源、CPU、各种I/O模件都插在一块母板上，并可以根据不同的I/O点数增加扩展母板，输入、输出模件和存储器的精细分级，使得这种装置具有较强的配置适应能力；通过通讯处理器和局部网，可方便地实现PLC之间及与计算机的通讯。

SIMATIC S5-115U的编程语言是STEP5，有3种表达方法，即控制系统流程图CSF，梯形图LAD和语句表STL。其中语句表STL较接近于机器内部的控制程序，功能也比前两种方法丰富得多，因此在本系统实际编程应用中全部采用语句表STL。

STEP5的大特点是采用了结构化编程方法，并提供大量标准功能块如乘能块FB242、通讯功能块FB244等，使得编程工作大大简化，而且所编程序条理清晰，易于读懂、修改和测试，这一优点尤其在编制大型复杂程序时更能显现出来。

要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个独立的程序块，STEP5有5种块类型，即组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)，其中组织块(OB)用以管理用户程序，形成了操作系统和控制程序之间的接口，所有其它类型块在此被调用执行。功能块(FB)用于实现反复调用或者特别复杂的程序功能，这些功能块可以是系统以标准功能块的形式提供的，也可以由用户自己编制。例如标准功能块FB242就可以实现16位二进制乘能、FB244可以实现CPU与通讯处理器之间的数据传送，用到这些功能时可以直接调用这些功能块。

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一、输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再10%～20%的可扩展
余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
二、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
三、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
(一)运算功
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他运算功能。随着开放的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
(二)控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
(三)通信功能
大中型PLC应支持多种现场总线和通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信，应是开放的通信网络。
PLC的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合，通信距离应装置实际要求
PLC的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）PLC网络（各厂商的PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。

(四)编程功能
离线编程：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程可成本，但使用和调试不方便。在线编程：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种成本较高，但调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以特殊控制的控制要求。
(五)诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，诊断分内诊断和外诊断。通过对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断

西门子凭借制药数字化企业解决方案助力金宇生物建设面向“工业4.0"的数字化工厂

，将利用西门子的数字化企业解决方案帮助金宇生物建设面向“工业4.0"的智能化产业园区，打造的生物科技产业园。内蒙古自治区副主席王波、呼和浩特市市长李杰翔、副市长毕国臣等出席并见证了签字仪式。

西门子与金宇生物将在自动化、数字化、智能化等“工业4.0"关键领域紧密合作，致力于打通企业研发、生产与质控等环节，实现工程管理、设备运维、环境监控、节能减排的数字化。根据协议，西门子将向金宇生物提供一系列产品、系统以及相关解决方案和技术支持，帮助其实现厂区智能化，包括园区的整体规划、工业信息安全和网络系统、智能生产系统、建筑管理、能源管理、实验室管理系统等。目前，西门子与金宇生物就制药行业制造执行系统Simatic IT eBR和工程设计与运维管理平台Comos签订了软件与工程合同，引入西门子Simatic全集成生产管理系统和“一体化工程到一体化运维"的数字化设计理念。"

“数字化是通往‘工业4.0’和‘中国制造2025’的必经之路，我相信西门子与金宇生物合作打造的数字化工厂将成为制药行业，乃至流程工业数字化工厂的*，助力金宇生物实现全面的产业转型升级。"

“西门子作为数字化企业的企业，以持续的技术和管理创新，不断为社会提供优质产品和的技术服务方案。"金宇生物技术股份有限公司董事长兼总裁、党委书记张翀宇表示，“金宇生物秉承创新未来的宗旨，融合西门子的技术与经验建立数字化工厂形成智能化制造体系，必将制药行业的数字化发展趋势，共同满足客户的需求。"

随着监管部门对制药行业数据完整性的重视，数字化成为制药领域的日益关注的话题，是中国药企实现转型升级的必由之路。西门子为制药行业提供经过验证的集成的数字化解决方案，该方案包括Simatic IT eBR MES系统、Comos工程设计与设备运维管理平台、Simatic PCS 7过程控制系统、Batch批处理系统、SIPAT过程分析解决方案、Scalance信息安全与工业网络以及XHQ综合信息管理平台等，并为该数字化解决方案提供满足FDA、EMEA、CFDA等要求的计算机化系统验证服务，助力中国药企提升品质、走向世界。

金宇生物是中国兽用生物制品行业的企业，在产品质量与检测方面已成为行业标准的制定者，其自有产品质量标准一直高于行业标准，在大规模哺乳动物细胞培养、重组蛋白纯化及检定方面有相当的技术积累。2015年金宇生物在中国口蹄疫疫苗市场排名，直销份额高达60%。目前，金宇生物在呼和浩特市投资50亿元兴建金宇生物科技产业园，总建筑面积330,600平方米，将形成人用生物制药、兽用生物制药、中外合资生命科学、研发配套综合服务四大功能区，打造技术支撑与孵化平台。