【连载-应用篇】S7-1500 自动化产品在高压断路器组装线中的应用
通知:自本周开始，剑指工控携手西门子自动化及驱动集团，将开启S7-1500技术文章连载活动，其中将涉及S7-1500控制器应用篇和产品篇两大系列。
1. 项目简介
高压断路器是电力系统中最重要、最复杂的电器设备。在高压电路中起控制和保护的作用，是高压电路中的重要电器元件之一。随着其在电力系统中的广泛应用，市场的需求量不断上升，对高压断路器的高可靠性、高热稳定性、高动稳定性等性能同时提出了更高的要求，以减少电网的故障时间，减轻故障设备的损害，提高系统的稳定性。这也就决定了高压断路器的制造工艺水平提出了更高的要求！
传统的制造工艺，基本以人工为主，完成高压断路器的组装和相关性能参数的测试工作。人工成本极高，效率低下而且可靠性又差，特别是大批量的生产时，更是会造成很多质量上的问题！而本项目就是针对高压断路器制造工艺中的组装段，提出了用西门子S7-1500做为核心控制器，以用户公司自行研发的上位机软件作为数据管理中心的高压断路器自动化组装线。可在保证所生产产品的质量的同时提高了生产效率和产量，可满足市场的要求和应用。本套自动化组装线的设计思想是模块化生产工位，用户可根据所要组装产品的制造工艺不同可增加和减少工位，然后用户只要在PC机上的生产工艺软件完成相关生产工艺的参数设置，就可完成目前市面上的不同类型的高压断路器组装，比如：油断路器（多油断路器、少油断路器）、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等类型的组装。
图1：高压断路器
2. 设备工艺介绍
此套高压断路器组装流水线设计总长68米，有24个工位，由组装准备工段、生产装配组装工段、调试检测工段和成品外观工段四大工段组成。组装准备工段主要完成相关原材料零件的准备和零件是否缺陷及是否完整的检查。生产装配组装工段主要完成各原材料零件按照一定工序组装。调试检测工段主要完成相关性能的测试，如合闸和分闸机械特性测试，试运行的机械参数是否与设计的相同，通电测试对应的保护功能是否有效等测试，并将相关的调试检测和生产数据反馈到主服务器中并记录，若检测不合格，则将通过起重设备搬离生产线转到对应的处理工位。成品外观工段主要完成组装后的产品的外观处理，如检查分合闸指示牌和储能指示牌和铭牌是否整齐，对触头表面涂油处理，并用塑料袋包裹防止氧化处理。合格的产品最终流转到下一个包装工段。西门子的S7-1500PLC在此组装线的作用就是对组装线上的各种操作动作输入、光电检测开关、接近开关、气缸磁环、气缸电磁阀及其它联锁交互信号等信号进行有序的逻辑处理，完成相关的逻辑控制，最终完成组装线的自动化生产的过程。
3. 客户方案需求配置
此设备开发成功后将作为标准化设备推向市场。根据用户的现场的设计配置规划，现场工位有24个工位，其中21个工位旁配一个用于操作和显示的7寸触摸屏，另外3个工位配置用于产品性能测试的PC机。主控制柜配一块12寸的用于显示和操作的主控屏。所有的数据管理问题、生产下单及相关生产工艺参数的设置等由一台单独的上位机PC机主服务器完成，此PC机负责与逻辑控制器的所有与相关的数据的通讯，采集记录，生产规划下达以及生产工艺相关参数的设置等。此PC机的相关应用软件由用户公司自主开发，硬件配置和品牌用户要自行选择和配置。自动化组装线上每个测试段均配一对（A,B）用于起重和搬运的独立控制设备，总共9套，控制的点数分布较散，采取分布式控制的方式来控制，目前规划有8个子站。每个站点和9套用于起重的独立控制设备的具体IO统计如下图2所示：
图2：I/O需求点数统计表
4. 方案配置选型
根据用户以上所列的配置要求，器材配置统计如下：
7寸HMI，21台；
12寸HMI，1台；
PC机，4台；
用于起重的独立控制设备，9套；
子站，8个站；
分析此配置的特点是：
（1）连接资源数众多，HMI连接数有22个，PG连接数1个，与起重独立控制设备的控制器通讯连接9个。合计总连接数达32个。
（2）PLC控制器需要能够与用户自主开发的上位机软件进行通讯。
（3）I/O点数数量较多，IO数达1136点，但是都是以数字量为主，无需复杂的数据处理，控制将以逻辑控制为主。但是通讯连接数较多，程序运行的周期，通讯处理时间将占用很大一部分。
（4）只有1台PC主机与PLC控制器进行通讯，完成所有所需的数据交换和操作，对于另外3台用于高压断路器产品性能测试的PC机不直接与PLC通讯等数据交换和操作。无需考虑其通讯。
（5）起重设备是一套单独的控制系统，可单独用一个小型CPU来进行独立控制，方便此起重设备的维护、管理、增加减少等，与主控控制器CPU就进行一些简单的联锁和报警信号反馈等。
综上所述，我们可以对该配置进行方案选型如下：
（1）触摸屏方案选型：我们选择新一代精简面板，KTP700 Basic PN（7寸）和KTP1200 Basic PN（12寸）。新一代精简面板与之前的老版本的精简面板相比，在可支持的画面数（100）、变量（800）、报警系统的报警数量（1000）、用户内存（10M）、配方内存（256KB）和配方支持数量（50），本体上还支持1个USB口，比较下，新一代的面板有绝高的性价比。能够满足此组装系统的各工位的触摸屏的操作要求。在通讯口上，选择带以太网口的型号，方便与PLC集成的以太网口通信。
（2）PC机：用户要自己选型和配置，选的是研华工控机，在此不赘述。
（3）核心控制器CPU选型：用户初始提出的方案用的是S7-317 2PN/DP作为核心控制器，触摸面板采用精智面板。
针对CPU选型考虑如下：
a、由于此系统的连接资源较多，所以需特别考虑所选的CPU型号所支持的连接资源数量。对于 HMI 通信而言，将根据所用的 HMI 设备和使用 HMI 设备的应用来分配 CPU 中的连接资源。 通常精简系列面板的 CPU 最多需要 2 个连接资源进行 HMI 连接，而精智面板的 CPU 则最多需要 3 个连接资源。在此方案中，我们选的是新一代的精简面板，所以其总的连接资源数为22*2=44个。同时考虑到用户之前所选的触摸面板采用精智面板的方案，所以我们按精智面板的连接资源数来配置。即22*3=66个。各CPU能连接的资源数如图3所示：
图3：各CPU连接资源数统计表
从表中我们可以看出S7-300系列的S7-315 2PN/DP和S7-317 2PN/DP的连接资源站数在不增加通讯模块的情况下是不能达到要求的，S7-1500系列的CPU在连接资源数上面是远高于S7-300系列的CPU。根据连接资源数66个的要求和从性价比上考虑，所用的CPU预选为S7-1500的CPU 1513 1PN或CPU 1515 2PN。
b、由于HMI连接资源较多，相应的网络节点也较多，用于操作层的HMI可能有很多不可预测的操作，比如屏维修更换、数据读写操作或其它人员的不当操作，就有可能造成系统网络通讯故障。这将会对控制和人身安全造成不可预测的影响。为了解决这个问题，我们需将用于操作层的HMI与用于控制的子站进行网络隔离。让对稳定性要求很高的用于控制的子站保持在一个相对稳定的网络环境。所以需采用有网络隔离功能的有两通讯端口的CPU作为控制器。
c、根据预估的IO点数达1136个点，用户程序量可能需要占用较大的工作内存。
所以综上3点及性价比的考虑，最终选择CPU 1515-2 PN作为最终的核心控制CPU。
（4）用于起重的独立控制设备方案的选型：由于此设备工作相对于较独立，只是与CPU 1515-2 PN就进行一些简单的联锁和报警信号反馈。所以可考虑用S7-1200小型控制器来控制。S7-1200CPU集成PROFINET接口，支持智能设备，通过简单的组态，控制器通过对I/O映射区的读写操作就可以实现主从架构的分布式I/O应用，而无需再进行繁琐的编程。S7-1200可支持8个信号模块，基本上都可以满足用户所列的IO需求点数。 综合考虑该设备的最终选CPU 1214作为CPU。
（5）分布式I/O站选型：在S7-1500系列的普通的柜内分布式系统有ET200MP和ET200SP两种方案可供选择。ET200MP与S7-1500系统共用相同的信号模块，每个站可支持的模块功能更多更强，但是相应的成本价格也会更高。而ET200SP则在支持模块性能上相对的会普通些，但其自身也有相应的特色。体积小，使用灵活，性能突出，而且价格上又有绝佳的高性价比！由客户提供的配置要求可知，该系统没有特殊的控制要求，对输入输出点的模块和通道在诊断、时间的响应上和等时同步上均没有特殊的要求。所以高性价比的ET200SP做为分布式控制方案无疑是最佳的选择。SIMATIC ET 200SP作为ET200分布式I/O家族的新成员，单个模块最多可支持16通道，各种模块可任意组合。根据图表2中的I/O站的点数需求，可选高性价比的IM 155-6 PN BA的IM接口模块，此接口模块支持模块数量为12个，基本可满足所需点数的组合，通常情况下I/O点数配置的预留量一般为每个对应站点原本需求点数的10%~15%之间。
5. 系统架构
4.1 硬件
通过上面的方案配置选型最终的确定硬件器材实际配置如下图4;
图4：实际配置的IO点数统计表
控制系统中产品功能说明：
（ 1）触摸屏：7寸屏，主要分布在高压断路器组装线的各个工段工位，完成显示和操作。屏中可根据高压断路器配件类型，调出相关的工件的操作和安装说明步骤及技术参数。也可显示工艺的流程进度状态等。同时可完成此工位段需要的一些启停控制和模式切换等操作。12寸的屏作为主控屏，完成该套系统的所有管控工作。
（ 2）主控制站：a、执行此套高压断路器组装线的相关所有控制程序。b、完成与相关连接的所有通讯任务。c、完成该套控制系统的所有报警及诊断等。d、完成所有外围设备的响应。
（3）S7-1214配置：此套是独立设备，是用于控制起重和搬运的独立设备。由于高压断路器成品和配件的重量通常都较重，外形也较大，靠通过人工搬动的方法不可行，所以需借助此套设备用于起重和搬运。在高压断路器组装线上，当测试到某半成品不合格时，就需要将此半成品剔除，重返到上一级工位拆卸，完成不良品配件替换及组装。在组装线的后段，合格的产品的包装等都需要用到起重搬运等。9套控制系统原理和结构基本相同。
（4）PC机：其中1台主服务器PC作为上位机数据管理中心，上位机软件由用户自行研发。通过OPC通讯的方式实现与控制器的通讯。完成功能如下：a、完成与CPU 1515 2PN通讯，作为通讯数据的唯一接口，其它设备要与CPU 1515 2PN通讯所需要的交换的数据都只通过这台PC完成。b、在生产工艺软件完成相关生产工艺的参数设置及操作，及相关生产数据的存储记录及产品编码存储等功能。c、做为监控界面，监控各生产工段的正常运行和报警信息等。 另外3台PC则主要用来与测试高压断路器性能的专用测试设备相连接。不直接参与该组装线的控制。
4.2 网络结构和配置
下图5，为系统网络结构图：
图5：网络拓扑图
如图5所示， 连接资源较多通讯上的误码率高、通讯延迟时间长、网络风暴拥堵等情况都有可能会出现。可能造成站点丢失等通讯问题，为避免这种情况，采取星型的网络拓扑结构。操作层的HMI、PC和CPU 1515 2PN口的支持Ethernet的X2口都是先连接到24口交换机，让这24口交换机作为中央节点。而对8个分布式ET200SP I/O站和9个独立控制的CPU 1214等现场控制层级的站，由于对稳定性和实时性要求高，故采用CPU 1515 2PN支持Profinet的X1口，与操作层的连接相同，同样也是将各接口连到24口交换机，将交换机作为中央节点。
本配置采用的星型网络拓扑结构它具有如下特点：结构简单，便于管理；重新配置灵活，控制简单，便于建网；方便故障检测和隔离；网络延迟时间较小，传输误差较低等优点。
6. 技术要点
（1） 主服务器PC与CPU 1515 2PN的通讯要点说明
此项目的其中一个核心的问题就是要解决主服务器PC与CPU 1515 2PN的通讯问题，由于上位机软件及相关生产工艺的软件是由客户公司自行开发，而西门子的一些总线通讯协议并不对外开放的，所以如何与西门子CPU 1515 2PN进行通讯将是一个重要的问题。好在西门子公司对此也有对应的解决方案---采用OPC通讯。西门子公司提供了一款SIMATIC NET软件来组态OPC通讯。采用以太网网络介质，用户只需进行简单的配置相关的通讯交换区域，就可完成相关数据的读写交换等功能。至于PC部分的相关应用软件（上位机软件和工艺管理软件）的开发由用户自行开发，在此项目中，我们不涉及参与，用户要求只要能够完成与CPU 1515 2PN通讯即可，所以在此不详细叙述。
SIMATIC NET是西门子在工业控制层面上提供的一个开发的、多元的通信系统。它意味着可以将工业现场的PLC、主机、工作站和个人电脑联网通信，适应自动化工程中的种类多样性。SIMATIC NET支持多种通讯网络，含工业以太网、PORFIBUS、AS-I、MPI等。高级PC Station组态是随着SIMATIC NET V8.2提供。Advanced PC Configuration代表一个PC站的全新、简单、一致和经济的调试和诊断解决方案。一台PC可以和PLC一样，在SIMATIC S7中进行组态，并通过网络装入。PC Station包含 SIMATIC NET通信模块和软件应用，SIMATIC NET OPC server就是允许和其他应用通信的一个典型应用软件。
此项目采用的OPC组态软件为：SIMATIC NET V8.2。
（2） CPU 1515 2PN与S7-1214CPU通讯的要点说明
此高压断路器组装线，主控CPU与独立的起重设备之间需要完成相关信号的采集（比如报警信息等）、控制及联锁互锁等逻辑控制。这就涉及了CPU 1515 2PN与CPU 1214间通讯处理的问题，CPU 1214的通信接口由一个抗干扰的RJ45连接器组成，支持Profinet通讯和I-Device功能，通过简单的组态，就可实现主从架构的分布式I/O应用，无需另外编程，也不占用CPU 1515 2PN的连接资源。快速方便的解决两CPU间的一些需要信息交互的问题。
7. 总结
此高压断路器组装线项目充分利用了S7-1500CPU通讯端口和强大的通讯能力，为此项目对通讯要求高的特点，提供了一个完美的解决方案。TIA博途人性化的编程界面和功能，可高效快速的组态、编程及通讯配置。ET200SP作为S7-1500控制器家族的新成员，设计紧凑、简单易用、又有着绝高的性价比！为此高压断路器组装线的分布式控制提供了方便。
互动有礼
剑指工控-S7-1500技术文章连载活动诚邀工控网友参与互动！
欢迎广大网友积极提问，与西门子专家进行微信互动！
对网友共性问题，我们还将专门辟出专题来解答！
在整个连载活动中，我们将持续对积极参与互动的网友进行实物奖励！
