Abstract: This paper mainly discusses some characteristics of safety PLC system and introduces one example to upgrade the system from S5 to S7。
关键词：安全型PLC、STEP 7、升级
Key words: Safety PLC STEP 7 Upgrading
前言
我公司2002年8月进口的大张质量检查机，其图像检查系统是KBA公司开发生产的第二代印品质量图像检查系统，技术上已经滞后，其检测效果已不能完全满足我公司生产的需要，并且其维护成本、故障率均比较高，操作使用也不太方便，因此需对该检测系统进行改造和提升。为配合检测系统的改造和提升，在全面掌握设备原理及相关技术的基础上，我们决定对电气控制系统进行改造和升级。
系统分析
进口大张检查机的电气控制系统采用西门子S7412-2 PLC为中心， 通过MPI总线连接两个触摸屏，通过Profibus总线连接主电机、主机编码器、ET200L-SC分布式I/O模块，通过点对点通讯模块CP441-2的串口一（9364R协议）连接负责主机运行与安全保障的S5主从PLC，通过点对点通讯模块CP441-2的串口二（RK512协议）连接图像检测系统。整个控制系统的架构合理、主流、灵活。但控制系统也存在不便之处：S5-95F安全型 PLC是西门子的过时产品，市场上越来越难以购买,且需经过 DOS下的软件配置后方能使用，如该系统出现故障，将严重影响公司的正常生产，为此，须对该S5系统进行改造和升级。
1、S5-95F PLC的硬件架构及特点
1）、安全型PLC简介
根据IEC标准，安全型系统称为Safety-Related System，它覆盖的范围很广，适用于所有工业系统，它包含了影响安全的各种因素，如仪表组成的保护系统，工艺设备的安全措施以及管理和人员的操作和规章制度等各方面。
在什么情况下一个PLC才能被称为安全PLC呢?总的来说，安全PLC是一种专门为条件苛刻的任务或是安全相关的应用而设计的可编程逻辑控制器;如果一台安全PLC失效了，它不会对人员安全或过程安全带来危险。实际上，“安全PLC”这种说法并不是很确切。即使一台PLC达到了特定的安全完整性等级（SIL），它仍然有可能由于被人错误地使用而造成不安全的结果。当然，根据PLC的具体SIL等级，标准的用于自动化控制的PLC也可以在安全应用场合使用。现在有些标准PLC的编程也可以被验证用于安全应用，同时安全网络控制器已经可以在某些应用场合中代替安全PLC。
一个安全PLC需要利用各种水平的冗余结构、利用安装在不同区域的芯片来设计和构造成事故安全的PLC，它还需要经过第三方的认证达到IEC61508标准。如果安全PLC的编程和接口能够同其它所有PLC一致，那将是最好的结果。因为这样就可以避免混淆或可以减少出错的可能性，当一台安全PLC根据要求达到了特定的可靠性/故障概率等级时，这就意味着它具有广泛的自诊断能力，可以监测各个方面的硬件状态、程序执行状态和操作系统状态，这样一台PLC是‘安全的’。
目前，由于采用微处理器技术的PLC具有高可靠性、高可用性和可维护性，因此在工程实际中得到了广泛的应用。
2）S5-95F PLC的硬件架构
S5-95F（6ES5 095-8FB01）是西门子公司是推出的一种小型安全型PLC。S5-95F PLC系统一般采用冗余设计，包括两个独立的PLC单元（包括CPU、电源、I/O），相互之间通过光纤联络。
两套S5-95F PLC能提供的I/O资源主要有：
①、16路安全型数字输入（failsafe digital inputs） DI32.0-33.7
②、8路安全型数字输出（failsafe digital outputs） DQ32.0-32.7
③、8路数字输出（A：DQ33.0-33.3 B: DQ32.0-34.3）
④、4路安全型中断输入（failsafe interrup inputs） DI59.0-59.3
⑤、2路安全型计数器（failsafe counter inputs）
上述地址是固定分配的，不能更改。
系统开始运行后，S5-95F将在规定的时间内分别测试上述安全型I/O，如
I/O失效，各I/O点或系统将在一个基本周期内回到安全状态。
大张检查机的S5系统包括两套S5-95F PLC （PLC A 、PLC B），每套PLC系统的传感器输入信号独立，并且用中间继电器进行输出耦合，形成一个冗余系统，系统的安全等级较高。接线示例如图1所示。
图中的S1a、S1b是同一个安全保护装置的两路独立的传感器，分别作为PLC A和PLC B的输入信号，使安全信号有了更高的冗余度。PLC A和PLC B 的DQ32.2同时输出时,继电器才吸合,使得重要的外部器件受到PLC A和PLC B的控制，这就使得系统具有更高的安全等级。
3）S5-95F PLC 程序（Step 5）逻辑
Step 5编程语言主要有组织块（OBs）、程序块（PBs）、连续块（SBs）、功能块（FBs）、数据块（DBs）5种块。
组织块作为操作系统用户程序的进口，决定用户程序的结构;程序块（PBs）、连续块（SBs）和功能块（FBs）完成具体子程序功能;数据块（DBs）存储程序所需的数据。
OB1用于循环处理，是用户程序的主程序，OB21和OB22仅在程序启动时执行。
大张质量检查机中S5-95F PLC 程序结构图2所示。
在OB21和OB22中进行程序初始化，在OB1中循环调用PB10、PB11、PB12、PB14程序块完成相关程序功能。
S5-95F PLC与S7412-2 PLC之间的数据交流。S5-95F PLC通过串口一（9364R协议）与S7412-2 PLC进行通讯，数据传输流程如图3所示
4）S5-95F PLC系统的控制对象及在电气控制系统的作用
大张质量检查机的S5-95F PLC系统的输入信号是按钮、传感器等时效性要求不是太高的开关信号，S5-95F PLC系统根据这些信号的输入和S7412-2 PLC的使能信号和运转信息，按照预先设置的逻辑关系对主电机的运动进行控制并保障系统安全，并把相关的安全信息和报警信息通过串口发送给S7412-2 PLC进行显示和控制。
基于印刷机械的特性及安全度等级要求，严谨的程序逻辑和西门子PLC本身的安全可靠特性完全能满足大张质量检查机电气系统的安全要求，因此完全可以将S5-95F PLC 这部分控制程序整和到S7412-2 PLC程序中去。
2、方案选择
毋庸置疑，大张质量检查机以稳定可靠的工业PLC作为控制中心，针对此次S5-95F PLC改造和升级，我们结合实际，归纳出三种候选方案：其一是以S7412-2 PLC 的三个I/O模块替换S5-95F PLC，重新设计能完成原S5-95F PLC系统功能
的程序块，并整合到S7412-2 PLC程序中去;其二是采用一个S7400系列PLC
系统替换S5-95F PLC控制系统;其三是以其他品牌的 PLC（以Omron为例）为中心，整体替换当前控制系统。
（1）方案实施的风险性比较
针对行业应用的要求，我们这样定义进口大张质量检查机国产化提升的风
险性：按期完成国产化提升的不确定性，具体分为技术的不确定性与施工的不确定性，技术的不确定性又包括控制平台应用水平的不确定性与控制对象运行逻辑理解程度的不确定性。方案一将 S5的控制程序以软硬件模块方式并入S7 PLC中，不改变程序流程，完全满足S5所连接的按钮、传感器及主电机等控制对象的低速要求，接线施工量小，不存在关键的硬件性能上的技术不确定性与布线连接上的施工不确定性，以及控制对象运行逻辑理解程度的不确定性;方案二用同一品牌主流PLC系统替换过时PLC，实施的风险性与方案一相差不大，甚至还要小一些;方案三的硬件变化与软件变化都较大，无论是技术上还是施工上，特别是控制对象运行逻辑理解程度上的不确定性都更大。
本质上，大张质量检查机电气控制系统应用标准性很强的PLC控制技术与
产品，只要具备相应平台的技术应用能力与适当的控制对象的较深运行逻辑理解，无论哪种方案，都是可以控制风险性的。准确地讲，方案三的施工工作量很大，要求完整深入地理解控制对象运行逻辑。在相同的平台应用能力下，方案一和方案二的综合风险性较小。
（2）使用维护的便捷性比较
从使用的便捷性上比较，方案一与方案二都保留现在的操作方式与操作流程，工人使用起来可能比方案三更易于上手;从维护的便捷性上比较，方案一中将过时部件升级成主流产品后与方案二不相上下。所以在使用维护的便捷性上，三个方案相差不大。
（3）改造维护的经济性比较
时至今日，任何主流品牌的PLC（西门子、施耐德、欧姆龙、三菱、罗克
韦尔、基恩仕等）可靠性都能得到保障，故障率都是非常低的，西门子PLC更不用说。可以这么讲，进口大张质量检查机上的西门子PLC，无论是S7，还是S5安全型PLC，极有可能比全新的其他品牌PLC生命期更长。而且，西门子PLC市场占有率极高，在本行业中应用也越来多（如裁封自动线、多功能印码机、集中供气系统等），备品备件非常方便。由于方案一仅需购置三块I/O卡，即两块32位数字输入卡（6ES7 421-1BL01-0AA0），一块32位数字输出卡（6ES7 422-1BL00-0AA0），相对于方案二和方案三购置一套PLC系统来说，投资是非常少的，所以，在改造维护的经济性方面，方案一最好，方案二次之，方案三最差。
综合考虑以上比较结果，我们认为，最好的方案是方案一，即基于对控制程序的适度分析，将 S5的控制程序以软硬件模块方式并入S7 PLC中。这样，既可以最大限度的确保操作连贯性、提升项目经济性、降低改造风险性，又能保障S5 PLC故障时的快速升级替换。
方案实施
1、硬件设计
在S7412-2 PLC所在的主板上增加需要的I/O卡，即两块32位数字输入卡（6ES7 421-1BL01-0AA0），一块32位数字输出卡（6ES7 422-1BL00-0AA0），并将原S5-95F PLC上的接线连接在这三块I/O卡相应位置上，根据插槽位置，在STEP 7中为各I/O分配地址。为尽量保证系统的安全可靠性，原连接主从S5-95F PLC的两路独立传感器信号（安全罩等安全信息）串联连接在I/O卡上对应的输入点上（注：信号是否并联或串联，应根据该开关信号在工作情况下的通断状态），以提高系统的冗余性和安全度等级。
原S5-95F PLC控制系统有两套独立的PLC单元，部分输出是用中间继电器进行耦合的。在新系统中，应将24V直流电源的负端直接与继电器线圈的一端连接，另一端通过数字输出卡对应的输出点与正端连接，同样可达到原系统的控制功能。
2、软件设计
1）、在已分配I/O地址基础上进行S5_Run_Program功能设计转换。
①、为保证程序逻辑可靠，避免资源冲突，采用资源远离原则。为此，利用STEP 7中的Reference Date对原S7系统中资源（I/O点、M、T等）进行查验，确认未被原S7系统使用的资源，然后将其分配给S5_Run_Program功能块，并尽量使该功能块的资源集中在一起，以保证S5_Run_Program程序中的资源不与原S7系统中资源（I/O点、M、T等）发生重合，避免冲突，并提高程序设计的方便性和可修改性。
②、编辑符号量，提高程序的可读性。使用STEP 7中的Symbol Table编辑符号变量，如用“BUZZER”（呐叭）作为Q0.7的符号变量, 这使得阅读程序和设计程序更容易理解和阅读。
③、分析控制对象特点，确保控制对象的安全。S5_Run_Program功能控制的对象是一大功率直流电动机。为保证直流电动机不发生“矢磁飞车”情况，必须保证启动电动机时，先给励磁电源，在确保励磁电源给上的情况下，在给电机的电枢电源;在停电动机时，顺序相反，即先断电枢电源，然后再断励磁电源，为此，S5_Run_Program功能应保证电机的安全可靠性。启动电机时：先给励磁电源（53K13闭合），在励磁电源给上的情况下（53K13常开接点闭合后反馈），在给电机的电枢电源（53K11闭合）。停电机时，先断电枢电源（53K11失电断开），然后延时15秒，再断励磁电源（53K13失电断开），程序如下所示。
电动机启动：
O M 121.1
O M 120.0
S "MAIN MOTOR FIELD" // 53K13————励磁电源
A（
O M 121.1
O M 120.0
）
A "FB-MOTOR FIELD" //励磁电源反馈（53K13常开接点）
S "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————电枢电源
电动机停止：
AN M 121.1
AN M 120.0
AN "MAIN MOTOR DRIVE RELAY"
R "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————电枢电源
NOP 0
A "MAIN MOTOR DRIVE POWER" //53K11————电枢电源
L S5T#15S
SF T 14
AN T 14
AN M 121.1
AN M 120.0
R "MAIN MOTOR FIELD" // 53K13————励磁电源
④、根据S5_Run_Program所分配的资源设计该功能块的各单项功能。在程序的设计和转换中需注意西门子STEP 5与STEP 7中组织块、功能块、数据块的对应关系。在STEP 5 中 OB块和DB块在STEP 7仍然对应OB块和DB块，但FB、SB、DB在STEP 7都对应FC，在STEP 7中OB100和OB101（STEP 5 中OB121和OB22）仅在程序启动时执行。
⑤、保证系统的数据交换。由于S5_Run_Program功能块整合到原S7412-2 PLC程序中，原S5-95F PLC通过串口传送到S7412-2 PLC中的信息，在新程序中只须在S5_Run_Program中将保存在相应M区的数据发送到S7412-2 PLC中的DB区中，就可完成原两PLC（S7412-2 PLC与S5-95F PLC）的信息传输。如下所示。
L MW 74
T DB100.DBW 2
L MW 76
T DB100.DBW 4
L MW 78
T DB100.DBW 6
⑥、整合功能块。每个功能单项可进行模拟调试，以保证其逻辑可靠性，然后根据逻辑调用顺序，将功能单项整合为一个功能块，保证原STEP 5与STEP 7程序的相对独立性;
5）、为保证S5_Run_Program功能块的可靠性，设计该功能块的初始化程序S5_Init。
6）、在S7412-2 PLC程序的OB1中调用S5_Run_Program
CALL "AUT-MAN"
CALL "MAN"
CALL "AUTO"
CALL "RUN"
CALL "COMMAND"
……
CALL "Counter"
CALL "DATA for OP 27"
CALL "S5_Run_Program"
7）在S7412-2 PLC程序中的PLC INIT（PLC程序初始化）中调用S5_Init
CALL "S5_Init"
AN M 255.0
O M 255.0
R "M 5.1"
R "M 30.3"
R "M 30.4"
R "M 12.0"
S M 81.5
……
R M 169.7
R "DEV. 10"
R "DEV. 11"
……
R "M 70.1"
L W#16#0
T MW 39
T MB 11
……
T MW 144
OPN DB 10
L W#16#0
T DBW 2
……
R M 60.0
R M 103.0
结论
基于以上方法，我们成功地完成了大张质量检查机电气控制系统改造，其中S5-95F PLC的改造和升级，在外部接线无误的情况下，免现场测试，一次成功，达到了预期的目的。
参考文献
1 、SIEMENS公司 Simatic S5 S5-95F Progrmmable Controller Manual
2、 KBA公司,NotaCheckII配套技术文档
邓世俊，男， 1992年7月毕业于北京航空航天大学自动控制系电气技术专业。现在成都印钞公司从设备管理工作。
