西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8技据

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8技据

  一、概述

    工业级称重控制仪表产品的生命力取决于其质量及性的高低。产品质量是指产品满足使用要求所具有的全部特征和特性，即产品的性能、寿命、性、可维护性、维护性、性、经济性等；产品性是产品质量的重要内容。据调查，影响产品或系统性的原因中，40%是设计技术水平的高低，30%属于元器件选择是否适中，15%是属于生产制造工艺方法和水平情况，10%属于质量管理的深入程度，5%属于使用、维护情况的好坏，因而设计是保证仪表质量和性的前提和基础。另一方面，企业受利润大化驱使，必然追求产品成本的小化；因此，工业称重仪表的高性价比是衡器厂商不懈求索的永恒主题。

    二、主要技术参数

    作为称重仪表，满足计量精度的要求,而作为工业应用场合，仪表要能适应现场的各种恶劣环境，为此，特提出以下这些技术参数，作为后续设计探讨的基本依据。

    ⑴静态准确度：OIMLIII级

    ⑵动态准确度：1‰

    ⑶A/D速率：≥100次/秒，A/D分辩率：≥18位

    ⑷工作温度：-20℃～85℃

    ⑸相对湿度：≤99%RH

    ⑹工作电源：AC85V～264V，功率≤20W

    ⑺EMC性能：优良

    ⑻扩展模块：、方便

    三、系统组成框图

    工业称重仪表的基本组成如下：

    上述框图应该也是所有智能化仪表的一个经典组成图。因化的设计要求，已将上述框图分为基本功能模块和扩展模块。基本功能模块是任何称重场合不可缺少的构件，因此在硬件电路规划时可将该部分集成在一块主CPU印制板上，并在CPU板上预置好智能化的扩展槽；扩展功能因场合要求不同，可能只用一个或一个以上，因此可将每一种扩展功能设计成各自立的印制板，这样可以按需灵活配置，从而减少了因集成多余功能引起的成本浪费，还会因少用电子元件而提高了产品的性。

    四、软硬件优化方案

    电子技术特别是数模混合集成技术的飞速发展，为工业称重仪表硬件电路化设计上提供了条件。有关新型I2C存贮器及时钟器件、新型Σ-ΔA/D、新型RISC结构的微处理器可以大大简化电路，大提高了电路性能，在实际设计中应越来越广泛被采用。

    （一）基本功能模块的优化

    基本功能模块是仪表组成的部分，直接决定了仪表性能的好坏及成本的高低；而其中为关键的器件该是MCU莫属了，MCU即单片微处理器，是智能化仪表的大脑和心脏。根据MCU的不同选择，目前市场上的称重仪表的基本功能电路可概括为以下几种组合模式：

    模式A：AMP+A/D+MCU+扩展RAM+扩展EPROM+扩展I/O+E2PROM+键盘+显示驱动器+WDT

    分析：典型芯片有8031/8039/80C49/8751等。属早期MCU芯片，很多功能在外部扩展，MCU芯片及其扩展芯片已渐渐被市场淘汰，芯片集成商为应付早期产品只在少量生产，故芯片价格相当昂贵；该组合模式产品的稳定性及抗干扰性能也很差，产品难以通过EMC测试。

    模式B：AMP+A/D+MCU+E2PROM+键盘+显示驱动器+WDT

    分析：MCU典型芯片有AT89C5X系列、W78E5X等，片内具有FLASH程序存贮器。

    由于该系列MCU无WDT功能，设计时要在外部护展，因而增加了一定的硬件成本，同时该系列MCU的I/O口无EMI/EMS处理措施，给产品性留下隐患。优势是与模式A相比其性价比有所提高，目前称重控制仪采用该模式仍比较广泛。

    模式C：A/D+MCU+显示/键盘

    分析：MCU典型芯片有STC89XX系列、AVR系列等，该系列MCU内部集成了E2PROM及WDT功能，I/O口有EMC措施，且价格不比模式B用MCU贵。因此仪表性及硬件成本均得到大改善。

    模式D：MCU+E2PROM+显示/键盘

    分析：MCU将AMP、A/D及微处理器集成在一块芯片内，属混号MCU，代表芯片有AD公司的Adu8XX，TI公司的MSC121X，SILICONLAB公司的C8051F35X,等。该模式加简化电路，在小型化、节电或本安应用中不失为一种好的选择方案。

    A/D选型：

    称重仪表用的A/D转换类型主要有：双积分型、三积分型、Σ-Δ型；双积分及三积分由于受A/D转换速度限制，一般在工业动态称重场合很少被采用；目前，市场上大多仪表均采用Σ-Δ型A/D转换，特点是A/D分辩，线性好，A/D转换速度又能满足工业动态称重的需求。目前市场上型A/D器件低中均有供货。建议控制仪表可选内带PGA的中档Σ-Δ型A/D芯片，比较经济和实用。

    （二）各扩展功能的优化

    称重仪表的基本性能已由基本CPU板模块保证，由于仪表的扩展功能决定了称重仪表的实用性及档次的高低，因此对仪表扩展功能的接口电路也需巧妙选材，精心设计。工业现场用称重仪表的扩展功能主要有以下几类，分别介绍如下：

    1.打印模块：可设计成串口/并口兼容方式，打印单据一般需要时间/日期数据，可将时钟电路安排在打印接口板上。

    2.4-20mA模块：由于工业现场数据DCS系统传输采用4-20mA信号标准，因此称重仪表要与之兼容则要备有该功能模块。一般DCS系统的4-20mA有1‰精度就够了，选12位D/A转换器即可，高位数D/A会增加模块成本；

    该模块软件算法：MAout=weight/[max/(H_ma-L_ma)]

    其中Maout：实时输出电流所需的D/A数字量

    weight：料重实时测量值；max：秤大量程

    L_ma：秤处零位，4mA输出所需的D/A调节值

    H_ma：秤处满量程，20mA输出所需的D/A调节值

    该算法通过软件能方便被编程实现，可以大大简化硬件电路成本。

    计算机操作站通过以太网和远程I/O网络将PLC系统的信息集中处理，产生实时数据文件、趋势文件、报警记录文件。主要完成的功能有：（1）操作监控：通过监控生产工艺过程和设备运行状态给操作人员必要的操作指导，并可对现场设备进行控制。（2）报警与事件记录：自动记录故障发生、恢复的时间及关键设备的操作情况，为故障或事故分析提供依据。（3）二次冷却水动态控制：根据钢水过热度、钢水成分、等生产过程参数，在线修正二冷水配水模型。（4）曲线回放：实时显示设备运行曲线并自动记录。

    仪表检测与控制主要对冷却水系统的压力、流量、温度进行测量、调节和开断；实时检测结晶器钢水液位，根据液位高低调节拉速。

    服务器主要用于数据库管理，包括冶金数据库、生产数据库、设备运行数据库。服务器采集各操作站数据，对数据按要求进行处理后，提供给下一步的过程控制。

    3 系统和应用软件

    系统软件采用Microsoft公司的bbbbbbs，PLC采用Siemens公司的Step7.0编程软件；人机接口采用Siemens公司的Factorybbbb；1.5级计算机采用Siemens公司的Factorybbbb和Microsoft公司的Access数据库软件；通信采用工业以太网，通信协议遵从IEEE800.2和动态数据交换DDE。

    （1）PLC应用程序

    包括大包回转台旋转及升降，大包称重、测温，中间罐车行走和升降，中包称重和中包液位控制，结晶器液面控制及振动，二冷段汽雾冷却，拉矫机及压下控制，辊道控制，铸坯跟踪、液压润滑系统，定尺切割及铸坯打印等程序。其自动化控制程度高,措施连锁多。

    （2）HMI画面软件

    根据工艺要求，设有主菜单、铸流概貌、出坯概貌、拉矫机、结晶器液面、结晶器调宽和振动、大包/中包称重、液压系统、驱动装置运行状态，PLC状态、事故停车状态等近40幅画面。操作人员通过对HMI的监控，可以实时观察到设备的运行状况。及时发现处理设备出现的各种事故和隐患。

    控制系统的特点

    连铸机计算机控制系统不仅技术、实用、资源共享、易于维护和维修，而且投资少。在传动装置方面采用了全数字矢量变频调速，控制精度高，运行，与PLC通过现场总线PROFIBUS通讯，操作简单、灵活。根据现场控制划分,本系统为分散控制系统，但作为远程站I/O又是紧凑型的控制系统，这样就大量减少了电缆，增强了信号的稳定性和性，因此这套用PLC、微机等组成的计算机控制系统为集中操作、分散控制的系统。

    应用效果

    济钢三炼钢厂连铸机三电一体化的设计适应了自动化的发展趋势，计算机过程监控系统对于提高连铸机生产的自动化程度，保证产品质量，节约能量，降低劳动强度，改善操作条件，提高劳动效率，增加生产效益以及维护生产都起到了积的作用。

    概述

    三炼钢厂铸机系统由澳钢联设计，软硬件均采用德国SIEMENS产品，自动化程度处水平。该系统在自动化控制方面分为L1（基础控制），L2（过程控制）两级控制，在网络结构上利用各种PLC通信处理器构成不同应用不同层次PLC网络,采用PROFIBUS现场总线控制构成PLC网络,可以实现在线监控和在线编程PLC主要采用S7-300、S7-400及C7系列作为主站，远程I/O、变频器等智能单元作为从站，主站与从站采用现场总线PROFIBUS_DP与从站进行通讯。同时，为了满足各主PLC、各单体设备之间数据的传输，一级系统的通讯网络采用Siemens工业以太网，TCP/IP开放协议，光缆介质，通信速率10Mb/s,采用环形拓扑结构，进行信息的交换。

    系统组成

    1 硬件配置

    济钢三炼钢连铸机的电气设备采用德国SIEMENS公司产品，包括PLC、数字传动装置等。该连铸机控制系统由18套PLC、4台计算机操作站、2台计算机服务器以及远程I/O组成。整个过程监控系统底层为远程I/O，负责对分布的设备进行数据采集及监控；通过以太网可实现各PLC系统间的通讯，通过服务器与管理网络连接以实现管控一体化，可实现与转炉、精炼、外围、质检分析等系统的数据交换。其中，1台PLC用于公用系统的检测和控制，1台PLC用于铸流系统的检测和控制，1台PLC用于拉矫系统的检测和控制，1台PLC用于仪表系统的检测和控制,1台PLC用于辊道系统的检测和控制,1台PLC用于结晶器调宽系统的检测和控制,1台PLC用于结晶器振动系统的检测和控制,2台用于结晶器液位系统的检测和控制3台用于液压系统的检测和控制，2台用于润滑系统的检测和控制，2台用于一次、二次火焰切割机的检测和控制，1台用于铸坯打号机的检测和控制、1台用于去毛刺的机检测和控制。设置了4台彩色智能人机接口，分别放在主操作室和出坯操作室，对连铸机进行动态监视和操作，并打印报警事件。配有一台1.5级计算机，用于生产管理、质量管理、历史数据存放、趋势显示、报表及打印等。其配置与HMI基本相同。

    2 系统功能

    连铸机自动化系统采取“三电一体化”的设计思想，采用德国Siemens公司现在的新的PLC产品S7-400系列，该模块上有以太网接口、MPI接口、远程I/O接口、串行口等，可根据不同的需要，串入不同的通信网络。S7-400内存大，运算速度快，处理大量开关量信号外，还可以快速处理模拟信号。因此在设计本控制系统时，将电控和仪控信号均纳入PLC，充分、合理地共享硬件和软件资源。通过检测仪表、现场限位等采集工艺生产过程和设备运行状态的各种数据，实现过程回路和电气设备的顺序控制。计算机过程监控系统主要完成对浇铸平台、拉矫、ASTC、结晶器调宽与振动、二冷配水、后部辊道自动监控。

粮食的存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济。粮仓监控系统主要完成对粮食温度、湿度和气体浓度等参数的采集、存储和向监控传送数据以及执行监控的指令等功能。传统的粮仓监控系统中粮仓与监控大多采用RS-485等有线连接的数据通信方式，使得系统抗干扰差、连线繁多、扩展困难；当一个节点出现问题时还会影响整个系统，不利于粮仓的监控与管理。为此，本文给出了一种基于射频技术的粮库无线监控系统。