6ES7211-0AA23-0XB0选型手册

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一、 项目简介

能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降的重要途径。行业向来是耗能大户， 随着国外先进技术和成套设备的大量引进，生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。集团有限公司成立于 1993 年，位于山东省济南市，是一家以为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南厂拥有目前世界上较先进的设备及技术中心。公司现有员工 5000 余人，总资产 73 亿元，是全国行业 36 家重点企业之一。

本能源监测系统主要用来对济南厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。

二、 系统介绍

本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。

本系统CPU主站选用Siemens 的Simatic S7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP 方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到较低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用Simatic WinCC作为上位软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。

三、 控制系统构成

1．系统的结构

本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过Profibus DP 相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到较低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机务器之间通过OPC方式进行数据的传递 。

2．软件设计

本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATIC WinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCC Client），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用Visual Basic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。

（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）

3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择

能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序务期间的通讯。

（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。

缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。

（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。

缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。

（3）方案三：OPC通讯分成两部分：**部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。

（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。

四、 控制系统完成的功能

1．系统主要功能

本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：

(1) 实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能车间工况图、非生产部门工况图。

（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。

（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。

（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表

（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。

2．项目中的技术难点

用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，同时各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。

1. 关于INTERBUS 总线
菲尼克斯电气一直致力于中国自动化事业的发展。作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯提出了FIELDBUS+ETHERNET这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业管理控制网络。
上个世纪末以来，随着通讯技术、计算机技术网络技术的飞速发展，工业自动化领域发生了深刻变革。德国Phoenix Contact公司努力投身于这一时代浪潮，在现场总线技术、PC-Based技术、工业以太网技术这自动化界三大重要革新中**着世界的步伐。
作为现场总线的*，来自德国的Phoenix Contact公司的INTERBUS现场总线诞生于1986年，采用非常*特的集总帧传输协议，有效达52%，具备强大的故障诊断功能；采用双绞线无中继器传输距离长达12.8公里；；单主站可连接较多达255个从站；扫描4096 I/O点的时间仅为7.8毫秒（500Kbps）。以其技术的先进性、开放性、成熟性广泛适用于汽车、机器、物流设备、设备等各种制造业领域中。在**有3000多个总线设备生产厂家，安装节点超过400万个，现已成为众多厂家可以选择的自动化系统之一。INTERBUS现场总线是国际标准IEC 61158、欧洲标准EN-50254、德国标准DIN-19258和中国机械工业标准JB 10308-8所规定的标准现场总线。
今天，作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯又提出了FIELDBUS+ETHERNET这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业管理控制网络，致力于中国自动化事业的发展。随着现场总线技术的出现和发展，各种现场总线的市场竞争日趋激烈，在IEC61158国际标准中，八种总线（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、 ControlNet、SwiftNet）均列入国际标准，形成多种总线共同竞争的局面。
INTERBUS作为IEC61158标准之一，广泛地应用于制造业、机器加工等行业中，用于从传感器/执行器到计算机控制站的信号连接，是一种开放的串行总线系统。INTERBUS总线协议于1984年推出，其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司，1986年开始在汽车制造中成功使用后，很快在各种行业中得到大量的使用，目前**使用量达750万节点。
１.1 INTERBUS总线结构
INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离数据传送,采用RS-485传输，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为500k/s。本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT（BUS Terminal）上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。
INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT（BUS Terminal）上的BK模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实现在总线控制板和传感器/执行器之间的接收和，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。
1.２ INTERBUS总线的协议特点
（１）物理层
结构：硬件数据环，所有设备在组态时自动编址 。
距离：分布式，较长距离可达12.8km，系统安装费用低 。
传输介质：双绞线、光缆、红外线等，网络可在各种工业环境联接，并可混合使用 。
（２）数据链路层
协议传输：全双工、集总帧（summation-frame）结构 ，网络上的所有I/O可同时更新数据 。
协议仲裁：无仲裁，数据可无干扰地连续传送 。
数据吞吐量：在7.8ms内可读写4096个数据，I/O数据更新时间比解决应用逻辑需要的时间快数倍 。
错误校验：每次网络联接都进行CRC校验，传输数据更可靠、正确 。
（３）应用层
诊断：可实现网络故障，实现更多的正常工作时间，减少维护费用，提高可靠性 。
协议的适应性：支持高速的数字量、模拟量和client-sever信息的传输，可适应绝大多数的控制要求 。
I/O的扩展性：可联接254个远程站点，4096个I/O 有更好的系统适应性 。
（４）连通性
开放性：1000多家厂商提供2500多种兼容设备， 可供选择的供应商多，能为系统提供较优的配置 。
标准 ：DIN19258 EN50254 IEC61158 ，系统标准统一
（５）
INTERBUS的类似于一个远程距离移位寄存器，数据从总线控制板的数据寄存器移出，经过网络上的BK模块和I/O模块，又移入总线控制板的寄存器。也就是说，数据从总线控制板上的数据寄存器的移进移出是同时进行的（全双工模式）。INTERBUS数据是完全帧传送的。两种帧类型：ID周期帧和数据周期帧。ID周期帧在INTERBUS总线系统初始化时须读取，以产生过程映像。在ID周期帧成功执行后，INTERBUS总线设备内部切换到数据寄存器，只执行数据帧，以实现数据的传输。
INTERBUS作为一种基于现场的总线系统，在I/O网络中有十分快的通讯速度：254个I/O时，距离12.8km时为15ms，300m时为3ms。在信息管理层，INTERBUS通过以太网实现互联，I/O层（I/O level）、现场层（field level）、控制层(control level)使用INTERBUS系统，上层管理层（management level）通过以太网相连接并和internet相联，从而用户可通过PC机拨号上网，对远方的INTERBUS网络的设备进行操作并获取设备的数据信息。
2. 控制系统构成
电解铝生产是典型的流程型生产模式，生产工程是否稳定直接影响到电解铝生产的顺利进行。因此在电解铝的生产中，必须实时检测生产工艺参数，以保证生产计划安全地完成。青海铝厂把INTERBUS现场总线系统用于阳极组装及残极处理车间。该车间长216m，为电解车间制备新阳极组，即将电解槽上卸下的残极运至本车间，经装站挂到积放式悬挂输送机（以下简称悬链）上，由悬链吊运残极依次通过电解质清理、残极抛丸处理、残极压脱、磷铁环压脱、导杆矫直、钢爪清刷、涂石墨、导杆清刷、浇铸磷生铁等流水作业站，组装出新的阳极组。悬链生产线是该车间的主体，电解槽上换下的残极在该生产线装站挂到悬链上。悬链上装有约120组小车，小车上吊运着残极，沿悬链前进，在不同作业站进行处理，较后在卸站下线进入浇铸工作区，经浇铸后成为合格的新阳极组。
由于本工程的现场I/O检测点数量多，且分布广、距离远、现场作业环境恶劣。该厂由于地处西北，冬天温度可达零下20度，PLC的防护等级比较低，一般工作温度为零度至40度，很难满足现场恶劣环境的要求。如将PLC放在控制室内采用传统的集中式控制，将耗费大量的控制电缆和电缆桥架，并且极大增加敷设电缆和安装桥架的工程量，同时给调试带来很大的不便，并对日后的维护产生很大的困难。
针对于上述情况，为了适应现场环境、工艺和便于维护的要求，选择一种控制子站数目多，布线简单、维护方便、工作温度范围适应现场环境、系统，诊断功能强大的系统。INTERBUS系统除了可以连接菲尼克斯自己的控制器以外，还可以连接ROCKWELL，SIEMENS，SCHNEIDER等公司的PLC，采用一根总线电缆连接、总传输距离长达12.8KM，工作温度范围为零下25度到零上55度，强大的诊断功能给维护带来大的方便。
自动作业系统采用菲尼克斯的INTERBUS总线，采用新的Fieldline系统，共有89个节点，对现场设备的作业进行信号的采制。根据工程需要，整个控制系统由操作员站（OPS）和控制站（PLC）两级构成。系统硬件结构图如图1所示。该系统由计算机、PLC、INTERBUS现场总线组成的多级、开放式集散数据采集和监控管理系统。因车间内粉尘大，所有菲尼克斯的现场I/O模板都选用IP67防护等级的Fieldline一体化模块INTERBUS M12，通过两个M12连接器连接总线，用于向远程总线供电，并提供INTERBUS通信。Fieldline M12模块允许传感器和执行器通过标准M12连接器相连。采用西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，CPU为315-2DP。另采用1块菲尼克斯公司提供的INTERBUS控制板IBS S7300 DSC-T将S7300 PLC和INTERBUS相连接。系统操作站选用研华工控机，监视控制站的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并可以按一定的权限进行控制的组态和参数修改等操作。系统控制站通过控制单元检测和控制装备对整个生产过程实行实时控制，并通过系统总线与操作员站相连，向操作站传递现场的实时数据并且接受操作站的管理和控制信息。编程软件为菲尼克斯的CMD,组态、监控和诊断软件CMD，是贯穿系统整个生命周期中所使用的工具，即从规划和组态，到系统的调试，再到系统运行以及维护中的诊断。无论你使用的是什么类型的控制器，这个软件都适用。启动阶段如总线发生故障，出错位置可以在CMD和直接在电路图视窗中显示出来。