6ES7222-1HD22-0XA0选型手册

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1 引言

可编程逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller），简称可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术发展而来的一种新型工业控制装置。它问世于20世纪60年代，到现在仍保持旺盛的发展势头。它具有体积小、功能丰富、配置灵活、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高、编程方便、价格便宜等优点，广泛用于电力、机械、冶金、化工、轻纺等各个工业过程自动控制中。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的过程控制网络。 

现场总线技术是20世纪80年代后期发展起来的，它是目前自动化领域中的一个热点，是新一代控制系统的发展方向，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线则是连接现场智能设备和自动化控制设备的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是数字智能现场装置。分散在各个现场的数字智能现场装置通过现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起构成现场总线控制系统（FCS—Fieldbus Control System）。

现场总线技术实际上是采用串行和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单；（2）开放性；（3）实时性；（4）可靠性；（5）诊断；（6）硬件灵活。

目前，国际上各种各样的现场总线有很多种，统一的国际标准尚未建立。其中有较强实力和影响的有： FF（Foundation Fieldbus 基金会现场总线）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）、Profibus（Process Field Bus 过程现场总线）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作网络）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 执行器传感器接口）等。

基于PPC工业计算机、PLC及现场总线的电气控制系统在工业自动化领域，如冶金、电力、石化、矿山、水泥、水处理、乳品饮料、啤酒罐装、加工、机械装配、产品包装等已得到广泛的应用，但是在铁路大型养路机械电气控制系统中还没有广泛应用。本文根据铁路大型养路机械控制系统的特点，提出一种基于PPC工业计算机、PLC及INTERBUS现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统的设计方案。

2 现状

养路机械化是实现铁路维修养护现代化、保铁路不间断运输和行车安全的重要技术手段。为适应铁路快速、重载以及轨道结构重型化的技术发展要求，发达国家铁路相继采用大型养路机械进行铁路线路维护，到上世纪80年代末，已基本形成以大型养路机械为主要作业手段的格局。而此时，我国还在依靠手工、小型机械和非标准自制设备进行线路维护，作业质量差、效率低，特别是在繁忙干线，线路维护与运营的矛盾尤其**。

上世纪80年代初期，我国从奥地利普拉塞—陶依尔公司引进了先进的大型养路机械制造技术，确立了大型养路机械的发展采取“技术引进—消化、吸收—国产化生产—开发、创新”的途径。通过20多年的引进技术和国产化生产，我们学习了国外大型养路机械的先进技术，更新了传统的设计观念，拓宽了开发思路，增强了开发具有自主知识产权产品的能力。

随着铁路的跨越式发展和市场竞争的加剧，加快推进大型养路机械引进、消化、吸收国外先进技术的进程，加快具有自主知识产权产品的研发，加快新产品开发速度，发展核心技术，创新和追赶已经成为现阶段工作的重中之重，已经刻不容缓。

铁路大型养路机械是集机械、液压、气动、电气、计算机、激光等技术于一体的铁路专用机械。按功能分有以下系列：清筛机、捣固车、配碴车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车、焊轨车、道岔铺换机组等。对于不同功能的铁路大型养路机械电气控制系统来说，其本质的区别在于作业监视控制系统。到目前为止，我国的清筛机、捣固车、配碴车、稳定车等铁路大型养路机械的技术主要是在引进、消化吸收奥地利普拉塞—陶依尔公司铁路大型养路机械技术的基础上发展起来的，它属于模拟集中式控制系统，它主要由以下子系统组成：

（1）整车电源子系统；
（2）机监视控制子系统；
（3）高速走行监视控制子系统；
（4）作业监视控制子系统；
（5）辅助设备子系统：包括照明、通话、取暖及空调等。

其中作业监视控制子系统是各类铁路大型养路机械电气控制系统的核心，它完成作业机构状态的监视、完成作业机构动作的控制。不同功能的铁路大型养路机械，其作业监视控制系统的复杂程度有着很大的差别。如清筛机和配碴车，它的作业监视控制系统比较简单。而捣固车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车等，它们的作业监视控制子系统就比较复杂。下面以稳定车的作业监视控制子系统为例作一介绍，它由以下部分组成：

（1）计算机控制部分：由上位机控制板、键盘、显示器构成；
（2）程序控制部分：由下位机控制板、I/O板、功率输出板组成的微机系统构成；
（3）模拟量控制部：由A/D转换板、D/A转换板、频率测量板、各种功能的模拟控制板构成；
（4）测量部分：由左、右抄平传感器，加速度传感器，振频传感器等构成；
（5）轨道参数记录部分：由记录仪、前、后电子摆，正矢传感器，测量轮等构成。

普拉塞—陶依尔公司的模拟集中式控制系统的特点如下：

（1）各子系统的监视部分都使用模拟仪表或数字显示器或指示及报；
（2）功能复杂机型作业监视控制子系统的控制部分都使用插装式模拟电路板和由插装式电路板组成的微机系统

  可编程序控制器（PLC）现场总线网络是PLC开发应用的重要技术。现场总线使得PLC在工业现场进入上级制造执行系统，进而使得用户获得更大应用效益。人们称之为控制系统的一次变革的现场总线技术自20世纪末广泛应用以来，日益受到制造业的广泛注意和高度重视，成为世界范围的自动化技术发展的热点。应该说, 现场总线的工业过程智能自动化仪表和现代总线的开放自动化糸统构成了新一代全开放自动化控制糸统的体糸结构。目前国际上公认的现场总线有10多种，各有其特点，并在一定范围内得刭应用。本文本文以DeviceNet为基础，详细论述基于台达机电产品的DeviceNet网络设计。
2 DeviceNet简介
    DeviceNet是由美国Rockwell自动化开发的现场总线标准。现在已经有**过300家的公司注册成为ODVA的成员。全世界共有**过500家的公司提供DeviceNet产品。DeviceNet作为一种高性能的协议，目前在美国和亚洲的市场上处于**地位，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。
    DeviceNet协议设计简单，实现成本较为低廉，但对于采用较底层的现场总线的系统（例如，由传感器、制动器以及相应的控制器构成的网络）来说，却是性能较高的。DeviceNet设备涉及的范围从简单的光电开关一直到复杂的半导体制造业中的用到的真空泵。
    就像其他的协议一样，DeviceNet 协议较基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样，DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。
    DeviceNet的报文主要分为高优先级的进程报文（I/O报文）和低优先级的管理报文(直接报文)。两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。
    一个DeviceNet网络工作在125k、250k和500k的波特率下较多可以支持64个节点。设备可以使用自身的电源，也可以通过DeviceNet总线供电。
    "预定义主/从连接集"适用于简单的DeviceNet从站设备。作为DeviceNet协议的子集，它支持从主站到从站传送的直接报文，轮询I/O报文，位选通I/O报文以及由从站向主站传送的状态变化/循环I/O报文。
    "非连接报文管理端口（UCMM）"以及动态生成"直接及I/O连接"则适用于从站比较复杂的情况，这些从站可支持多个主站并能与其他设备维持点到点互联。设备启动报文和设备关闭报文是特别为安全相关系统设计的"离线连接设置"则简化了对非常规组件的配置工作。 
    DeviceNet的通信和应用都是基于对象模型的。预先定义好的对象简化了不同厂商的不同设备间的数据交换。通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步的规范化中获益。 
    根据ISO的开放系统互联模型OSI，DeviceNet规范除*7层（应用层）外，DeviceNet规范还对一部分*1层（收发器）以及*0层（传输介质）进行了规定，这就为DeviceNet节点的物理连接提供了标准。协议对连接器、电缆类型、电缆长度以及基于通信的显示、操作元素及其相应的封装形式等等都进行了规定。

1  引言
      Profibus-DP（Distributed I/O System-分布式I/O系统）是一种经过优化的模块，有较高的率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。Profibus-DP现场总线系统可使许多现场设备（如PLC、智能变送器、变频器）在同一总线进行双向多信息数字通讯，因此可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。通过Profibus-DP过程现场总线通讯技术的这一特点，本文分别采用西门子的S7-300 PLC和ABB公司的ACS800变频器实现网络通讯，完成通过网络控制传动设备。
2  系统配置
   1）该系统以西门子公司的SIMATIC S7-315-2DP作为主站，ABB公司的变频器ABB-ACS800为从站，实现全数字交流调速系统在Profibus-DP网中的通讯及控制。附图为该系统的Profibus-DP网的网络配置图。

    2）编程软件为STEP7 V5.4软件，用于对S7-300 PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通讯配置,计算机与PLC通讯采用Profibus-DP通讯方式。
    3）RPBA-01为与变频器配套的通讯适配器,插在ABB变频器的插槽1内，其外观如图所示，其中S1为总线终端器选择开关,总线终端器可以防止总线电缆端的信号反射，如果模块是网络中的最后一个模块或是**个模块，总线终端器必须设置为ON ，当使用PROFIBUS 带内置终端器的D-sub 连接器时，必须断开 RPBA-01终端器；S2为DP地址十位,S3为DP地址个位，如地址为26，则S2拨到2，S3拨到6，在操作时，可以改变节点的地址，但是模块必须重新初始化才能使改变生效。

3 通讯协议的设计
    1）PROFIBUS 是一种开放式串行通讯标准，该标准可以实现数据在各类自动化元件之间互相交换。 PROFIBUS 主要有三种类型：PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范）, PROFIBUS-DP （DecentralisedPeriphery，分布式外设） 和PROFIBUS-PA （Process Automation, 过程自动化）。RPBA-01 PROFIBUS-DP 适配器模只支持PROFIBUS-DP 协议；。Profibus-DP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码如正反转命令源，给定值的命令源等;过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。Profibus-DP共有5种类型的网络PPO，其格式如下图所示，其中：ID-参数识别 IND-数组索引号 VALUE-参数值 CW-控制字 SW-状态字 REF-给定值 ACT-实际值 PZD-过程数据 DW-数据字。

    2）总线的物理传输媒介是双绞型电缆（符合RS-485 标准）。总线电缆的较大长度在100～1200 米范围内，具体长度取决于所选的传输速率。较多可以有31 个节点连接到同一个PROFIBUS 网络段上，并且不需要使用中继器。如果使用中继器，连接到网络上的节点数（ 包括中继器和主机站） 可以增加到127个。
    3）通讯协议设计为主/从方式，S7-300 PLC作为主站，变频器作为从站，主站向变频器传送控制指令，同时接受变频器反馈的运行状态及运行参数。变频器与RPBA-01通讯适配器模块相连，接入Profibus-DP网中作为从站，接受从主站SIMATIC S7-315-2DP来的控制。RPBA-01通讯适配器模块将从Profibus-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，变频器将RAM中的数据写入控制字、设定值或读出实际值、诊断信息等参量，从而使变频器能够按照计算机指令运行。
4 STEP7项目系统组态及通讯编程
    1） 使用STEP7V5.4组态软件，进入Hardware Configure，将RPBA-01的GSD（设备数据库）文件导入STEP7的编程环境中，点击options——install GSD file 将ABB变频器的GSD文件导入STEP7中，如图1所示，导入成功后如图2所示，GSD文件可从www.或从ABB网站下载，文件名为ABB_0812.GSD。

    2） 选定S7-315-2DP为主站系统，默认地址为2，将ABB的RPBA-01组态到S7-315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型，本文使用PPO4，设定站点网络地址为4，如下图所示,然后编译存盘。

    3）PLC主机从从站读取输入信息并把输出信息反送给从站，因此在PLC主程序OB1中调用两个系统功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现到变频器的通信控制，并在PLC程序中建立一个数据块DB10，用于变频器的数据通信，如图所示,到此程序设计部分全部完成，可以通过控制字来实现传动设备的控制。

5 变频器运行设置
      通讯电缆联接后，启动变频器，完成对变频器通讯参数的设置，如下图所示。

6  结束语
      这样，ABB变频器与S7-300PLC的连接已经基本建立，可以通过编写程序通过PLC来控制变频器的启、停、速度给定等各项功能，来满足工艺要求。同时也可以读取变频器数据通过上位机进行显示，达到在线监视和诊断的目的，变频器控制系统采用了Profibus-DP现场总线控制模式后，不但整个系统可靠性强，操作简便，而且可根据工艺需要进行灵活的功能修改。