西门子6ES7221-1BH22-0XA8选型手册

西门子6ES7221-1BH22-0XA8选型手册

 一、项目概况

  长安汽车制造厂原来可以生产6种型号汽车，年产量在8万辆左右。他的总装生产线是在80年代末引进美国50年代技术制造的，由于在设计、制造上存在许多缺陷，导致系统有故障，生产效率低等诸多问题。长安公司为适应中国加入WTO后对汽车行业的冲击，保持中国微型汽车生产企业的**位置，在不断推出新车型的同时，生产线的制造能力成为了企业发展的瓶颈。通过我们对总装生产线的改造，大大提高了生产效率，将产量提高到20万辆/年，并且具备了多种车型混装能力，可以满足不断推出新车型的生产需求。

  二、改造方案的确定

  总装车间的原生产线控制系统采用的是三菱PLC系统，传统的控制模式。所有分布在车间的信号靠IO电缆连接至PLC柜，设备的故障报警信息全部通过BCD码来显示，工人对生产线的干预**于启动、停止和急停操作。根据现场生产的实际情况，该控制系统已经无法满足生产需求:

  1、无法提供故障的准确和判断。时间对于总装车间来讲是分秒必争，尤其是在产量达到一定规模以后。故障产生时，维修人员需要以较快的速度发现和解决问题，老系统必须由工人根据报警代码寻找故障地点，再根据经验分析原因，故障停线时间因此比较长。尤其是在PLC本身发生故障时，往往会浪费更多的时间。

  2、检修困难。总装车间的信号多，而且分布面积很广，桥架里的电缆敷设很拥挤，加之时间比较长，线号已经模糊不清，维修工人需要更换电缆、电气元件等需要耗费很大的工作量。

  3、无法为工厂资源管理信息系统（MRPII）提供快速、准确的生产信息。车间的零部件物流无法根据实际的生产进度进行合理的调度。

  西门子公司的Profibus现场总线网络技术，为这个系统提供了一个完整的解决方案。在过去的十多年里，随着生产车间自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍。其原因之一是：现场总线系统实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到较小，从而使成本费用大大地节省。其原因之二是：标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备。

  Profibus现场总线系统的结构是透明和开放的。只有这样，工程师们才可能从市场上大量可供应的现场设备和部件中选择较佳的产品组成他们自己的系统。现场总线PROFIBUS满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求。一方面它覆盖了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特别在“分散I/O”领域，由于有大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用。同时该总线系统又提供了丰富的设备诊断信息，操作员可以直接通过监控计算机了解整个车间系统设备的健壮性，为故障的判断提供直截了当的辅助手段，大大减少了故障的排除时间。

  Profibus利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以国际ISO（国际标准组织）标准OSI（开放系统互连）参考模型为基础。ISO/OSI通信标准模型由7层组织，并分成两类。一类是面向用户的第5层到第7层，另一类是面向网络的第1层到第4层。第1层到第4层描述数据从一个地方传输到另一个地方，而第5层到第7层给用户提供适当的方式去访问网络系统。

  三、系统结构

  我们根据国内外类似系统的运行管理情况以及在该行业中的实际经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着、简单实用、先进（十年不落后）的原则，充分发挥西门子自动化产品的技术优势，以S7控制平台和开放的现场总线网络ProfibusTM体系为核心，采用较新的控制器、驱动、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、PLC、现场分布式I/O组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展数据采集和控制系统。

  该系统采用集成工业现场总线、控制总线和100/1000M高速以太网组成的混合三层体系结构，既支持基于浏览器的B/S结构体系，也支持C/S结构体系。

  整个总装车间的输入/输出信息形式多样（包括图像、图形、文字、语音、数字等多媒体形式），信息量大，对系统功能要求高。控制监视任务不仅**于单机的检测和控制问题，而且还实现了对整个车间的监控、故障诊断、物流优化、生产预报和调度。以PLC和计算机为核心的信息处理机制完成对综息的管理、生产过程的计划、调度、监视与自动化控制，系统具有以下三个主要方面的功能：

  1、现场生产数据的采集、分析、处理、动态追踪、工艺控制等前台生产现场检测与控制；

  2、车型数据、设备故障信息、安装工位管理等后台信息管理

1　前言

在化纤涤纶短丝的生产工艺流程中,后处理牵伸联合机是整个生产线中的关键设备,各单元机的控制精度直接影响成品丝的质量。采用传统的机械长边轴或同步调节器控制,各单元机之间的工艺比例倍数调整极不方便,且控制精度难以保证。所以,为了方便对各工艺参数的调节,提高整个系统的控制精度和可靠性,采用“西门子TP170A触摸屏+S7-300PLC+矢量控制型逆变器”的控制方案。

2 Profibus-DP现场总线简介

Profibus是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。PROFIBUS广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等行业。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA。其特点分别为：PROFIBUS- DP (工厂自动化) ,快速即插即用;PROFIBUS-FMS (通用性自动化),通用、大范围使用、多主通信;PROFIBUS-PA (过程自动化),面向应用、总线供电、本质安全。PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传送,中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信, 多数数据交换是周期性的,除此以外,智能化现场设备还需要非周期性通信,以进行配置诊断和报警处理。

Profibus协议的实现可以通过PROFIBUS的专门协议芯片和微处理的结合来完成。在电力传动领域,各个公司分别推出自己的实现PROFIBUS协议的通信模板,直接插入变频器内就可以完成通讯。如SIEMENS SIMOVERT MASTERDRIVERS变频器中的CBP板,艾默生变频器的TDS-PA01适配器。现就涤纶短丝后处理牵伸联合机传动系统中PROFIBUS的具体应用作一描述。



3 涤纶短丝后处理牵伸联合机Profibus现场总线的应用

3.1 涤纶短丝后处理牵伸联合机传动系统简介

本文以涤纶短丝后处理牵伸联合机传动系统为例,介绍现场总线在牵伸联合机系统中的应用。

化纤聚酯瓶片经熔融纺丝卷绕上油形成丝束喂入盛丝桶内,盛丝桶里的丝束从集束架引出,经过浸油槽上油,进入**牵伸机;本生产线共有两道牵伸,一道牵伸在**牵伸机和第二牵伸机之间进行;一道牵伸所需的牵伸温度是75～80℃,由水浴牵伸槽提供。二道牵伸是在第二牵伸机和第三牵伸机之间的蒸汽牵伸箱中进行,牵伸温度约为95～100℃;牵伸后的丝束由由叠丝机将其叠成一片,送卷曲机使丝束卷曲成形。系统结构组成如图1所示。
系统使用6套西门子矢量控制型逆变器,分别驱动六台单元机。PLC采用西门子S7-300系列。在主控柜内设置PLC主站,现场操作台上装有西门子TP170A型触摸屏,触摸屏与各变频器均为从站。PLC通过Profibus-DP现场总线将主站与从站全部连接起来组成了一个工业现场总线系统,即提高了系统的可靠性与高性能比,也极大地方便了工艺人员和操作人员。该系统主要有以下特点和新功能：①矢量控制变频技术,电机上的编码器和逆变器构成速度闭环;②能耗制动加机械制动,停车时自动投入制动工作,工作可靠,制动平稳,实现了高速下的快速停车;③先进的工业现场总线系统与PROFIBUS总线;④触摸屏使用户操作方便, 速度、电流等数据实时显示,电气系统运行监控与显示,故障显示,诊断,报警等。3.2 Profibus-DP网络组成

利用S7-300 CPU313C-2DP作为主站,逆变器加CBP板、现场触摸屏（TP170A）作为从站,组成一个单主Profibus-DP通信系统。DP适用于数据高速通信的场合,采用RS-485双绞线电缆或光纤电缆,波特率从9.6Kbp2Mbps,采用点对点(用户数据与传输)或广播(控制指令)方式, 支持循环的主从。 PROFIBUS网络组成图如图2所示。

由于PLC主站和所有从站都为SIEMENS公司产品,所以都满足Profibus总线通信协议。在本系统中,采用RS485屏蔽双绞线作为通信介质,通信波特率为1.5Mbps,为PROFIBUS环形网络。 PROFIBUS-DP主要使用主-从方式,PLC主站周期性地与传动装置进行数据交换。在PROFIBUS结构中,周期性通道MSCY-C1的可用数据被定义为参数过程对象PPO,可用数据结构分成不同两部分且用报文分别传送：PZD部分（包括控制字,设定值,状态字和实际值）;PKW（用于读、写参数值）。当总线系统启动时,这种用于PROFIBUS主站到传动装置的PPO类型可以被设置,设置那种类型的PPO,取决于在自动化网络中传动装置的功能。

Profibus装置有各种不同特性,为了所有主站系统能正确调用所使用的附加板,必须需要每一个装置的主数据文件GSD。为了能够有效通信,在 STEP7中,必须为每一总线设备设定地址,以便主站寻址。在CBP板设置的通信参数有：P918（总线地址）,P712（PPO类型）,P722（过程数据的报文故障时间）。

本系统采用了Profibus-DP总线,使得系统节省了到机台的大量电缆,增加了可靠性,减少了变频系统的干扰,便于人员操作和维护3.3 Profibus的诊断功能

Profibus具有强大的诊断功能,当接到从站传到的警报或出错时,主站迅速作出反应中止正常通信,对故障快速定位。这种诊断信息分为三级：本站诊断操作、模块诊断操作、通断诊断操作。故障以后,总线恢复正常通信。




4．现场总线技术应用于电力传动系统的前景及优越性

电力传动是工业自动化的一个重要分支领域,电力控制装置随着功率电子学,微电子学和计算机技术的发展,以具有相当水平的自治性和智能化。现场总线技术在电力传动领域中的应用,具有以下优点：①推动电力传动装置全数字化。由于现场总线系统的开发性,各个不同厂家的设备之间可以实现信息交换,用户可以按自己的需要和考虑,把来自不同厂家的设备组成大小随意的的系统。使得生产厂家在应用现场总线技术到产品时,将进一步加大装置全数字化。②降低电力传动控制系统的安装成本和维护费用。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能,因而可减少变送器的数量等,从而减少系统硬件投资。而且现场总线系统接线十分简单,电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,节省了安装费用。由于现场控制设备具有自诊断和处理简单故障的能力, 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可查询所有设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速解除。③充分应用软件功能,提高系统复杂控制的能力。由于现场总线系统设备的智能化、数字化,与模拟信号相比较,它从根本上提高了测量与控制的精度;减少了传送误差。同时由于系统结构简单,减少了信号的往返传输,提高了系统的可靠性。PLC与传动装置之间减少了直接输入输出电缆连接,充分应用软件功能,所有控制量都通过现场总线得以实现,进而提高了系统复杂控制的能力。

工业以太网专题">工业以太网是当今工业通信发展较为迅速的技术， PROFINET是真正的实时工业以太网，可以实现在各种不同场合的应用，完成各种不同需求的控制任务。从传输协议角度上，PROFINET将数据分为：NRT、RT、和IRT三种不同的类型；从应用角度上，PROFINET分为：CBA和I/O，以此来实现工业控制的一网到底的。

Key words: Profibus, Industry Ethernet, realtime, Industry Communication
关键词：PROFINET、工业以太网专题">工业以太网、实时、工业通信

    产品的生命周期越来越短，自动化领域的发展日新月异。当今自动化技术的发展正日益受到信息技术以及已确立的标准（例如：TCP/IP和XML）的重大影响。在这种形势下，近年来现场总线技术也不断在飞速发展，并发生着重大的革新。来自用户越来越多的需求，例如：项目的投资保护；工艺技术模块化；节约工程设计和投运的成本等等，在这种形式下，Profibus国际组织便提出了一个基于以太网的新的自动化标准 —— PROFINET。

    PROFINET是一个整体的解决方案，它使用TCP/IP 和IT 标准，符合基于工业以太网专题">工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求；能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一条电缆中完成，IT 服务和TCP/IP 开放性没有任何限制；它可以满足.用于所有客户需要的统一的通信；从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信。现在已经成为现场总线国际标准IEC-61158的第10类型。

    PROFINET用于实现基于工业以太网专题">工业以太网的集成、一致的自动化解决方案。支持用以太网通信的简单分散式现场设备和苛求时间的应用的集成，以及基于组件的分布式自动化系统的集成。为完成这一面向各种控制对象的需求，PROFINET在通信方式上根据通信目的不同而采用3种不同性能等级的通信方式：
- 通过TCP/UDP /IP 在标准通道上发送非苛求时间的数据，例如：参数、组态数据和互连信息。这满足自动化层与其它网络（MES，ERP）的连接需求。
PROFINET 使用以太网和TCP/UDP/IP 协议作为通信基础。TCP/UDP/IP 是IT 领域在通信协议方面的事实上的标准。TCP/UDP/IP 提供了使以太网设备能够通过本地和分布式网络的透明通道中进行数据交换的基础。
- 对于生产装备内苛求时间的过程数据的传输，它采用实时通道（RT：Realtime）。作为基于可用控制器的软件来实现的。
在工厂自动化领域，实时应用需要刷新/响应时间范围在5—10ms 内。 经验指出，与设备中的处理时间相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太网线路上的传输时间是可以忽略不计的。在提供者的应用中可提供数据的时间是不受通信影响的。这就是说，在刷新时间以及实时响应中任何重大的改进主要可通过发布者和使用者通信栈的优化来达成。PROFINET 中的实时通信通道就为了能满足自动化中的实时要求，此通道基于以太网（层2）。此解决方案显著地减少了通信栈所占用的运行时间，从而提高了过程数据刷新速率方面的性能。PROFINET使用以太网，快速以太网中已集成全双工模式切换技术，并已进行了标准化。通过**级优化在PROFINET中，不仅较小化了控制器中的通信栈，而且也对网络中数据的传输进行了优化。为了能在这些情况下达到一种较佳结果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q将这些数据包区分**级。设备之间的数据流则由网络组件依据此**级进行处理。**级6（Priority 6）是用于实时数据的标准**级，由此也就确保了对其它应用的**级处理。
- 对于同步应用，PROFINET采用等时同步实时通信（IRT：Isochronous Realtime），它允许在时钟速率为1ms时，抖动精度为1μs。
实时通道RT解决方案对于运动控制应用还远远不够。运动控制应用要求刷新速率在1ms，100 节点的连续循环的抖动精度为1μm。为了满足这些需求，PROFINET 在快速以太网的层2 协议上已定义了时间间隔控制的传输方法IRT。通过具备上述精度的参与设备（网络组件和PROFINET 设备）的时间同步化，可在网络中规定时间片，在此时间间隔内传输自动化任务所必需的关键数据。通信循环被分成两个部分，即：时间确定性部分和开放性部分。循环的实时报文在时间确定性通道中传输，而TCP/IP 报文则在开放性通道中传输。等时同步的实现基于硬件。基于硬件的实现能够获得所要求的异常重要的顺序精度要求，同时也解放了承担PROFINET 设备通信任务的处理器。这就免除了烦琐的计算，从而可为自动化提供解决方案。

这3 种性能等级的PROFINET通信覆盖了自动化应用的全部范围。PROFINET 通信标准的特性包括以下方面：
- 在一根通信线路上同时使用实时通信和基于TCP 的IT 通信。
- 标准化的实时协议适用于所有应用、分布式系统中组件之间的通信以及控制器与分散式现场设备之间的通信。
- 从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的实时通信。

    为实现这3种不同的通讯方式，满足工业控制的工程要求，PROFINET采用2种重要的应用方式：
- 在实现分布式过程采用基于组件的自动化概念（CBA）
PROFINET组件模型对于具备可编程功能的智能现场设备和自动化设备来说非常理想。组件模型将机器或装备的自治模块描述为工艺技术模块。基于工艺技术模块而开发的分布式自动化系统简化了装备和机器的模块化设计，从而显著地简化了装备和机器零部件的重复使用。因此大量地减少了工程设计成本。基于组件模型的PROFINET 通过PCD（PROFINET Component Debbbbbbion）来描述。它是一个XML文件，并可以使用制造商特定的组态工具的组件生成器或PROFINET 组件编辑器来创建。分布式自动化装备的工程设计分为：各个工艺技术模块的控制逻辑的编程（制造商特定的组态工具）和整个装备的工艺技术组态，后者决定这些工艺技术模块之间的通信关系。
- 分散式现场设备（PROFINET IO）
分散式现场设备通过PROFINET IO 集成。这采用通常的Profibus DP 的IO，从而可将现场设备的IO 循环地传输给PLC 的过程映象。在PROFINET IO描述的设备模型中，现场设备的特性通过基于XML的GSD(General Station Debbbbbbion)文件来描述。

在其他方面如：
- Web 功能的集成：Web集成允许在以太网上访问PROFInet设备：PROFInet选择使用已经实践证明的标准技术如： http, HTML 和XML。通过统一的站点（Web-Sites）来定义设备信息、诊断及报告功能，*工程工具就可以方便查询并确定差错。对于设备的访问可通过类似于微软的Internet Explorer那样的标准浏览器。
- IT 集成：网络管理覆盖了在以太网网络中PROFINET 设备管理的所有功能。这包括设备和网络组态、网络诊断。对于Web集成，PROFINET 采用基于以太网的技术，而且借助互联网的标准技术可访问PROFINET 组件。为了获得与其它系统范围的开放链接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
- 网络拓扑：针对要连网单元的要求而定。PROFINET网络拓扑有：星型、线型、树型和环型结构。实际的系统是由混合结构组成，可以用铜缆或光缆实现。
- 网络安装：PROFINET 网络安装依据工业环境下以对太网网络的特殊要求给设备制造商提供清晰的设备接口规范和布线要求。“PROFINET 安装导则”给装备制造商/操作提供以太网网络安装的简单规则。

    作为下一代的现场总线，PROFINET需要能够集成许多成熟的正在使用的现场总线。由于IT 技术的应用，在PROFINET方案中保护投资也起着至关重要的作用。PROFINET能集成现有的现场总线系统（例如INTERBUS、Profibus），且*修改现有设备。这就保护了所有投资者的现有投资。PROFINET可以从现有的现场总线解决方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太网的PROFINET的无缝转换。
PROFINET 提供2种集成现场总线系统的方法：
- 通过代理服务器的现场总线设备集成：在此情况下，代理服务器代表以太网上较低层的现场设备。采用代理服务器方案，PROFINET 提供了从现有设备到新安装的设备之间的全透明转换。
- 整个现场总线应用的集成：一个现场总线段代表一个自包含的PROFINET 组件，该组件代表的是在较低层操作现场总线（例如：INTERBUS 、Profibus DP）的PROFINET设备。由此，较低层现场总线的所有功能以组件的形式保存在代理服务器内。然后这些功能就在以太网上可供使用了。

    为了满足所有自动化的需求，PROFINET 还吸纳了多年积累的现场总线和工业以太网专题">工业以太网的技术，从一开始就决定了PROFINET采用开放的标准、现有设备的简单处理和集成的定义。PROFINET 持续不断的开发为用户带来了长远的前景。对于用户来说，采用PROFINET 可降低安装、工程和投运的成本。对于业主来说，由于运用了自适应的子单元，PROFINET 简化了装备的扩展并提高了装备的可用性。
拥有PROFINET，作为系统和机械制造商：由于自适应的模块而具有更高的可用性；由于并行地投运，减少了投运时间；可管理的设备特定的详细提供简化的诊断，使从设计到运行更快捷。作为系统集成商：由于从现场级到企业管理级的开放性标准化的通信，可自由选择供应商；由于模块化，可容易地扩展开放的工程系统。由于自适应的子系统，具有高度的系统可用性；通过集成现有的系统和设备，投资得到了保护；由于采用已认证的设备而获得高质量标准。

    PROFINET——远远不仅仅是以太网，而是自动化领域的开放的解决方案。

- PROFINET规定了强大功能，从网络安装到基于web诊断的整个自动化解决方案的实现。
- PROFINET的模块化结构可非常容易地扩展和包含其它功能。
- PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口。它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。设备之间的通信链接以图形形式组态，*编程。

http://zhangqueena.b2b168.com