西门子6ES7222-1BD22-0XA0物优**

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1 引 言

近几年来，可编程序控制器（以下简称plc）因其可靠性高、编程简单、抗干扰能力强等优点，在工业控制领域得到了广泛应用。但plc在人机交互性能方面较弱，然而工控组态软件（如组态王）具有良好的人机界面及控制决策能力。因此，将二者结合起来可有效实现整个生产过程的综合监控。东方日立（成都）电控设备有限公司生产的高压大功率变频器**地将二者结合起来，实现变频器在昆钢自备发电厂高炉煤气发电机组送、引风机系统上的应用及节能计算。该系统采用上、下位机主从式结构，plc作为下位机通过modbus通信方式，完成工业现场数据的实时采集；上位机采用工业控制计算机，与plc之间通过工业以态网通讯方式，实现高压变频器在运行过程中的实时数据显示、故障报警等各项功能。同时，组态王又作为数据服务器，通过dde方式为节能软件提供实时数据，以助节能软件完成数据计算、动态曲线显示。

2 系统硬件配置

送、引风机高压变频装置通讯系统的硬件配置，主要包括mdm3000电力综合测试仪、集线器及实现远程监控的工业计算机。单元控制柜内所用的plc，选用西门子s7-200系列cpu226；通讯单元为西门子工业以太网模块cp243-1。数据采集器选用深圳亚特尔公司的mdm3000产品，实现变频器输入电压、输入电流等数据采集。工业计算机选用研华原装工控机ipc-610h，主要配置：cpu2.8g/256m（内存）；80g硬盘；集成显卡；另置网卡；50倍光驱；1.44m（软驱）和kb104+mouse。

3 系统软件基本原理及组态

系统软件包括：

（1）工控软件：组态王kingview5.1；

（2）用于s7-200编程软件的step7-microwin4.0；

（3）用于实现节能计算的*的软件。

3.1 组态王kingview5.1

组态王是运行于microsoftbbbbbbs98/2000/nt/xp中文平台界面的人机界面软件。采用了多线程、com组件等新技术，实现了实时多，软件运行稳定可靠。软件包从工业控制对象中数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来。同时还可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需要生成历史数据文件。

为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的通讯接口，扩充了组态王的功能，为用户提供更为灵活的应用空间。在数据交换时，我们定义组态王作为dde服务器端，与采用java软件开发的节能计算软件相互通讯。通过dde方式用户自编的应用程序可以与组态王无缝连接，进行数据交换。

3.2 用于s7-200的编程软件step7- microwin4.0

s7-200中plc程序用step7-microwin4.0软件进行编写，plc程序将modbus协议、tcp/ip工业以太网协议两种协议集于一身，实现变频器现场数据采集设备、上位监控设备的无缝连接。

3.3 实现节能计算的*的软件

节能计算软件为日立北京公司*，该软件实现两方面的功能：

（1）获取组态王数据；

（2）对获取的数据进行计算并以趋势曲线的方式加以显示。根据机组送、引风机工频运行工况数据，得到通过调节出口挡板改变风量的工频运行曲线；

（3）再根据实时监控得到机组送、引风机在变频运行工况下的运行曲线，然后将两条曲线制作到同一坐标平面下，这样非常直观地得到节能数据，并对采集到的原始及节能数据进行记录保存于工控机的硬盘上。

4 应用情况

送、引风机高压变频装置系统自2008年4月投运以来，启、停及智能监控性能优良。操作员从炉控室组态王监视画面可以实时监控送、引风机高压变频装置的输入电压、输入电流、输入功率等数据，大大减少了运行人员现场抄录设备运行数据的工作量；另外非常直观地得到送、引风机高压变频装置系统的节能情况。送、引风机高压变频装置系统微机化、数字化更是提高了系统的性，有效地避免了机组送、引风机电动机以及电网所承受的冲击，了电动机及拖动设备的使用寿命，深受用户**。

通过PC/PPI电缆的编程通信

通过PC/PPI电缆的编程通信是较为常见的S7-200编程方式，很多人也在此遇到问题。

影响通信的因素很多，要顺利通信首先需要注意：

．检查Micro/WIN和bbbbbbs操作系统的版本兼容性

未经西门子版本兼容测试的往往有通信问题。

．使用西门子的原装PC/PPI电缆

包括用于连接PC机RS232串口的RS232/PPI电缆，和连接USB口的USB/PPI电缆。

编程通信要点

要进行S7-200的编程通信，必须注意使通信双方（即安装了Micro/WIN的PC机和S7-200的CPU或通信模块上的通信口）的通信速率、通信协议符合、兼容。否则不会顺利连通。

在具体工作中，参与编程通信的设备未必一定符合上述要求。例如，它们的通信速率就可能不一致。

注意以下几个通信速率，它们必须一致：

．S7-200 CPU通信口的速率

一个新出厂的CPU，它的所有的通信口的速率都是9.6K波特。CPU通信口的速率只能在S7-200项目文件中的“系统块”中设置，新的通信速率在系统块下载到CPU中后才起作用。

系统块的CPU通信口参数设置

．通信电缆的通信速率

如果使用智能多主站电缆配合Micro/WIN V3.2 SP4以上版， 只需将RS232/PPI电缆的DIP开关5设置为“1”而其他设置为“0”；而USB/PPI电缆不需要设置。老版本的电缆需要按照电缆上的标记设置DIP开关。

．由Micro/WIN 决定的PC机通信口（RS232口）的通信速率

这个速率实际上是去配合编程电缆使用的，在Micro/WIN软件中打开Set PG/PC Interface，设置PC用于同编程电缆通信的速率。USB口使用USB/PPI电缆，不需*速率。

一、软故障的判断和处理

S5 PLC具有自诊断能力，发生模块功能错误时往往能报警并按预先程序作出反应，通过故障指示灯就可判断。当电源正常，各指示灯也指示正常，特别是输入信号正常，但系统功能不正常(输出无或乱)时，本着先易后难、先软后硬的检修原则首先检查用户程序是否出现问题。S5的用户程序储存在PLC的RAM中，是掉电易失性的，当后备电池故障系统电源发生闪失时，程序丢失或紊乱的可能性就很大，当然强烈的电磁干扰也会引起程序出错。有EPROM存储卡及插槽的PLC恢复程序就相当简单，将EPROM卡上的程序拷回PLC后一般都能解决问题;没有 EPROM子卡的用户就要利用PG的联机功能将正确的程序发送到PLC上。需要特别说明的是，有时简单的程序覆盖不能解决问题，这时在重新拷贝程序前总清一下RAM中的用户程序是相当必要的。通过将PLC上的“RUN”“ST”开关按RUN---ST---RUN---ST---RUN的顺序拨打一遍或在 PG上执行“bbbbbb-Blocks-Delete---inPLC-allblocks---overall-Reset”功能就完成了RAM中程序的总清。另外，保存在EPROM中的程序并不是万无一失的，过分相信EPROM上的程序有时会给检修带来困惑。所以在PLC电源模块维修技术中经常性的检查核对EPROM中的程序，特别是PG中的备份程序就显的尤为重要。

PLC 电源模块维修技术实例：一次，一台停机两个月的设备出现问题，上电后无法启动。工程师在检查后认为程序出错，很自然地将EPROM卡插入PLC中，总清后拷贝程序，完成后重启，故障依旧，由于程序不大，逐条把EPROM上的程序读出，与手册上的指令核对后发现完全一样，重复拷贝无效后认为是PLC硬件故障。我们用PG将备份程序调出，与EPROM上的程序进行比对，结果语句指令表相同，但程序存放地址发生了变化，把备份程序发送到PLC后设备运行正常。可见EPROM上的程序也出现了错误，用紫外线擦除后重新写入问题解决。

二、外围线路故障

据有关文献报道，在PLC控制系统中出现的故障率为：CPU及存储器占5%，I/O模块占15%，传感器及开关占45%，执行器占30%，接线等其他方面占 5%，可见80%以上的故障出现在外围线路。外围线路由现场输入信号(如按钮开关、选择开关、接近开关及一些传感器输出的开关量、继电器输出触点或模数转换器转换的模拟量等)和现场输出信号(电磁阀、继电器、接触器、电机等)，以及导线和接线端子等组成。接线松动、元器件损坏、机械故障、干扰等均可引起外围电路故障，排查时要仔细，替换的元器件要选用性能可靠安全系数高的优质器件。一些功能强大的控制系统采用故障代码表表示故障，对故障的分析排除带来大便利，应好好利用。

PLC电源模块维修技术实例：一台水下切粒机的控制系统出现故障，工程师发现I5.4无输入导致Q7.0无输出，切粒机无法开启。检查后发现信号转换器和接近开关同时损坏，更换后正常。象这类故障就具有一定的隐蔽性，排故时要借助万用表、系统原理图和逻辑图逐级排除。

三、PLC硬件故障

PLC的硬件故障较为直观地就能发现，维修的基本方法就是更换模块。根据故障指示灯和故障现象判断故障模块是检修的关键，盲目的更换会带来不必要的损失。

1、电源模块故障

一个工作正常的电源模块，其上面的工作指示灯如“AC”、“24VDC”、“5VDC”、“BATT”等应该是绿色长亮的，哪一个灯的颜色发生了变化或闪烁或熄灭就表示那一部分的电源有问题。“AC”灯表示PLC的交流总电源，“AC”灯不亮时多半无工作电源，整个PLC停止。这时就应该检查电源保险丝是否熔断，更换熔丝是应用同规格同型号的保险丝，无同型号的进口熔丝时要用电流相同的快速熔丝代替。如重复烧保险丝说明电路板短路或损坏，更换整个电源。 “5VDC”、“24VDC”灯熄灭表示无相应的直流电源输出，当电源偏差**出正常值5%时指示灯闪烁，此时虽然PLC仍能工作，但应引起重视，必要时停机检修。

“BATT”变色灯是后备电源指示灯，绿色正常，黄色电量低，红色故障。黄灯亮时就应该更换后备电池，手册规定两到三年更换锂电池一次，当红灯亮时表示后备电源系统故障，也需要更换整个模块。

2、I/O模块故障

输入模块一般由光电耦合电路组成;输出模块根据型号不同有继电输出、晶体管输出、光电输出等。每一点输入输出都有相应的发光二极管指示。有输入信号但该点不亮或确定有输出但输出灯不亮时就应该怀疑I/O模块有故障。输入和输出模块有6到24个点，如果只是因为一个点的损坏就更换整个模块在经济上不合算。通常的做法是找备用点替代，然后在程序中更改相应的地址。但要注意，程序较大是查找具体地址有困难。特别强调的是，无论是更换输入模块还是更换输出模块，都要在PLC断电的情况下进行，S5带电插拔模块是**不允许的。

3、CPU模块故障

通用型S5PLC的CPU模块上往往包括有通信接口、EPROM插槽、运行开关等，故障的隐蔽性更大，因为更换CPU模块的费用很大，所以对它的故障分析、判断要尤为仔细。

PLC电源模块维修技术实例：一台PLC合上电源时无法将开关拨到RUN状态，错误指示灯先闪烁后常亮，断电复位后故障依旧，更换CPU模块后运行正常。在进行芯片级维修时更换了CPU但故障灯仍然不停闪烁，至到更换了通信借口板后功能才恢复正常。

1 引言

喂线技术是钢水炉外精炼过程中脱氧、脱硫减少夹杂物数量，改变夹杂物形态、成分微合金化的一种简单、易行、投资少、且可靠的钢水炉外精炼工艺技术之一。喂线技术的关键在于，针对不同合金芯线和钢种确定合理的喂线速度、喂线深度、喂线量、喂线位置、喂线时的钢水成分、渣况及氩气搅拌等条件。因此，喂线工艺要求自控系统具有良好的人机界面和喂线调速性能，以适应不同钢种的不同控制参数设置及具备炉号等工艺参数的统计功能。

2 喂线工艺自控系统组成及其控制流程

喂线工艺的实现流程及其具体要求是：钢水包由平板车移动到喂线位置停止，喂线机导管由放置位下降至喂线状态，由此二者共有确定钢水包的喂线位置。随后由手动、自动、远程上位自动3种模式控制喂线机对钢水包进行喂线操作。喂线工艺示意图如图1所示，一般要求合金线于钢水包的偏心位置（约偏离钢水包中心线200~300mm）垂直液面喂入钢水。对应不同成分的钢水，通过设置不同的喂线速度和喂线量，来实现科学合理的喂线，达到钢水成分的净化和精炼控制，甚至是钢水挽救的目的。而喂线速度一经确定，喂线深度便在一定程度上随之确定。喂线深度合适时，能使芯线与钢液充分反应，得到高度而稳定的收得率。如果喂线速度过低，芯线未进入钢液之前就有部分在渣中烧损；而喂线速度快，芯线进入钢液后不能完全溶解而聚集盘绕在钢水液面上则烧毁。为了能够实现合金芯线在钢水中一定深度熔化（一般距钢水液面2350～2500mm为宜），混匀，合金线中的钙质尽可能多地溶解于钢水中或与夹杂物接触反应，喂线速度一般应参考v=45h/t（经验公式，h为钢包内钢水液面高度，单位m）设定。在喂线工艺中，喂线速度至关重要：一是决定喂线处理过程能否取得预想结果的关键因素；二是当处理包的尺寸和所装入的钢水量一定时，一种包芯线只有一个较佳速度；三是喂线机在较佳速度条件下的有效工作时间越长，钙的利用率与效率越高。因此，控制系统应具有良好的速度设定界面和传动控制实现性能，尤其是传输速度的动态响应和稳定性。

按照以上的喂线工艺技术要求，控制系统由西门子s7-300plc模块，实现开关量主令信号、外接导管控制信号和喂线传输速度的采集及变频调速的方向控制；上位触摸屏td200实现喂线速度、喂线总长（质量）、芯线回退量及炉号钢种等生产参数的设定，作为就地自动控制；同样控制功能的远程通讯上位计算机控制通过rs-485与链接模块profibus-cp343实现。另外还设有就地手动控制，有多个主令开关，需要人工逐一操作完成相应控制功能。此三者为单选控制模式。为满足工艺技术对合金芯线传输速度的调节性能的严格要求，系统采用模拟量控制交流变频传动。设置模拟量输出模块sm332，将上位设定的数字信号，由cpu处理转换为电压模拟信号并输出，经过信号隔离器干扰滤波后，接入艾默生变频器（ev-2000）的电压给定回路上，配合以plc开关量输出的正/反转控制信号，再通过对芯线传输速度的、计算，形成速度的负反馈闭环控制系统，达到精良的调速控制性能。在设定的喂线长度（质量）加入完毕，应反向回送一定量的芯线，以便移开外接导管，不致影响钢水包向下一工序运送。控制系统还可以接钢包吹氩传动设备，在完成钢水喂线后，适时地启动吹氩，进行混匀搅拌，增强钢水精炼效果。

考虑到工业现场的具体情况非常重要，plc控制系统的上位自动控制权限以现场就地控制**，现场控制又分为手动控制和自动控制。自动控制由触模屏td200进行参数设置后完成；手动控制作为现场人工操作，是进行新钢种喂线工艺参数试验初定的必要手段，待对应新钢水产品的喂线速度/喂线长度（质量）确定较优数量之后，为避免人工操作的误差影响，就可改由自动控制的两种模式来自动完成钢水喂线、吹氩等精炼工艺操作。其中远程上位计算机通过组态界面编程，完成相应控制功能的同时，将每炉炉号、钢种等生产工艺参数，一起纳入管理数据库，是产品质量跟踪的重要依据性。

3 系统控制功能的实现

该控制系统包含了开关量的逻辑连锁控制功能，和模拟量输出变频调速并传输速度负反馈闭环控制功能，及上位机远程通讯控制和td200触模屏就地控制两种人机界面控制功能。为双路独立控制钢包喂线，开关量i/o控制功能见表1。系统功能全面，性能优良，而且集成度高。例如：整个系统只需对cpu模块提供24vdc电源，模拟量输出模块sm332和通讯链接模块cp343及触模屏td200，还有起信号隔离作用的导管移动控制继电器等所需的24vdc电源，均由cpu模块的24vdc输出电源通道供应，未设独立直流电源。尤其是作为负反馈闭环调速控制的喂线速度及其参与控制，实现得十分巧妙，不仅完成了性能优良的调速控制，而且实现成本大幅降低。

3.1喂线速度的闭环负反馈控制功能的实现

喂线速度的闭环负反馈控制功能通过plc系统数据处理信号及信号检测和艾默生交流变频传动模拟量电压信号调节控制两部分实现。

3.1.1速度信号的和闭环控制的构成

为了实现稳定的喂线传输速度和获得喂线传输长度（质量）的实际值，需要检测芯线传输的实际速度，作为负反馈信号与上位给定数据信号作比较，控制输出信号的大小。

利用西门子s7-300plccpu模块支持一定的高度开关量信号输入（高速计数器输入速率20~200khz）的优势，在如图4所示*三道传输轮从动轮的固定支架上装设开关型外设（行程开关或接渐开关），由从动轮同轴检测凸轮片来从动轮的转速，经过一定的比例换算，即可得到合金芯传输速度，并且可以通过plc程序设计，直接作为负反馈信号与给定值比较共同作用，控制输出信号及变频器给定信号大小。

该速度信号的机制，不仅巧妙地由简易的开关型外设和plc开关量模块结合计数/计算编程功能，完成了应由专设的速度传感器和模拟量输入输出模块共同完成的模拟量测控功能，而且可以直接参与决策控制，构成负反馈闭环控制，使系统的动态响应快速，调速传动性能优良。该类模拟量的测控机制具有普遍的实用借鉴意义，在很多工控领域，都可以通过简单的开关型外设结合plc的计数/计算等丰富的功能实现诸如流量、压力、阀门开度等复杂模拟量的检测和控制，而且实现成本非常低。此外，喂线速度信号的点设在最后一道传动轮的从动轮上，在芯线因为折断或“打滑”或变频器故障等诸多意外情况，芯线没有实际传送时，控制系统能够迅速地“发觉”并报警，**设备安全运行，同时避免“喂线”现象的发生。芯线传输发生“打滑”时，可调整从动轮的夹持力调节机构，以保证足够的摩擦力，又不使芯线破损为宜。

3.1.2 变频传动控制功能的实现及抗干扰措施

plc系统根据上位远程计算机或就地触摸屏所给定的喂线速度，通过数据处理，转换为0~10v电压信号，由模块sm332输出，经过信号隔离器后，接入艾默生变频器的模拟量输入电压端子12和11（变频器型号frn7.5p11s-4ce），因为是有源信号输入，尤其要注意端子13应悬空。艾默生变频器的相关设置见表2。通过plccpu对设定喂线速度值和芯线传输速度到信号相比较，共同完成喂线速度的负反馈闭环控制，实现速度稳定且符合工艺技术要求的喂线操作。另一方面，将设定的喂线长度与喂线速度的时间累积作比较，直至二者之差为零，表明所设定的喂线长度已经全部传输完毕，此时即停止喂线。同样地通过plc程序设计，经过约3s，再反方向启动变频器运转，以plc程序设定的约20m/min恒速将喂线导管中的芯线反向回退。回退长度视现场情况而定，原则是能够使导管方便地移开，以不影响钢水包向下一道工序运送；二是为保证喂线量的计量准确，芯线以不退出装设速度装置的*三组夹持传输轮为宜。这样，不但下次喂线操作喂入量的精度可以保证，而且*再次手工穿线。芯线回退长度在喂线机与钢水包的现场位置一经确定后，测量；测量出其距离长度，由上位计算机或触摸屏设定，与设定喂线速度（对应不同钢种设定不同喂线速度）不同的是，只要前述二者位置不变，就不需在每次喂线操作时都要改变。需要进一步说明的是，因为plc具备支持高速输入的开关量接入点，所以该类电路完成的模拟量的取样，不仅能够满足一般测控要求，而且在精度上还可以达到一定程度的计量要求。

为提高信号的抗干扰能力，plcsm332输出的电缆电压信号，先接入信号隔离器zyh-el-6a，信号隔离器输出接入变频器模拟信号控制输入端。为避免信号线路的耦合干扰，信号输入线路应使用带金属屏蔽层的控制电缆，屏蔽层与plc一侧良好接地屏蔽。为共模信号的干扰，电压信号隔离器外壳，模拟量输出模块sm332、通讯链接模块cp343三者应共同接地。plc系统中的各模块m点和cpu模块屏蔽接地点及整个机箱金属外壳应接ac220v电源的零线端相连。

3.2 远程上位计算机通讯控制功能的实现

通过cp343profibus通讯链接模块，采用dp标准协议与主站通讯，较大有效通讯距离可达1200m。