西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8技术介绍

西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8技术介绍

1 引言
莱钢中小型轧钢生产线于97年建成投产，主要生产圆钢、弹簧扁钢、槽钢和螺纹钢。该生产线PLC控制系统由ABB公司提供，其自动控制系统采用ABBMasterPiece200/1PLC控制系统，实现了18架轧机以及冷床、冷剪和码垛机的自动控制。基础自动化系统采用ABB公司的RMC200轧钢控制系统，它是一个开放型集散控制系统，由一套MP200/1过程站和一套AS520操作员站组成。过程站由一个CPU机架带一个I/O机架组成，CPU机架上安装了CPU模板DSPC172、内存模板*B176以及32通道的DI/DO模板，通过通讯模板DSCS140连接到MasterBus300总线上，与其它过程站进行通讯，I/O机架由总线扩展模块DSBC172实现总线扩展。
操作员站采用HP-UNIX工作站，并通过实时板连接到MasterBus300的冗余接口，通过它操作人员可直接对现场设备进行监控，主要功能有1）轧钢生产设备的启停（2）设备数据设定和实时监控（3）事件与报警清单的显示与打印等。系统的主要画面有启动画面、设定画面、维护画面、事件画面和报警画面。
2 PLC诊断轧钢生产设备故障的基本原理
轧钢设备的故障信号有数字量和模拟量之分，PLC采用不同的方法对这两种信号对应的故障进行诊断。
2.1 基于数字量信号的故障诊断
PLC对数字量信号的识别是通过其数字量输入模块完成的。PLC控制轧钢生产设备时，设备中的压力、温度、液位、行程数字及操作按钮等数字量传感器与PLC的输入端子相连，每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”，每个“位”在内存中为一个地址。读取PLC输入位的状态值可作为识别数字量故障信号的根据。诊断数字量故障的过程，实质就是将PLC正常的输入位状态值与相应的输入位的实际状态值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的，则表明设备处于正常工况，不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。这就是PLC诊断基于数字量信号故障的基本原理。这种诊断方法，故障定位准确，可进行实时在线诊断。通过PLC的图形功能块编程，还可将故障诊断融入过程控制，达到保护轧钢设备的目的。
2.2 基于模拟量信号的故障诊断
PLC对模拟量信号的识别是通过PLC的模拟量输入输出模块来完成的。模拟量输入输出模块采用A/D转换原理，输入端接收来自传感器或变送器的模拟信号，输出端输出的模拟信号作用于PLC的控制对象。PLC诊断模拟量故障的过程，实质就是将在相应A/D通道读到的监测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较的过程。如果比较的结果是实际值远离极限值，则表明轧钢生产设备对应的受监控部位处于正常状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定，利用PLC上的模拟量设定开关可精确设置该极限值。
当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值，PLC还能按照一定的逻辑关系启动开关量模块上的输出位，或者从PLC的通讯口主动发起通讯，从而输出故障诊断的，并据此实现对轧钢生产设备的控制。
2.3 基于中断方式的故障诊断
PLC的中断方式有:
（1）输入中断;
（2）间隔定时器中断;
（3）高速计数器中断。其中，输入中断特别适合于轧钢生产设备的故障诊断。它对应于工业操作站的硬中断，属于外部中断，但PLC的输入中断可用PLC的外部指令来屏蔽。将轧钢生产设备的故障信号作为PLC的输入中断源，一旦出现故障信号，CPU立即响应，停止正在执行的程序，转到中断子程序中去，即可方便地对故障进行处理。它与直接利用PLC的内部逻辑完成故障诊断的不同之处在于:采用输入中断处理故障时，可停止PLC主程序的执行过程，而直接利用PLC的输入和内部逻辑处理故障时，PLC的主程序仍处于运行状态。因此，要根据故障对轧钢生产设备的影响程度选择合适的故障诊断方式。PLC的输入中断方式对后果严重的突发故障的处理特别有用。
3 PLC在故障诊断系统中的作用
故障诊断系统是典型的人机系统，根据系统中的信息流向和功能划分的结果，基于操作站智能化的故障诊断系统。
系统的输入模块要完成轧钢生产设备故障检测信号、控制指令和*知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。*知识的整理和表达由领域*和系统*协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心，它根据控制指令，利用*知识，完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善，故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报置和人机界面，给出故障定位、预报和解释的结果。其中，人机界面还能提供排除故障的技术路线。实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向，减少人在其中的干预作用，是轧钢生产设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统，有助于实现故障诊断过程的自动化。
4 利用PLC和操作站实现智能化诊断的方式
实现轧钢生产设备故障诊断的智能化，可充分利用*知识，提高诊断效率，是故障诊断技术发展的一个重要方向。由于目前的PLC产品不具备自动获取和存储*知识的功能，所采用的编程语言无法完成控制层中的计算推理功能，因此，单纯采用PLC的故障诊断系统的智能程度是相当有限的。为此，可利用网络技术和通讯技术，将PLC和操作站联接成网络，互相取长补短，共同构成故障诊断的硬件系统。PLC采用并行分布式结构，作下位机使用，操作站作为上位机，可完成PLC的程序下装，实施对多台PLC的管理，进行复杂的数据运算，建立数据库，存储*知识，其输入输出设备可用作诊断过程的人机交互。PLC与操作站通过两种方式联接成一个整体:一是通过PLC的通讯口和操作站的通讯口进行联接，二是通过PLC的输入输出端子与操作站上的开关量板和A/D板进行联接。其中，PLC通过通讯口传递给上位机的故障信号多达2个或2个以上时，上位机要通过编码进行识别，而通过PLC输出端子传递给上位机的故障信号，上位机要通过开关量板输入端子的地址来识别。PLC输入端子可接受来自上位机的控制信号或故障信号。网络中的PLC和操作站在故障诊断系统中各自扮演着不同的角色。
通常情况下，故障诊断过程中复杂的逻辑判断、开关量故障信号的检测以及在严重故障状态下对设备进行的保护可交给PLC完成，而复杂的数值计算和人机交互可在上位机上完成。

5 应用效果
整个车间自动化系统为二级控制系统，即设备控制级和信息管理级，设备控制级即一级系统为RMC200轧线控制系统，采用ABBMasterPiece系统，由10套ABBMasterPiece200/1过程站、3套MasterPiece90过程站、和3台AdvantStation500系列操作站、1台VT340监控站及2台MasterAid220编程器构成。各过程站之间的网络通讯采用MasterBus300（简称MB300），通过加热炉的过程站与二级信息管理级进行通讯。每一个MP200/1过程站通过一个DSCS140通讯板连接到MB300网络上,通过MB300网络进行数据交换，通讯板上可以设定地址开关，据此来确定该节点在网络上的位置。对于MP200/1与打捆机MP90的通讯,通过RMC7系统中的通讯板DSCS131连接至MODEM,打捆机上也分别装一MODEM和通讯板DSCS131，由MODEM来实现远程通讯。在加热炉RMC1的MP200/1系统中，通过DSCS150板与二级计算机系统IBMNetifinity5000服务器通讯，二者通过GCOM网络进行数据交换。下面以RMC2为例，简介实现轧钢生产设备故障诊断的智能化。
RMC2实际上包括三套PLC:RMC2、RMC52、RMC62，RMC2主要完成的控制功能有:轧制程序表的设定及存储、炉前装料设备控制（包括热送和装冷坯两种情况）、炉前钢坯测长与称重、加热炉出口设备控制、粗轧机主传动控制、粗轧机微张力控制、6#剪子控制;RMC52主要完成的控制功能有:中轧机控制（包括速度级联、速度给定、跟踪）、轧线模拟轧钢测试、中轧机组的活套扫描器控制;RMC62主要完成的控制功能有:精轧机控制（包括速度级联、速度给定、跟踪）、精轧机组的活套扫描器控制。RMC2、RMC52、RMC62三者既需独立完成分配给自己的控制功能，又环环相扣，互相联锁制约着，若中轧机组的活套扫描器控制中有差错，轧钢控制系统无法正常运行，6#剪子立即碎断，防止轧线堆钢，同时，加热炉停止出钢，直至故障解除。
所设计的故障诊断系统能完成以下功能:
（1）测试过程开始前，运行故障诊断系统，检查轧钢生产控制系统是否处于良好状态。对于开关量，这个过程是上位机通过通讯口读取PLC输入位的状态值并与其正常状态值相比较的过程;对于模拟量，这个过程可用读取模拟量起动的开关位的状态值作为判断的根据，也可将从其它站读取的模拟量与其相应的极限值相比较的结果作为判断的根据。若发现测控系统有故障，应及时处理（上位机显示屏给出具体故障的部位报警）。只有当诊断结果为良好状态时，才能进行的轧钢性能测试;
（2）如果测试结果发现不合格的设备，应重新运行故障诊断系统。
（3）如果测试过程当中，测控系统出现严重故障，则PLC通过通讯口或上位机输入输出板传递故障信号，使测控系统退出测试过程，屏幕给出故障诊断的和排除故障的建议。

在应用PLC高速计数器时往往会碰到如下一系列问题，计数器与输入计数脉冲信号的脉冲电平不匹配。如旋转编码器、光栅尺数据输出是TTL电平，而PLC高速计数器为确保工业现场的高抗干扰性能，却要求接受的是0 - 24v传输脉冲信号、又有的编码器为了提高编码可靠性，提供A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 对称反相的编码计数脉冲或者是提供A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 对称反向的正弦矢量差分、差模信号，但PLC高速计数器要求接收的是单相计数脉冲。而使用者没有选择用到合适的转换接口而放弃了其中一相（编码器本因为要提高系统工业现场抗干扰能力，而提供的双相计数脉冲信号）进行计数。

又如在应用旋转编码器、光栅尺的场合非单方向匀速运动，其运动速度是时快时慢、时动时静止、时正时反的不确定性、或者在运动速度非常低的场合，如果接口没有匹配处理好是非常容易发生计数误差的。还有脉冲距离稍长些，脉冲传输过程中会产生脉冲波形奇变。

有许多应用场合虽然计数脉冲频率不高，而忽略了PLC高速脉冲计数器对计数脉冲的前后沿口是有速率要求（脉冲形成的上升、下降沿口响应速度要陡峭），尤其是在应用线数比较高的编码器在低速运行时，由于机械运动必然产生细微斗动或者编码器前级安有变速齿轮，就很容易会引起编码脉冲前后沿口上出现锯齿口。还有长期机械运动产生机械磨损，使间隙变大也会引起编码脉冲前后沿口上出现锯齿口。

在工业现场的干扰是错综复杂的，由来自控制现场如电动机的启动停止、大电流接触器的切换、可控硅的调相干扰、电弧电脉冲、电磁波等等复杂的干扰群，那纵向和横向电磁干扰是罗列不完。

问题较终综合反映在计数脉冲上，产生了寄生毛刺信号或寄生干扰脉冲，寄生毛刺脉冲如果没有得到有效的遏止整形。所以必然会导致PLC高速计数器的计数精度不稳定、不可靠、产生累计误差、经常会碰到偶发性的计数出错等一系列问题。

所以许多部件在实验室做模拟试验时是完好无误的，而一旦到了工业现场却出现种种不正常的现象。这往往是因为忽略了系统设计的整体概念，各个系统与系统之间的不匹配所产生的系统性干扰。它会直接影响到PLC控制精度，使得原本为了提高控制精度而设置的功能，却发挥不了本该提高精度的效果。即理论设计精度与实际得到的效果差距甚远。有时误认为PLC高速计数器质量有问题、编码器有故障、码盘线数还不够多……。且没有找到问题的真迹源头在哪里而无从着手，也没有采取有效克服措施或者没有找到有效的克服干扰的方法。

为此我们针对这些在国内电气系统、工业自动化控制系统普遍存在而又常见的有共性的技术问题，专门精心比照分析，研究了许多国外引进的大系统集成项目，自动化控制程度比较高的比较经典的控制系统时。发现有许多是常被我们设计师所忽略的细节，往往认为是“多余”的或者是认为可以“节省”开销的部件，似乎那些接口件去掉可以工作，有些部件当下去掉确实反映不出有无的变化和必要性。尤其是在当前市场竞争白日化，比价竞争为竞标可以选择的不明智压力下。常常是会在做设计时从成本角度考虑被“精简”掉了。从而往往会形成许多国产化系统先天不足后天失调，在现场系统调试时常常卡口。在现场采取应急措施，此时所采取措施常常是不十分完善的治标不治本小仓贴。系统不耐用也就自然的了，反倒使工程日后无形的维护费用变大，似乎和前期项目投入是互不关联的两家之的事。其实质原因问题还是在自身，非常值得我们反思。

我们对那些可“精简多余”接口部件进行分析研究后又在工业现场实地试验后方知,它在构成系统整体集合时存在的必要性，选好对应匹配的接口,是对系统长期稳定运行的可靠**。尤其是精确度要求比较高的机械电气合一的数控项目中尤为重要。

为此我们引进了国际上先进而又成熟的接口技术，吸收消化了许多针对性细节的处理方法。专门设计了半国产化的MHM-02A/B型双高速光栅隔离耦合器接口模块和MHM-06双高速差模信号转换器接口模块，而且分别还有多种输入输出方式组合，可以满足国内外现有各种形式的旋转编码器、光栅尺与各种PLC控制器的要求。它已经在许多PLC数控系统上，尤其是在那些“问题系统”上、和在老系统进行数控改造项目上，实际应用得到了验证。使许多项目控制精度有非常显著提高，使理论设计精度与实际得到的效果完全吻合。的确是“多”而不“余”，着实能解决掉问题，起到事半功倍还不错的效果。

IEC61131-8于2001年颁布实施，与IEC61131-3被称为PLC语言的实现导则。

    IEC61131-3PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功的结合，使它在工业控制领域的影响远远**出PLC的界限，已成为DCS、制、运动控制以及SA的编程系统事实上的标准。IEC61131-3规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令语句表语言（IL）和结构化文本化语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）和功能块图语言（FBD）。而顺序功能图（SFC）可以在梯形图语言中使用，也可以在指令语句表语言中使用。

    IEC61131-3允许在同一个PLC中使用多种编程语言，也允许程序开发人员对一个特定的任务选择较合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中其不同的软件模块用不同的编程语言编制，这一规定既解决了PLC发展历史形成编程语言多样化的现状，又为PLC的软件技术进一步发展提供了足够的空间。

    欧美PLC厂商的PLC大都支持IEC61131-3标准，特别是西门子公司的PLC。我国在1995年就采用IEC61131-3作为PLC的国家标准。日本虽然工业发达，技术还是相对封闭，但IEC61131-3标准成为PLC的公认世界主流标准后，日本的PLC生产商开始在新一代PLC软件平台中广泛采用。三菱电机的PLC编程软件包GXVer.8开发系统就支持梯形图语言（LD）、指令语句表语言（IL）、顺序功能图编程语言（SFC）、结构化文本语言（ST）。三菱电机的PX开发系统支持功能块图FBD，供PLC用于过程控制。欧姆龙公司的编程软件包GX除了支持LD、IL外，近期即将推出支持功能块FBD和结构化文本语言ST的编程软件包。富士电机的及横河电机的PLC编程软件包也都支持IEC61131-3。

    PLC的国产化

    国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期，当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计20多家单位都在研制和生产PLC（绝大多数都是小型PLC）。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关，由部属北京机械工业自动化研究所负责，先后研制开发了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLCI/O点数为256～512，并可扩展到1024点，开创了国内研制大型PLC的先河，先后在注塑机、恒温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。这些项目有自动开发的操作系统、工业控制编程语言并具有与上位机、HMI连网和通信等功能。当时国内研制开发的PLC产品由于缺乏资金、后续研制力量不足及生产技术相对落后等原因，没有形成批量工业化生产，因而被国外产品淘汰而纷纷消失。可喜的是在90年代，由于PLC应用不断深入，国内又掀起研制PLC的高潮，虽然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。其代表产品如：南京冠德科技有限公司（原江苏嘉华实业有限公司PLC工厂）的JH200系列PLC，I/O为12～120点，具有高速计数器和模拟量功能；杭州新电子有限公司的D系列PLC，D20P的I/O点数为20点，D100的I/O点可从40～120点；兰州全志电子有限公司的RD系列小型PLC很有特点，RD100型PLC的I/O点9/4点，2点模拟量输入，而RD200型PLC的I/O为20～40点，扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O，RD200型PLC较多可32台连网，并能与上位PC机进行实时通信。