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产品描述
西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8正规授权
近些年来，随着我国的电力、电器行业的迅猛发展，对材料提出了新的技术要求，带动了铜加工行业的加工工艺的进步。我们参与完成了铜加工设备中名为“无氧铜杆连铸机组”的关键设备的电控系统的开发生产。 所谓的无氧铜连铸，是先将铜在400KW的中频加热炉中融化，铜水表面始终覆盖着一层木炭粉，将铜水与氧气隔绝，而后在冷却水套中结晶成铜杆，通过牵引实现连续铸造。这样工艺生产出的铜材导电性能好，线路损耗低，已经受到的认可。 电控系统负责完成铜杆从上引连铸 、牵引、卷绕成盘的流水线的整个生产过程的控制。其中伺服电机带动减速机和及其他机械结构将铜杆向上牵引，实现连续铸造；再由变频器带动机械对铸造好的铜杆实现牵引、卷绕、完成盘状包装。 由于这种冶炼设备都连续24小时不间断运行，一般日产20吨Φ8mm铜杆，产量大，产值高，所以对机组的可靠性要求也很高。设备一旦由于故障而停机，为了避免炉中的铜水冷却凝固后与炉子结为一体，必须要通电保温，光一天的电费损失就高达5000元人民币。由于停机造成大量的废铜也是一大笔损失。同时，该种设备的工作环境却相当恶劣：现场环境温度极高，距离中频加热炉旁2米的环境温度还要达到50℃，会加速电器元件的老化；炭粉、灰尘等导电颗粒可能会影响触摸屏、PLC、伺服驱动器等电器元件的正常工作。这样的环境已经追赶了一般电器产品的环境要求，但产品一旦发生故障又会带来损失和不良的反响，这样的设备对我们及选用的产品来说都是一种考验。 为此，我们经过了广泛的市场调查，进行了实物试验，并进行了方案论证。我们较终采用了抗干扰能力强、性价比较高的日本富士电机公司的触摸屏和可编程控制器来控制交流伺服系统和变频器，组成整个项目的电气控制系统。 系统控制框图: 2# 上引连铸 机构单元 RS485 通讯模块 RS485 通讯模块 RS485 通讯模块 牵引与卷绕机构单元 1# 上引连铸 机构单元 电控系统主要分两大组成部分：
1. 铜杆上引部分。
2. 铜杆牵引卷绕成盘部分。 以下对于各部分的控制要求与电气系统组成予以分别的说明。
一：铜杆上引部分： 上引系统硬件构成及控制框图： 1# 上引机构组成 2# 上引机构组成 富士可编程控制器 SPB 交流伺服系统 富士触摸屏 UG20 富士可编程控制器 SPB 交流伺服系统 机械部分 富士触摸屏 UG20 机械部分 上引部分由如上控制框图所示的两套完全独立的机构组成，通过触摸屏设置上引的位置控制量、上引的速度，以及作为整个系统故障及运行数据、状态显示。通过可编程控制器完成速度与牵引距离的浮点数算法，然后通过PLS1这条高级脉冲输出指令完成上引的控制过程。上引节距的控制精度为0.01mm, 速度较高可达到3m/min。由于SPB系列的PLC具有100kHz的输出频率，很轻松地控制伺服电机实现高速、高频的运行与停止，保了上引的速度与精度。
二：铜杆牵引与卷绕部分： 这部分负责将连续铸造出来的12根铜杆，通过12个变频器牵引，再通过另外的12个变频器来进行卷绕控制，实现成品的绕盘，较终形成盘状包装。
1．铜杆牵引部分： 铜杆牵引部分与的上引部分进行RS485的通讯，可以直接获得连铸的速度，以此作为基准速度，并接收与每一根铜杆相连的浮辊电位器的信号，以此获得由于机械打滑等原因引起的线速度误差。PLC将两部分数据运算后，修正变频器的速度，使牵引系统及时地将连铸出来的铜杆牵引到绕盘部分。 由于SPB系列可编程控制器具有bbbb-DATA的数据传递功能，能够实现每一个处于RS485通讯网络中的可编程控制器之间的数据共享，可以大大减少工程技术人员编制通讯程序的时间，极大地提高了编程效率。即使2套独立的上引机构有不同的连铸速度，也可以通过实时的数据传送到牵引部分的PLC，使之及时调整变频器的牵引速度。 而且，SPB系列可编程控制器的A/D模块的转换精度达到14位（16000/10V）的高分辨率，即使每一根铜杆的线速度有微量的速度变化，都能通过高分辨率的A/D模块敏锐地捕捉到，使PLC能够迅速修正。
2．铜杆卷绕部分： 铜杆卷绕部分是整个系统的难点：没有任何其他的传感器等电信号，仅仅依靠控制前文提到的卷绕变频器，就要将铜杆绕成一圈圈均匀排列好的由外往里或由里往外的渐开线状的盘型，循环往复后逐渐堆成圆柱型的一大卷。由于铜材本身就有一定的硬度，除了牵引轮、导向轮、转动的绕盘外再也没有其他机械机构，同时客户还提出要求，要通过触摸屏设定绕盘的内、外径尺寸。
首先，我们运用高等数学的理论建立数学模型，进行精确的数学计算。SPB系列的可编程控制器具有强大的浮点运算功能，使我们顺利地将高等数学的运算公式转换成可编程控制器的运算公式，很好地实现了绕盘的控制。 其次为了节约成本，我们通过利用可编程控制器的48个输出点，加上我们自己编制的**程序实现了精确到0.1Hz的调频，顺利实现了对24个变频器的调速控制，省掉了24路D/A的转换，极大地降低了成本。 我们经过调试和精简PLC指令，顺利地完成了卷绕部分的工作，达到了客户的要求。 总结： 值得一提的是，在项目中，出于成本控制的考虑，往往不配置与触摸屏连接的RS232通讯模块，但是触摸屏又已经占据了编程口，给现场调试中进行在线监控带来了困难。这时，我们把计算机直接接到富士PLC的编程口，调试时取代触摸屏，从电脑把数据输入到PLC的数据寄存器，将PLC内的辅助继电器地址强行置位，而且置位后的数据立即参与运算，实现了在线监控。这种直接输入的功能，令调试变得更直接、更便利。 以前，在上引连铸设备领域，国内只生产机械式的低档设备，产量低，不能满足客户的产量要求；而高档设备都依赖进口，其高昂的价格令国内众多企业驻足不前。我们的电控系统开发成功后，性能不逊于进口设备，使得国产设备的性能明显提升了一个台阶。而且由于我们采用了富士触摸屏、PLC产品，使得操作界面友善、维护便利、价格低廉，使得设备获得了市场的一致认可，短时间内就基本取代了进口设备。 我们的电控系统在2年的实际应用中，经受了恶劣环境的考验，系统运作稳定可靠。生产出的铜杆产品质量优良，即使是由废铜原料生产的铜杆也可以拉丝成直径0.08mm的导线，获得了客户的**。目前，这种设备已经进入批量生产，**、越南、泰国、印尼等东南亚国家。
**章：概述1. 需求与市场
(1)市场需求
目前国内对自动化产品(电器、仪表、驱动装置等)提出Profibus通信功能要求，来自：
① 国外生产设备及技术的成套引进，如汽车制造、冶金、电力、制药、、水泥、交通（机场、地铁、铁路）等行业。从欧洲引进的成套设备通常采用Profibus现场总线。如果制造厂家产品市场扩大，可能会需要增加生产设备。由于制造厂家具备了一定的成套生产设备使用、维护经验，因此，扩建时通常考虑参照国外引进设备国内集成的方案。为此，对国内配套产品提出现场总线PROFIBUS技术要求。
② 国内自动化系统厂家比较成功的、面向行业的控制系统，如变配电自动化系统、冶金行业的自动化设备等，要求系统技术向现场总线技术发展；同时也要求现场设备向智能化、网络化方向发展（MCC、马达启动器、变频器、温度巡检、回路调节器……………..）。
总之：现场总线技术的应用发展，对国产现有现场设备及仪表提出新的要求。由于现场总线技术的开放性，为国产现场设备及仪表提供新的市场机会。
（2）目前市场状况
基于Profibus的控制系统: 主要是国外产品； SEIMENS、ABB；
Profibus主控制器：要是国外产品； SEIMENS、ABB；
基于PC的Profibus主控制器：目前有几十家；主要是国外产品；
Profibus现场设备及仪表：200多家，2000多种产品，主要是国外产品；
在近5年内，国产现场总线技术产品主要机会在现场设备及仪表领域。
主要产品可能是：
① 与电力、驱动有关的产品：MCC、PCC、交直流驱动等。
②传感器类：压力、温度、流量仪表；质量测量、称重、水份、湿度测量等。
③**控制设备及分布式控制系统：车辆、印刷机械、食品生产………….
④现场总线I/O：与**系统配套（如楼宇控制、印染设备、食品加工………）、具有特殊品质（防爆、高防护等级、可接受RTD、mV、高压、大电流信号等）。
2、国内开发现状
① CAN总线产品较多。
② LONWORK总线产品用于楼宇控制较多，在工业控制领域不是主流。
③ Profibus产品开发：有成熟的解决方案。
◆已有一些产品，但没有形成规模。
◆开发中的产品不下几十种。
④ FF产品开发：目前还处在实验室阶段。没有成熟的解决方案。
3. 技术经济
Profibus从站产品，一个站点增加成本: 300~500元。
问题：一台智能现场设备或仪表增加现场总线功能，能否消化增加的300~500元成本？
① 制造厂商自己消化：从扩大市场销售等连带效益中得到补偿；
② 提高产品售价：增加Profibus功能后，客户能接受多大幅度的价格上涨？主要因素是原产品售价：
对于售价2000元设备, 如果价格增加500元（Profibus成本），上涨25%；这可能是一个临界点；
4. 技术基础
国内厂家自主开发Profibus产品，有多少技术资源可以利用。
① 单片机+软件实现Profibus协议；
② 使用Profibus通信芯片、开发包；
③ 使用嵌入式Profibus接口；
第二章：解决方案概述及比较
1、单片机+软件的解决方案
（1）实现方法：
A、单片机+UART
B、由软件实现链路层协议
（2）技术局限性
A、波特率
单片机UART波特率= f / 32 / (65536-T)、 或f / 16 / (65536-T)
（单片机主频）f=波特率×32× (65536-T); 波特率=12M, T=65535;
单片机主频 f=384M！！
（单片机主频）
f=波特率×16 ×(65536-T); 波特率=12M, T=65535;
单片机主频 f=92M！！
如果
单片机主频 f=24M, T=65535;
Profibus波特率max= f / 32 / (65536-T)=750K
Profibus波特率max= f / 16 / (65536-T)=1.5M
实际上做不到750K或1.5M，因为：Profibus通信定时值：
字符间隔时间：Profibus在帧的UART字符之间不允许有空闲时间。
TSDR：较大TSDR
Min_Slave_Intervall：较小从站间隔时间。
B、波特率自适应：单片机软件实现波特率自适应比较难。
C、测试：单片机实现Profibus协议方案，使产品测试认证过程复杂。产品不测试。
（3）开发者基础知识
开发者必须了解协议相关内容细节！
（4）方案优劣比较
优点：产品
缺点：
A、开发周期长；
B、要求开发人员透彻了解Profibus技术细节；
C、开发产品技术指标低；
2、使用Profibus通信**ASIC
（1）实现方法
①芯片：SPM2、LSPM2、SPC3、SPC4、DPC31、ASPC2
②单片机+Firmware软件：有些芯片如SPC3、SPC4、DPC31、ASPC2需要外接单片机，并需要在单片机中编程（Firmware软件）。
③对有写芯片如SPM2、LSPM2，不需要外接单片机，但功能有限。
（2）技术局限性
A、取决于芯片的选择
B、取决于Firmware
C、取决于带光隔的RS-485驱动
可实现：Profibus-DP、-PA、主/从、9.6K-12M
（3）开发者的工作和必要的技术基础
开发者的工作：
A、电路设计制作；
B、 Firmware编程，单片机与ASIC的结合；
C、编写GSD文件；
D、调试。
必要的技术基础：
A、Profibus协议相关内容，特别是基本概念、技术术语。开发者是协议的应用者。
B、ASIC芯片的技术内容；
C、GSD文件；
D、选择可选功能时，如：同步、锁存、安全模式、用户外部诊断、用户参数化报文等，需要对功能的概念、要求有细致了解，并通过Firmware实现；
E、能够搭建一个调试与测试平台，需要Profibus系统配置有关技术基础。
（4）方案优劣比较
优点：
A、产品成本较低；
B、技术指标高；
C、自主性高；
缺点：
A、开发周期长；一般需要6~8个月；
B、要求开发人员了解一定的Profibus技术细节；
C、根据国外Profibus产品测试实验室统计：60~70%的**开发产品**次认证测试不合格；产品成熟需要较长时间；
3、 应用嵌入式Profibus总线桥技术的解决方案
应用嵌入式Profibus接口开发PROFIBUS产品有完整的解决方案。
（1） 实现方法
A、使用嵌入式Profibus接口；
B、按照接插件和管脚定义，改产品电路板(可能涉及结构的调整)
C、将用户样板源程序，连接到用户产品软件中；
D、按照一个推荐的调试系统和GSD文件调试产品；
不成功：接口厂家的产品技术支持。
（2）技术局限性
仅取决于选择使用嵌入式Profibus接口型号。
（3）开发者的工作和必要的技术基础
开发者的工作：
A、 按照接插件和管脚定义，改产品电路板(可能涉及结构的调整)；
B、将用户样板源程序，连接到用户产品软件中；
C、按照一个推荐的调试系统和GSD文件调试产品。
必要的技术基础：
A、有单片机产品开发经验。
B、有Profibus产品应用经验。
(4)方案优劣比较
优点：
A、开发人员不必了解Profibus技术细节；
B、开发; 一般不超过1个月。
C、技术指标高；技术升级快;
D、拥有产品的自主知识产权;
E、产品符合技术标准，测试；
缺点：
A、产品结构
B、成本
4. 比较与推荐
（1）单片机方案
特点：产品、产品技术指标低、周期长、开发技术要求高；
适用范围：适合研究、学习现场总线Profibus技术的学生、教师、研究人员；开发目标不在产品化、而是技术研究与教学。
（2）**ASIC方案
特点：开发技术要求较高、开发周期较长、产品成本较低、开发成本较高。
适用范围：Profibus产品市场批量大、技术资金雄厚的大企业
（3）嵌入式PROFUBUS接口方案
特点：开发、开发、产品技术指标高、开发技术要求不高。
适用范围：
（1）专一制造现场设备、仪表的企业；现场总线技术产品可以带来新的市场和利润；
（2）企业没有现场总线技术开发基础；
（3）产品将走多种总线的技术道路；
（4）要求开发、开发费用低、技术成熟快、推向市场的企业需求。
中国现场总线Profibus技术资格中心(CPCC)
二次滤网是一种自动过滤污水的装置，可以强力污水中的杂物，适用于火力或水力发电机组循环冷却水的过滤和其它工业循环冷却水的过滤，尤其是对一些以江、河、湖水为一次循环直供的厂家，其排污的效果更为明显。该设备具有结构合理、性能先进、自动化程度高、经济实用等优点。
1 二次滤网的工作原理
二次滤网的工作原理主要分为压差排污和时间排污两种情况。
**种是压差排污，即根据压差的大小进行排污。二次滤网接入管道系统后，污水由下部进水口进入滤水器，过滤杂物后，水从出水口流出。当水中杂物通过网芯时，由于杂物的体积大于网芯孔的尺寸，从而被聚集在网芯的内侧表面上。当杂物聚积到一定的数量时，由于截流口的减压作用，从而造成进水口和出水口之间产生一定的压力差。当滤网进口压力表和出口压力表的水压差值增大到规定数值时，设备自动清洗排污。排污时，控制机构自动打开排污阀，水流对于附着在网芯的内侧表面上的杂物进行反向冲洗，经由排污管路和排污阀门排入冷却水的出水管中，将其排出滤网。当压力差值恢复到正常时，控制机构自动关闭排污阀，从而完成过滤排污的工作过程。
第二种是时间排污，即根据时间的长短进行排污。清洗排污的时间间隔可以自由设定。在设定的清洗排污时间，控制机构自动打开排污阀，进行清洗排污。
2 PLC选型与I/O点分配
根据二次滤网的工艺要求，PLC控制系统需要有一定电流容量的开关量输出点来控制主电机和排污阀门。要求PLC能够和上位操作界面进行通讯，在上位操作界面中实现对变量的监控和修改。要求能够对现场的压差信号进行采集，供CPU或上位操作屏幕显示。
根据统计，PLC控制系统的I/O点共有14个，其中开关量输入点8个，开关量输出点5个，模拟量输入点1个，没有模拟量输出点。根据输入和输出的要求，选用和利时HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。该CPU模块的性能价格比很高，广泛用于工业控制的各个领域。对于现场模拟量的采集，选用4通道模拟量输入模块LM3310，该模块具有如下优点：
•采样精度高，常温下的满量程误差为0.2%。
•响应速度快，4个通道完成一次采样的时间为20ms。
•信号范围广，可以接收0~20mA电流信号、4~20mA电流信号和0~10V电压信号。
PLC的人机界面选用HITECH触摸屏。这些配置完**够满足系统的要求。本系统的I/O点数分配如表1所示。
表1 PLC控制系统的I/O点分配
3 PLC控制系统软件设计
二次滤网过滤杂物后，滤芯脏污，水阻增大。当差压变送器输出值达到预设值A时，PLC得到差压变送器的信号，自动打开排污阀门进行自动排污。将杂物排出滤网后，当压差降到预设值B时，PLC自动关闭排污阀门。如果压差没有下降，反而继续增加达到预设值C时，则PLC发出报警信号，同时停止执行电机，关闭排污阀门。之后应当进行检修，取出滤芯，进行清理或更换。PLC程序采用和利时的编程软件PowerPro完成，程序流程图如图3所示。
4 结论
采用和利时HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC作为控制核心的二次滤网，可以广泛应用于电站、化工、印染、造纸等各种行业的供用水管道。通过PLC控制，可以自动启动排污阀门进行冲洗，具有清污效果强、排污耗水量少、运行等优点。
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