西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8原装库存

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1、引言

    可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。

    工业年月机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。由于PLC对现场进实时监控具有很高的可靠性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视。

2、控制系统可靠性降低的主要原因

    虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。

    影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：

1)造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；

2)机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制；

3)现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。

    影响执行机构出错的主要原因有：

1)控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；

2)控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；

3)各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。

3、设计完善的故障报警系统

    在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。

4、输入信号可靠性研究

    要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。

    在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图2b 程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉较大和较小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。

    提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。

5、执行机构可靠性研究

    当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。

    X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮。

    当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图3b 所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。

6、结论

    我们在胜利油田胜利采油厂胜砣注聚站自动控制系统设计中采用了以上方法，经过近2年的运行证明这些方法的采用对提高系统可靠性运行是行之有效的。

2、控制系统软件设计
    2.1控制程序结构

    S7-300系列PLC的编程语言是STEP7。STEP7用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，则可以提供调用语句，将它们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。

    在系统中，复卷机的控制程序主要由组织块OB、系统功能SFC、功能FC和数据块DB等4中程序快组成。

    组织块OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序运行。不同的OB有不同的功能。设计中组织块有OB1、OB82、OB4、OB5、OB86、OB100、OB122。OB1是用作主表程序循环的，它用来设计主循环程序的结构。OB82是诊断中断程序，诊断接收来自有诊断能力的模块（如：模拟输入模块）。OB84是CPU硬件故障中断，OB85是**级错误中断，OB86是机架错误中断，OB87是通信错误中断。OB100属于启动组织块，是暖启动用的。OB122是访问错误组织块，属于故障处理组织块。

    系统还用到SFC14、SFC15这两个系统功能块。SFC14、SFC15是作为Profibus-DP通信用的系统功能块，SFC14是用来读取从站的信息数据，SFC15是PLC用来对从站发送数据的。它的应用是通过编制程序快FC时调用的。

    FC是自定义程序块，其中包括过程控制、数据处理、辅助设备控制、变频器控制和通信控制等模块。其程序结构如图2所示。

       数据块DB用来存放用户程序运行所需的大量数据或变量，它也是实现各程序块之间交换、传递和共享数据的重要途径。该设计有5个数据块，用来存放复卷机运行过程中的设备状态或工艺参数，例如：电机的运行、停止或故障指示数据（数字量），电机的速度、电流、纸幅的张力数据（模拟量）等。在编程阶段，要先用STEP7软件定义数据块，定义内容包括数据块号及块中的变量。

    2.2各程序块功能

    本着结构化的程序设计思想，PLC程序分成图2所示的几个功能模块，这些模块分别对应系统的某些控制功能，它们在功能的编程逻辑组合上既有一定的相对独立性，又可以供其他模块使用。辅助设备和工艺联锁控制模块FC1是简单的开关量控制，主要对复卷机的辅助设备（如：吹边风机、卸纸架电机、抱闸、退纸架电机和电磁阀等）的操作控制及指示灯逻辑控制，这个程序块采用梯形图编程。

    模拟量采集与处理模块FC2主要是对工艺过程中的模拟量参数进行采集、显示与存储。模拟量包括参数设置（如张力、速度给定等）和各种反馈信号（如电机的速度、电流和转矩）等，同时对采集量进行线性化处理，并转换成十进制数，对输入进行限幅、报警，对一些重要的域值进行标记。

    卷纸控制FC3主要实现纸长、卷径的控制功能，以便复卷机根据检验到的这两个值按纸长或卷径停车。变频器FC4主要对3台变频器进行控制，该模块接受外部输入指令（如速度给定），并把该指令输入到变频器中，以使变频器根据工艺要求控制电动机的运行。

    变频器通信程序块FC5主要用来调用系统功能块SFC14和SFC15，以便读出和写入变频器中的数据。

    过程控制模块FC6、FC7和FC8主要实现张力、负荷分配和压力控制。其中张力和负荷分配控制是由变频器完成的，PLC在这里只对相关的值进行采集、计算和简单的处理。如当进行张力控制时，该模块计算卷径和动态补偿转矩，然后把这些量提供给放卷辊电机的变频器，控制变频器按照设定的张力、自动输入的车速转换为电机的转速输入到变频器，或将转矩微调的给定送到变频器，使变频器控制前后两个底辊电机的出力情况。压纸辊压力控制包括压纸辊压力计算、纸卷半径计算等。

    2.3各功能模块之间接口设计

    如上所述，复卷机控制程序是由几个功能模块组成的，由于控制系统数据交换。有些功能模块之间又有许多联系，需要进行数据交换。因此，数据在程序中已经不仅仅是位的信息。而是以字节或字为单位的信息。数据量的扩大使原来的标志位不敷使用，所以使用数据块DB代表标志位的功能。在编程序时首先定义一个共享数据块，提高程序的代码效率，缩短代码长度。但是，现场必须对数据块进行很好的管理，防止对数据块的非法引用或修改。具体就是：明确数据块每个单元的作用；尽可能减少对数据块各个单元的修改入口，保持数据的清洁；对数据进行校验和保护，防止意外错误。

    该设计使用的数据块DB有：DB1模拟量数据使用；DB2计数器模板内部使用；DB3临时数据存储；DB10共享数据块（任何FB、FC、OB均可读写存放在共享数据块中的数据；DB11变频器相关数据。

    2.4、PLC与OP270之间的接口设计

    PLC与OP270之间除了通过Profibus-DP总线进行的电气连接外，更重要的是和数据上的联系。OP270是一个被动的显示器，它显示的一切数据和具有的控制功能都要通过PLC为其提供。在OP270中不用编写通信程序而只要简单组态连接参数就可以连接到PLC上。所以PLC只需对它们之间传送的数据进行优化即可。其内容为：数据的准备、显示格式的调整、控制逻辑的准备。对于OP而言，PLC内部所有的数据（包括所有数据块、输入、输出点、机器状态信息等）是透明的，也就是可以通过对OP的合理组态来获得PLC中的所有有用信息。但是考虑到这种方式所花费的代价和系统性能的损失，在PLC中将数据合理地组织，以便于检索，提高OP的效率，降低网络的通信负担，同时可以降低程序的调试时间，并可以减轻维护的负担。具体说数据的组织就是将通信的数据放入DB数据块中。

引言
    复卷机是一种重要的造纸生产机械，通常安装在紧接造纸机的后面，其车速应为纸机速度的2-3倍，一般为1500-1800m/min,较高达3000m/min以上，引纸时，要以较高车速的1：100运行。为保证在复卷过程中不断纸和松纸，必须保证纸幅的张力恒定；为保证成品纸内紧外松的品质，必须对前后底辊电机进行负荷分配控制，并对压纸辊进行压力控制。因此，复卷机对电气传动系统的主要性能要求是线速度长期稳定，速度可调且调速范围宽，具有快速响应的特点。

    传统复卷机的控制以直流传动为主，采用直流数字控制系统。由于直流电机换向器及电刷的原因，在稳定条件下，复卷机的设计车速只能达到1800m/min，数字式调节器的精确度仍限于较高速度的0.08%左右，满足不了高速纸机的配套要求。随着复卷机生产工艺和车速的不断提高，对复卷机生产过程进行实时控制和监测的要求也越来越高。为了减少复卷机生产现场与控制室之间的大量布线，提高信号的传输速度和质量，以PLC为控制单元，变频器为执行单元、OP操作面板为操作单元组成全数字现场总线复卷机交流传动控制系统已成为复卷机交流改造的有效途径。

    1．控制系统组成及硬件配置

    复卷机的传动系统可以分为两个部分，其一是卷取部分，另一个是放卷部分。放卷部分有1台放卷电机，卷取部分有2台卷取电机，这两组电机依靠纸幅张力联系在一起，如图1所示，具体说，放卷电机的作用是提供一个反向力矩，在放卷的过程中拉紧纸。吧卷取部分看为一个整体，则卷取电机用来克服放卷电机所提供的方向力矩，拉平纸幅并卷取纸卷。

    根据复卷机工艺要求，利用Profibus-DP总线组成如图1所示的复卷机三级控制系统结构图。系统控制以PLC为核心，3台6SE70变频器和人机界面OP挂在Profibus-DP总线上。Profibus-DP现场总线主要用于现场级的高速，解决自动控制系统（如PC、PLC等）通过高速串行总线与分散的现场设备（如远程I/O，变频器、电磁阀等）之间的通信任务。传动系统**级为变频器主要完成对前后底辊电机实现负荷分配控制，控制两电机的转矩按设定曲线运行，对放卷电机实现复合恒张力闭环控制；传动系统*二级为PLC控制系统，主要完成压纸辊压区压力控制和对整个复卷机的操作控制。传动系统*三级为上位优化控制系统，采用OP270作为上位机用于对整个复卷机传动点进行操作和监控。

    系统采用主从结构，PLC和OP270操作面板为主站，变频器、ET200M为从站。主站在总线上向从站发送数据并向从站索取数据，从站只有当主站发出请求时才能和主站进行数据交换。从站必须设置DP地址，区分各个从站。现场的传感器信号和各种控制信号接到临近远程ET200M上，并通过Profibus-DP总线与控制器PLC交换信息；退纸辊、前后底辊电机采用西门子矢量变频器调速，通过变频器实现对电机的实时控制。分散的现场备以Profibus-DP总线形式连接成可以相互沟通信息，共同完成控制任务的网络系统，形成控制功能彻底下方到现场的全分布网络集成式新型控制系统。

    为了满足一定的性价比，系统配置上采用了这样的解决方案：

    （1）PLC选用高性能的SIMATICSS7-300,CPU为315-2DP,带有两个Profibus-DP现场总线接口。它是该控制系统的一类主站，主要完成总线通信控制与管理。

    （2）OP270操作面板作为该系统二类主站，完成各站点的数据读写和故障诊断等。它是高性能液晶彩色操作面板，通过RS485口与Profibus-DP总线相连，全中文的擦破做界面方便工人的操作。

    (3)分布式I/OET-200M，它是一个模块化的Profibus-DPI/O从站，通过IM153接口模板连接Profibus-DP，负责信号采集和输出。根据复卷机控制要求，远程I/O需配置3个DI模板，3个DO模块，2个AI模块和2个AO模块。其寻址方式如同任何SIMATICS7-300CPU集中方式或扩展单元中I/O的寻址方式一样，即I/O模板可以直接用指令寻址或经过程映像来访问。

    （4）3台变频器均选用西门子公司的6SE70矢量变频器（全数字交流调速装置），通过CBP2（Profibus通信板）作为从站接入Profibus-DP现场总线上。6SE70变频器的矢量控制，可以提高复卷机的动态响应能力，克服由于加减速的变化引起的速度波动，保复卷器的张力恒定和速度的稳定性。6SE70变频器的自由功能块和BICO技术，可以实现灵活的组态设计，完成工艺复杂的控制要求。