西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8技术支持

西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8技术支持

1  引言
      设备在启停和运行过程中发生危机设备和人身的故障时,自动采取保护和联锁,防止事故的产生和避免事故扩大,从而保证正常启停和运行,具有其重要的意义。通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视,发生异常时,即使发出报警信号,必要时自动启动或者切除某些设备或者系统,维持原负荷运行或减负荷运行直至退出运行。
      对于发电机组,一般旧的系统使用中只有手动操作方式,难以实现远程监控,给操作人员带来一定的麻烦与危险,也造成出现报警或危险等情况不能及时处理的现象。升压站多为人工抄表,事故报警信号不能远传,有人值守,而且发生报警后,由于数据信号较多,很难及时、准确的判断出事故的原因,影响事故的处理速度。当发生重大事故而危及机组设备时,不能停止机组(或一部分)运行,使事故进一步扩大,造成严重后果,所以需要使用PLC灵活的逻辑监控能力对升压站进行改造。
      出于系统的要求的高性,使用冗余系统技术。本项目选用西门子S7-300系列PLC软冗余来达到降的目的。

2  控制系统构成
2.1  系统冗余原理配置
      软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时,A系统为主,B系统为备用,当主系统A中的任何一个组件出错,控制任务会自动切换到备用系统B当中执行,这时,B系统为主,A系统为备用,这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中,即使没有任何组件出错,操作人员也可以通过设定控制字,实现手动的主备系统切换,这种手动切换过程,对于控制系统的软硬件调整、换、扩容非常有用,即Altering Configuration and Application Program in RUN Mode。
      根据保护系统所需的输入输出点数、节点容量、系统功能等要求,使用两个西门子CPU315-2DP做软冗余CPU,使用CP5611连接上位机与PLC,上位机使用WINCC做HMI人机界面。
      两块CPU之间使用CP342-5进行实时的数据交换,通过ET200M扩展从站。特别应当注意的是软冗余系统应当使用有源总线模板的导轨及有源总线模板。
2.2  网络结构原理配置
网络组态图如图1所示。网络结构中包括了4条链路:
(1) 用于上位机编程和监控的MPI链路;(2) A站与ET200从站Master Line PROFIBUS链路;(3) B站与ET200从站Reserve Line PROFIBUS链路;(4) A站和B站之间进行数据同步的Synchronization Line PROFIBUS链路。

1  引言   
      随着煤矿近年来现代化的管理水平提高，信息化建设的步伐也不断加快。为煤炭的生产、提高全矿的生产效益，保证排水系统、稳定、合理的运行。某采区泵房是主要采区泵房，担负着几个采区每小时300m3的排水任务，及时发现水泵运行系统中存在的隐患，对水泵实行数字化监控水泵的运行，同时监控泵房水仓的水位，为矿各级和职能管理部门及时准确地掌握水泵实时运行状态，对采区泵房水泵建立一套水泵监控系统十分必要。
2  系统的主要组成部分和实现的功能
      泵房共有4台型号为200D43X8的多级泵，每台轴功率为334kW，扬程为344m，流量为280立方米/小时，转速为1480rpm，配套电机功率为500kW，供电电压为6000V;4台真空泵，用于水泵启动是抽真空用(自动灌引水)，限真空为8000Pa，流量:3m3/min，转速为1450rpm，功率5.5kW，配套电机功率为5.5kW，转速1440rpm。
系统主要设备组成如图1所示。

图1     系统主要设备
2.1  PLC隔爆控制箱 
本系统选用西门子公司的S7-300型可编程控制器。
      S7-300是模块化的中小型PLC，采用模块式结构,它具有系统容量大、扩充方便、各种功能模块齐全、指令功能强、高速、坚固、通信能力强、操作方便等特点,特别适合于工业环境及电气干扰环境。本系统PLC由电源模块、处理单元CPU313C-2DP、以太网通信模块CP343-1、模拟量输入模块SM331、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322等组成。PLC自动检测水位信号，根据水位的不同位置，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行，并根据排水压力和流量、电流、电压、振动、温度等信息判断水泵、电机等运行是否正常。
2.2  高压开关微机保护单元
      高压开关采用GSB-2型综合保护装置，该装置以DSP芯片TMS320F240为CPU，采用交流采样直接测量电网二次测交流信号,具有遥测、遥信、遥控功能，配置的人机接口，可远程设置综合保护整定参数，LED数码管实时显示监测的电压、电流、有功功率、功率因数和电度参数，指示灯实时显示运行状态、分闸状态、故障状态等信息。
2.3  地面监控站
      选用研华IPC610计算机，并配以上位机组态软件，动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能，并可实现遥测、遥控功能。并配置一台UPS电源，以保证系统的连续运行。
2.4  变送器
      将现场实时参数转化为可以采集的电信号。在本系统中设置有液位、温度、振动、电量、流量和压力等变送器。
2.5  通讯网络
      个通讯网络:PLC与人机界面间的通讯。通讯采用MPI方式，速率为:187.5kbps两者可以周期性的交换少量的数据，在本系统中该通讯完成将PLC中处理后的现场的各种运行数据送就地人机界面显示，同时可以将人机界面输入的控制命令送到PLC，控制设备的运行。
      二个通讯网络:由于现场接线比较多，将控制箱分为主控制箱与分控制箱(ET200远程终端)，两者采用Prifobus总线通讯。PROFIBUS是为全集成自动化定制的开放的现场总线系统，他将现场设备连接到控制装置，并保证在各个部件之间的高速通信，从I/O传送信号到PLC的CPU模块只需毫秒级的时间。
      三个通讯网络:PLC与矿调度室间通讯。在PLC上扩展一个工业以太网模块CP343-1，并在监控计算机上安装通讯卡，如CP5613等。两者连接可组成一个比较简单的工业以太网。在本系统中该通讯完成将现场的设备状态、运行数据、故障信息等所有设备信息参数通过矿信息化的千兆以太网送到总调度室上位机，同时将上位机的控制指令送PLC。
2.6  其它执行元件
电动阀门、电磁阀、急停开关、按钮等。

3  软件设计
本系统的软件主要由2大部分组成:上位机软件和现场PLC软件。
3.1  上位机软件设计
      上位机软件选用西门子公司的组态软件—Wincc6.0版，该组态软件运行于bbbbbbs环境，结合了西门子在自动化领域的技术和微软公司的软件技术，为我们提供了一种、开放的组态开发环境。在本系统中它完成实时数据处理、显示并定时记录泵房控制PLC和高压开关微机保护装置的数据，并能够自动生成运行参数的日报表、月报表和年报表;当现场设备有动作或出现故障时能够自动弹出报警画面并语音提示，给值班人员警示。允许远程控制操作时，在紧急情况下值班人员可以用自己的操作密码远程控制各水泵的运行。
3.2  下位机软件设计
      下位机软件设计主要为PLC软件的设计,在本系统中为重要软件设计部分。该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.2编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一，方便WINCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一。程序主要分为:通讯子程序、水泵控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。其中水泵启停子程序简要流程如图2所示:

  引言
      引黄涵闸的流量测量对于灌区的清淤、水量调度以及水费的征收有着十分重要的意义，因此黄河下游各个引黄闸都有测流系统，但大多是手动在现场操作，然后通过人工计算。本设计利用西门子的PLC实现自动控制并在上位机上自动计算。
2  测流系统的构成
      自动化测流控制系统主要包括以下设备:缆道、缆道电机、测流铅鱼、PLC控制系统以及测流视频系统等。测流房牵引机构和测流铅鱼如图1所示，系统结构如图2所示。

图1     测流房牵引机构和测流铅鱼

图2     系统结构图

3  测流系统设计
3.1  信号的
(1) 行程脉冲信号
      主要是用来检测测流铅鱼的水平和垂直运行距离，通过此距离来计算河面宽度和水深，方法是在牵引铅鱼的钢丝绳缆道电机传动轴上安装水平和垂直旋转编码器，通过计数编码器脉冲达到测量距离的目的。
(2) 水面水底信号和流速信号
     水面水底信号和流速信号的测量有一定的技巧。此信号通过测流铅鱼，铅鱼底部安装触底托板，铅鱼从空中触及水面和河底后都会发出脉冲信号。铅鱼头部安装测速仪，铅鱼到达水中后，测速仪转动，发出脉冲信号。而测流铅鱼是随钢丝绳缆道一起运动的，为了获得信号而又不拖信号电缆，采用了如下方法:在铅鱼垂直钢丝绳缆道上捆绑两节干电池，正信号接至钢丝绳缆道，串接点接至铅鱼，通过铅鱼脉冲开关进入水中。PLC连接此信号时，一根从水中引出，一根从电机底座(钢丝绳缆道连接电机底座)引出，两根信号正反接可分别获得流速和水面水底信号。由于两个信号来自于一根信号线，只是通过正负来区分，为了能接入PLC，通过光耦进行了信号转换和隔离，光耦输出端接到PLC的COM端和信号端，如图3所示。

图3     信号连接图

(3) 水面深度和流速的测量
      在铅鱼下降过程中，当PLC收到个水面/水底信号时，负责计深度脉冲(即垂直电机产生的脉冲)的计数器启动，当PLC收到二个水面/水底信号时，该计数器停止计数，所得脉冲数传送到上位机处理转换成实际的深度值。
      在测量时，在测点处行深度测量，测量后的深度值会在上位机上显示，若深度小于1.5m，在铅鱼上升时，操作人员可在约深度值60%处停下铅鱼进行流速测量，若深度大于1.5m，在铅鱼上升时，操作人员可在约深度值20%和80%处停下铅鱼进行流速测量。
      流速的信号来源在铅鱼尾部的一个螺旋桨上，该螺旋桨每旋转20圈，发送一个脉冲给PLC，因此在测点铅鱼停下时，PLC中的测速计数器开始启动计数，同时定时器也启动，当测速完成时，即100s后，测速计数器停止计数，若该点为一点测速，则所得脉冲数即为该点脉冲数，若该点为两点测量，则两次测的脉冲数的算术平均为该点的脉冲数。若这是一个合格的测程，所得脉冲数存储到PLC，若这是一个不合格的测程，即测速时间少与100s，或当需两点测量时，只测了一点，则计数器脉冲数不存储到PLC。PLC中存储的脉冲数转换成实际的流速值送往上位机处理和显示。
3.2  PLC控制设计
      本系统由一台SIEMENS S7-200PLC(CPU型号为226/AC/DC/继电器)和两台SANKEN变频器组成。根据PLC的输出信号，由变频器实现电机的控制;PLC的输出指令由上位机给定。测得的数据(水深和流速)分别传送到上位机。上位机将得到的数据处理得到流量值。
(1) PLC的输入输出信号共18个，具体分配如下
I0.0 水平位移信号(水平电机脉冲);
I0.1 测到水面/水底/流速信号
I0.2 垂直位移信号(垂直电机脉冲);
I0.5 西摄象头被盗信号
I0.6 东摄象头被盗信号;
I0.7 中间摄象头被盗信号
I1.0 铅鱼被盗信号;
I1.5 前进按扭;
I1.6 下降按扭;
I1.7 上升按扭
I2.0 后退按扭;
I2.1 水平停止按扭;
I2.2 垂直停止按扭;
I2.3 现场/上位机转换开关
I2.4 总停按扭;
I2.5 水平控制变频器故障信号;
I2.6垂直变频器故障信号
(2) 输出信号共14个，分成3组
●组:Q0.0到Q0.3，这4个输出点连接4个24V直流继电器(C1到C4)，继电器的常开触点连接变频器，实现两台电机的正反转，同时继电器的触点还连接到控制台上的电机运动状态指示灯(即前进，后退，上升，下降);
●二组:Q0.4到Q0.7，其中Q0.4和Q0.5连接两个指示灯，分别为现场/上位转换和总停，Q0.6和Q0.7连接两个220V交流继电器(C5和C6)，这两个继电器的触点连接报警指示灯(带蜂鸣器);
●三组:Q1.1到Q1.6,为无源触点，直接连接到变频器，对电机进行速度控制。
(3) 输出信号具体分配如下
Q0.0 前进;
Q0.1 后退;
Q0.2 上升;
Q0.3 下降;
Q0.4 现场/上位机指示灯;
Q0.5 总停指示灯;
Q0.6 外部报警信号指示灯;
Q0.7 变频器报警信号指示灯;
Q1.1 变频器水平高速;
Q1.2 变频器水平中速;
Q1.3 变频器水平低速;
Q1.4 变频器垂直高速;
Q1.5 变频器垂直中速;
Q1.6 变频器垂直低速。

4  上位机
      上位机以Simatic WinCC为SA软件，和S7200通讯，实现测流自动控制。上位机同时装有视频系统软件，以便实施监视测流设备的运转情况。
5  结束语
      系统投入运行后，系统稳定。不但实现了在控制室自动测流，提高了测流的准确性，而且大大节约了劳动力，减轻了工作人员的劳动强度。运行三年多来效果显著，是引黄闸的理想的测流控制系统。

3 系统的控制网络组成
      要想组成PROFIBUS网络，有两个条件。主站的网络组态工具和从站的GSD文件，两者缺一不可。主站的网络组态工具是一个网络组态软件，用来将各个站组成网络，设置网络参数和站的参数，并将已设置好的网络组态传送给主站。GSD文件称为设备数据库文件。对一种设备类型的特征GSD文件以一种准确定义的格式给出其而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。
      在组网时，先把你所须的从站的GSD文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工具里就有了你所须的从站的选项。用网络组态工具建一个你所需要的网络，并设置网络参数，然后在网络上添加你所须的站，并设置站的参数，后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个PROFIBUS网络。本控制系统结构图如图1所示。
      系统选用ABB公司ACS800直接转矩控制（DTC）变频器，以PLC为控制， PLC通过PROFIBUS-DP现场总线与变频器构成DCS控制系统。PLC与上位机、现场触摸屏、变频器实行PROFIBUS高速通讯。
传动部下位控制为西门子S7-400 PLC，在PROFIBUS现场总线上S7-400 PLC是主站，选用CPU414-2 DP，有强大的通讯功能，自身带有一个PROFIBUS-DP接口，可与变频器及操作现场触摸屏采用PROFIBUS-DP总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能。PLC接受上位机优化控制指令，可以根据纸张生产品种自动调节各分部速度以适应生产需求。同时PLC将各分部运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。
图中VVVF为ABB变频器、、OP1-OP8为操作台、PG为脉冲编码器、M为传动电机
      整个系统全部实现全数字化操作控制，通过PROFIBUS现场总线通讯完成，简化了系统结构，提高系统的抗干扰能力。整个系统采用PROFIBUS现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输。系统中不在有整束的电缆，也省去了成千上万个线路接点。大大提高系统的性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化。杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。

图1 控制系统结构图
3.1 PLC主要完成功能
（1）、现场控制信号的采集，PLC通过PROFIBUS现场总线检测现场操作台操作信号。
（2）、速度链的控制及计算，PLC根据工艺要求完成速度链的控制处理。调节级速度时后一级紧随级的速度变化。调节后一级的速度时级速度不变。
（3）、速度控制的执行。PLC接受上位机控制指令，通过上位机操作，PLC可以根据纸张生产品种自动调节车速、分部变比以适应生产需求，并通过PROFIBUS现场总线控制各分部变频器的运行速度。
（4）、自动负荷分配控制功能，对与负荷分配点，PLC要完成负荷分配运算及控制。
（5）、PLC与触摸屏实行PROFIBUS现场总线高速通讯，将传动各分部点工作状态实时在触摸屏显示出来；并接受触摸屏上的操作指令，控制各传动执行相应的动作。
3.2 人机工程
      本系统配有触摸屏8台，设立在控制现场，触摸屏上设有功能键、操作图形显示及设定值与实际值的显示等。还有变频器的运行状态及故障显示。可以对各传动点实现全部控制功能，具体控制功能如下：
（1） 起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。
（2） 爬行/运行：用于低速调试检修、正常抄纸切换。
（3） 单动/连动：对于要求负荷分配各传动点的单动/连动控制。
（4） 紧急停车：紧急停车功能。当纸机运行过程中出现意外事故，威胁到设备及人身时才可使用。
（5） 速度微增：用于本传动点的速度微调。
（6） 速度微减：用于本传动点的速度微调。
（7） 紧纸： 用于本传动点的紧纸调节。
（8） 松纸： 用于本传动点的松纸调节。
（9） 负荷分配功能：负荷分配点自动实现分配。
3.3 监测功能
(1） 变频器运行、故障状态显示。
(2） 电机的电流、转矩、分部线速度显示。
      本系统所用的主站是西门子的PLC,从站是ABB的变频器。所以网络组态工具用西门子的STEP7软件内集成的网络组态工具进行组态,组态好后就可以编写控制程序了,从站的地址在主站的程序中可以直接使用,这样通过程序主站就可以对从站进行操作了。网络的通信自动运行,不需要控制程序参与。4 系统的软件设计与功能实现
4.1控制系统的软件设计原则
(1)程序模块化结构化设计，其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;
(2)程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率;
（3）采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;
（4）必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器，只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可，满足纸机运行的需要。主程序流程图如图2所示。

4.2 速度链设计及速差控制
      速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。对各传动点位置进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器数值。如图3所示。
      该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。
      算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内，我们通过通信到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给驱网、吸移、真压、一压分部，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个的齿轮变速箱，可以任意无级调速。
      若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图4来体现，由PLC软件实现。

图4 纸机速度链结构图
4.3 负荷分配的设计
负荷分配分三部分(如图五虚线范围内部分)。1）驱网辊与伏辊; 2）吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊; 3）施胶上辊与施胶下辊。
      负荷分配的软件实现，基于合理的速度链结构,如图5所示。采用主链与子链相结合的结构，使具有负荷分配的传动点组在子链结构上，进行负荷动态调整时不影响其它传动点的状态。
      在纸机传动系统中，因为在械相联系的传动点由于所处位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量,实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率，进行读取计算、调节。在一组负荷分配传动点中选取包角较大且功率较大的传动点作为主点，其余各点利用PLC通过总线读取电机电流或转矩，分别与主点电流或转矩进行比较，并以PID调节算法，相应调节从点变频器的输出，使其电流或转矩百分比与主点一致，而达到负荷分配的自动分配的目的。 
      为了保护机械装置和避免PLC调节过于频繁，在软件中设置上下限幅值。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整。如负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。如果大于不平衡上限幅值，进行停机处理，以防止机械损害发生。
5 结束语
      基于西门子公司PROFIBUS-DP协议的S7-400PLC纸机电气传动三级控制系统，较理想地实现了对该纸机的控制，纸机的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、性都得到了用户的认可和赞许。纸机（为幅宽4200/450,工作车速为550m/min的纸机）在河北香河银象纸业稳定运行已近二年。实践证明，该结构控制方式可应用于大型、高速纸机的电气传动控制。