西门子6ES7212-1BB23-0XB8产品

西门子6ES7212-1BB23-0XB8产品

0 引言
水电站溢洪门监控系统采用计算机监控的模式，实现闸门监控系统与电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统进行通信，上传电站闸门系统的详细监控信息并接受电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统对闸门的远控指令。

为保证电站运行过程的性，性，提高电站的自动化水平，控制系统采用目前广泛应用并良好效果的基于可编程逻辑控制器（PLC）的控制系统。其中PLC选用的是某公司的S7-400H及S7-300系列产品，以实现对弧形闸门以及其相关辅助设备的控制。

1 系统综述
溢洪门监控系统采用开放性的分层分布式系统结构，当系统中任何一部分设备发生故障时，系统整体以及系统内的其他设备仍能继续正常工作且功能不会额外减少。溢洪门监控系统在满足性和实用性的前提下体现性，采用成熟、、标准化的硬件、软件设备，满足响应速度快、性和可用、可维护性好以及、经济、灵活和便于扩充等要求。具有逐步向无人值班阶段过渡的良好基础和平台。

系统有以下特点：1）本系统高度、冗余，其本身的局部故障不影响现场设备的正常运行。2）系统为全分布、全开放系统，既便与功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资源和投资，分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统能适应功能的增加和规模的扩充，并能自诊断。3）实时性好、抗干扰能力强。4）人机接口界面友好，操作方便。5）监控系统自动或根据运行人员的命令，通过屏幕显示器实时显示电站主要系统的运行状态，有关运行水力参数，主要设备的操作流程，事故、故障报警信号及有关参数和画面。

2 系统组成
电站溢洪门监控系统设备由溢洪门主控级和现地控制设备层二部分组成。其网络结构如图1所示。

2.1闸门自动监控系统主控级
闸门主控级设备主要负责集中监视、集中控制、运行记录和指导、自诊断、培训及开发、通信等方面的功能实现。通过主控级这些功能达到集中控制溢洪门的各现地设备的目的。

主控级设备配置如下：溢洪门主控级计算机及外围设备；报置；网络设备；隔离装置；UPS电源；黑白喷墨式打印机；彩色激光打印机；监控系统所有设备之间所需的连接屏蔽电缆、光缆、适配器、光电转换器以及其他附件。主控制级上位机设备均采用。主控级计算机采用DELL工作站。网络交换机采用某INS-801以太网交换机，用于连接溢洪门LCU和主控级计算机。

主控级功能：自动监控系统能、准确有效地完成对被控对象的监控。主控级具有数据采集与处理，实时控制、参数设定、监视、记录、报表、运行参数计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充（包括硬件、软件）、运行管理和操作指导等功能。

2.2现地控制设备层
系统配置溢洪门LCU单元，LCU单元与溢洪门现地控制设备连接，将各现地控制柜采集的电机运行状态、故障报警、机械限位和闸门开度值等数据上送至上位机，进行监视。并下发上位机的集中控制命令，对闸门进行开启/关闭/停止控制。

溢洪门LCU单元PLC采用某S7-412H系列PLC和7.5″TFT彩色液晶触摸屏作为系统的控制器件，PLC含冗余电源、冗余 CPU，高度的系统稳定运行。溢洪门LCU单元功能有数据；自动采集各现地控制设备的实时数据。自动接收来自主控级的命令信息和数据。数据处理；控制和监视。操作人员可以通过LCU控制单元配置的触摸屏对监控对象进行控制。

2.3系统结构
闸门监控系统采用分层、分布开放式系统结构，数据库实行分布管理方式。分层控制系统具有以下的优点：1）是适合于电力系统结构的系统；2）易于保证自动化系统的性；3）可灵活地适应系统的扩大和变；4）可提高投资效率；5）能好地适应现代技术水平的发展[1]。系统结构按功能分布要求可分为两层：集中控制层和现地控制层。系统结构按主要设备配置状况可分为两级：集中控制级设备和现地控制级设备。

2.3.1系统设备层次
整个闸门计算机监控系统设备分现地控制级、集中控制级二层：现地控制级由各有关设备的现地控制柜和现地控制箱构成，完成设备的现地监控任务；集中控制级完成全厂闸门设备的实时信息处理、监视与控制任务，由主控级计算机、溢洪门LCU等构成；二个层次功能各有侧重，相互协调配合，完成电站闸门计算机监控系统的全部功能。

2.3.2网络层次
网络分电站控制网和外部通信网两层。电站控制网：主要连接现地控制层和集中控制层有关设备。与现场实时监控有关的信息主要由电站控制网传输，如LCU上行信息和控制命令等；外部通信网：主要连接外部系统；闸门监控系统采用星形以太网，集中控制级和现地控制级中的各计算机智能设备通过交换机进行相互连接实现数据通信，采用TCP／IP协议，传输介质光纤。

采用上述分层结构，使不同性质的信息分类在不同的网络通道上传输，避免相互之间的干扰，确保系统控制的实时性、性和性。对于溢洪门LCU与其它智能装置通信，则可根据具体需要和选择的设备情况，采用串行通信接口。

3 系统功能
整个闸门监控系统的功能分布在不同层次的不同设备之中，各设备的协调配合，完成全厂闸门监控功能。具体功能分布情况如下：
1）主控级计算机
系统主机主要负责运行档案管理、事故故障信号的分析处理、测点定义及限值存储、各类运行报表生成和储存、历史数据库的生成、转储、系统时钟管理等。作为操作员人机接口工作站则负责监视、控制及调节命令发出、报表打印等人机界面（MMI）功能。并兼备通讯计算机的功能，用于处理闸门监控系统与电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统等其它系统进行信息交换。
2）溢洪门LCU单元
主要负责各闸门的集中运行监视、数据采集、控制和调节等任务，通过计算机网络向集中控制设备上送各种信息和数据，接受集中控制设备下发的各种控制和调节指令并执行，并能单对闸门进行集中控制。
3）溢洪门现地控制箱
现地控制箱的操作立于PLC，可直接对闸门进行操作。闸门的现地控制箱内设有“现地/远方”选择开关，在“现地”位置时可进行一对一操作，且远方命令不起作用。通过功能的合理分布，确保系统各节点的负荷率满足设计的要求，当局部设备的故障时，不影响系统其余部分功能正常运行。

4 方案特点
本方案充分考虑设计的性、性和型，其主要器件均选择西门子进口产品，系统的使用寿命长将大大延长。

4.1冗余
溢洪门LCU单元选用某S7-400H系列PLC，PLC具备冗余电源、冗余CPU、冗余通讯模块，从而保证系统的性和程度[2]。

为了确保监控系统运行，监控系统主要环节采用各种有效的冗余措施，提高系统的性。主要冗余措施包括：1）溢洪门LCU单元PLC 采用某系列的S7-400H，PLC含双CPU、双电源模块、双通讯模块的冗余配置，冗余模件的工作方式为在线热备用，切换无扰动。两个CPU以热备用方式运行，确保系统的不间断运行。2）系统设备双网络（互为冗余），保网络系统的程度。3）现地控制柜配置冗余开关电源，在一块故障时另一块仍能够提供全部负载电源，提高供电性，确保系统地运行[3]。

4.2高性
系统器件、部件性能优越、通用性强；系统具备远方和现地操作、监控等功能：能对整个电站的启闭机进行单机操作、成组操作、选孔操作等；能接收电站监控系统、调度下发的开启、关闭闸门命令；能在电站监控系统、溢洪门监控系统、调度对整个溢洪门进行监视，能实是观察到各启闭机的运行状态及开度位置；系统运行参数设有出厂默认设定值，可根据现场的具体情况通过显示面板或远方通讯方式进行调整和设定；若系统出现故障，系统能发出声光报警信号，并通过现地显示面板显示和远方报警，以提示运行及维护人员；系统设有足裕量的I/O接口，用户可根据需要进行扩展，不需修改任何硬件；柜体采用全框架结构，内部结构可以根据要求随意进行组合；具械强度高、电气防护等级高、抗电磁干扰能力强。

5 结束语
溢洪门自动监控系统遵循、、成熟、适用的原则进行设计，满足电站“无人值班”（少人值守）的设计要求。对于任何一个技术、功能完善、监控的自动化控制系统，本项目方案都具有广泛的参考。

1、引言
随着的蓬勃发展，我国单位GDP能耗与欧美发达国家的差距越来越大，引起了的大的关注，十一五规划是将“建立全社会的可持续发展能效目标”和“向低能耗方向有效调整产业结构”作为重中之重。
目前相当多的整厂节能、路灯节能、楼宇节能采用调压节能的方式，矩形科技生产的V80节能PLC——V80-C18DRMA-LD正是为节能行业专门开发的PLC。

2、节能方案：
2.1、灯光节能器的原理如下：
电压会随用电的峰谷而波动，路灯在输入电压UMIN和大于UMAX时发光率会降低，线路损耗和灯具热耗等无功功耗会加大。引入路灯控制器，对路灯输入电压/电流进行检测，并对路灯的供给电源进行一个合理控制，从而使得能够的节省电能。
同时节能器还起到一个智能控制的功能，当天黑后能自动的把灯打开，并根据不同的策略进行路灯的分组开关。因为各个地方的经纬度不同，冬天和夏天的天黑时间也各不相同。因此要根据不同的地区设置不同的开关灯策略。
比方说黑龙江，在夏天在晚上7点左右开灯，而冬天在下午4点开灯，为了满足不同地区不同时段的不同策略，一般需要将全年分成24个以上的段，不同的时间段使用不同的开关灯策略。
一般路灯节能都希望能在远方对现场的数据进行监控，同时本地也需要各种参数的显示，便于用户的调试。目前采用的方式多是RTU或者GPRS DTU为主，其中后者相对而言在成本上低，在可用性方面也好。
2.2、整厂节能的实现方式与灯光节能原理上比较类似，只不过增加了对功率因数的补偿和监控；同时整厂节能对于节能前与节能后的能耗比也需要有计录和比较，比方说在节能前，全厂耗电为13万度/月，节能后全厂的耗电为10万度/月，同时功率因数也比之前升高了，这些都需要有相关的记录和分析，同时数据要能得到用户的认同。
2.3、变频节能，原理上是根据对电机转速的调整来达到节能的效果，如注塑机节能、空压机节能等。
针对灯光节能、整厂节能、变频节能的需求，矩形科技开发的C18DRMA-LDPLC把所有调压调速节能需要的功能都集成进来了。包括市电的电压、电流采集、调压节能器的控制、可选的多种远程通讯方式、实时时钟、本地的7段数码管显示和LCD显示可选、本地的轻触按键和PVC按键可选。同时C18DRMA-LD还保留了PLC原有的所有特性，包括强的抗干扰能力、梯形图可编程能力、各种标准的通信和IO接口、带掉电保持的RAM区等。

如上图所示PLC根据采集到的市电电压和不同的节能策略调节节能调压器的输出，同时可以通过GPRS的DTU上网，将现场的数据传给远方的上网的电脑，远方的监控电脑就可以对现场的策略进行控制和调整。

3、C18DRMA-LD的特点
3.1市电采集
大多数PLC的CPU模块本身带模拟量的相当少，而路灯节能需要的模拟量数量相当多，如果是中的节能控制通常需要7路模拟量，这造成了成本的上升。
C18DRMA-LD多可以采集7路模拟量信号，这样就可以满足大多数用户的需要，通常的节能控制器只需要2路模拟量信号，一路市电电压和一路电流信号，而在整厂节能和大型的路灯节能器需要采集3路电压和1路或者4路电流信号，这样C18DRMA-LD都可以轻松应付。
7模拟量输入信号的类型包括：±10V、±20mA、热电阻等
3.2功率因数计算
对于整厂节能，功率因数的测量是的，目前还没有那一家的PLC支持功率因数的换算，如果用单片机开发则会面临周期太长和精度太低的问题。
C18DRMA-LD的模拟量输入可以支持交流信号输入，同时AD转换速达300K，可以轻松的满足市电50HZ的功率因数计算，能同时计算三相市电的功率因数，并将数据上传供用户分析。
3.3实时时钟
大多数的节能厂商都采用立的实时时钟控制器，这造成了成本的上升和性的下降。

中粮屯河伊犁糖业有限公司是一家甜菜制糖企业，公司生产线上的关键工序都从德国引进了世界上、自动化程度的糖机设备。经过几年的使用、维护、维修、保养，我公司逐步掌握、消化并吸收的这些装备的技术性能，确保了公司日处理甜菜8000吨以上，各项经济技术指标居全国甜菜制糖行业的良好形势。这些糖机设备都采用了西门子S7系列的PLC控制系统，该系统运行稳定，数据，加之优化的程序设计，强大的通讯功能，使其成为了制糖工业中单机自动化的主控装置。

二、西门子PLC简介
德国西门子公司是世界上研制PLC早的少数几个公司之一。欧洲台PLC是由该公司在1973年研制成功的，1975年推出了SIMATIC S3系列PLC，1979年推出了SIMATIC S5系列，20世纪末又推出了SIMATIC S7系列的 PLC。
西门子公司目前新的PLC产品是SIMATIC M7、C7和S7三个系列。M7系列PLC是嵌入式的机，用于解决对时间要求非常高的的技术问题，它既可作为CPU，也可以作为功能模块使用，目前国内引进比较少；C7系列PLC往往在一个单元中集成一个PLC和一个控制操作面板（OP），由于PLC和OP同是SIMATIC系列产品，因此，C7控制系统的扩展也很容易，并可简便的在SIMATIC自动化网络中进行集成； S7系列又分为S7-200、S7-300、S7-400几个子系列，分别为小型、中型和大型PLC，这个系列的PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，性高，因此，应用广泛，遍布各行各业。
三、西门子S7系列PLC的性能及特点
西门子S7系列PLC接近于现场要求：高性，减少了中间接口，具有多中断、现场总线口、集成电位器、定时器、 计数器、码盘接口等成功能，以及强大的网络功能：RS232／485接口及多种现场总线标准、远程I/O，还可以作为DCS的下位站和PC机的下位机。同时支持多种编程语言，多种编程环境和可配套的集成软件。S7系列PLC系统结构如图1所示。




图1 S7系列PLC系统结构

西门子S7-200 PLC是小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。它可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用，成为当代各种小型控制工程的理想控制器，并且可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模大的工程。它的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在bbbbbbs环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程加方便、快捷。可以说，S7-200也可以地满足各种小规模控制系统的要求。
西门子S7-300是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6～0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中数据，S7-300按用户的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：时，模块换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。
西门子S7-400 PLC是用于中、性能范围的可编程序控制器。它采用模块化无风扇的设计，，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
四、西门子S7系列PLC在制糖工业自动化中的应用
制糖工业是高度机械化、连续化的现代化生产工业，它的生产品就是我们通常说的食糖。它的生产过程几乎包括了所有主要的化工单元，是具有综合化工单元生产过程的食品生产企业，而它的生产规模却是其它食品生产加工企业无法与之相比的，糖厂每天生产用的原料、材料以及产品与副产品都是以千吨计算的。
德国于1802年在库内恩建成了世界上座甜菜糖厂，并创建了甜菜制糖工业。经过200多年的发展，随着制糖工业的科技要求及工艺指标要求越来越高，对制糖装备的要求也越来越高。我国由于制糖工业基础薄弱，技术投入不足，使生产技术水平及装备水平与发达国家相比，还有一定差距，特别是在规模化生产、装备开发和自动化水平方面差距较大。
由于制糖工业的生产线跨距较长，工序较多，控制点比较分散，但又是一个连续的，相互关联的整体流水线，每个工序又有各自的特点，因此，目前小型S7200/300系列PLC的在这些工序的生产自动化中应用很多，并收到了非常好的效益。它的灵活、、耐高温、耐潮等特点正好适应了部分工序的现场环境。
我公司有一台丹麦制造的DDS渗出器连续渗出器，使用了近20年，其仪表控制系统原件都已老化，并且无法购买，该系统故障，严重影响了生产的连续进行。后我公司对其控制系统进行了改造，选用S7-200PLC控制系统来控制油泵开度、工作压力及回油压力向四个液压马达供油，并保证四路马达的同步转速，及两根搅拢的同步转速，顺序控制废粕轮和连续渗出器的启停。改造后的系统运行正常，几乎无故障停机，并且操作非常简便。
在碳酸法清净工艺的预灰、主灰等工序里，S7-300PLC应用到了比例加灰装置中，其要求是在渗出汁加入石灰以调节糖汁的PH值。该系统配置了1个操作站，通过西门子MPI网连接，为以后网络扩展奠定基础，下位与S7-300PLC相连，现场的液位、流量、PH值、阀门开度等模拟量信号和其它开关量信号通过模块进入S7-300PLC控制器内运算、比较后输出控制加灰泵，达到调节PH值的目的。该系统的投入大大提高了加灰的效率，还减轻了劳动力。在有些糖厂S7200/300系列PLC还应用到了蒸发罐、结晶罐单台及多台同时控制系统中。而单台自动包装秤的PLC控制已经遍布各个加工厂了。
我公司自上世纪90年代末至今先后从德国PUTSCH公司引进了用于切丝工序的TSM1800、TSM2200转鼓切丝机，用于清净工序的PKF140压滤机、HKF80过滤机，从BMA公司引进了用于分离工序的B1750间歇式分离机、K2300连续分离机，以及由西门子公司给我公司提供的结晶罐自动煮糖系统。这些装备的控制系统都是由西门子S7系列PLC组成的。
PUTSCH公司的TSM2200转鼓切丝机是目前世界上，加工能力大的切丝设备，它的大加工能力是日处理甜菜10000吨。该设备控制系统由S7-300PLC控制器、三台电机、两台变频器、一个液压系统、和一些按钮、限位开关、指示灯等组成，完成主电机无级调速、自动定位换框、自我保护等功能。它的控制点较多，结构比较复杂，下图2是该设备S7-300PLC控制单元的系统配置图。图中CPU通过输出模块控制变频器，再由变频器驱动电机，带动主轴旋转，并给CPU提供相关信号。当装置或者硬件限位开关动作后，变频器都会停止驱动电机。编码器用来反馈位置、方向等信息给CPU，以便继续执行PLC内固化的应用程序，并达到自我保护的作用。 PG/PC用来组态CPU功能及参数，对CPU来说，我们可以使用用户程序直接执行程序系统的功能模块。TSM2200转鼓切丝机自动化程度高，故障率非常低，并有故障显示。操作简单、维护方便。为我公司带来了非常大的经济效益。




图2 TSM2200转鼓切丝机控制单元的系统配置图

BMA公司的分离机广泛用于食品、等行业，国内进口的也非常多，种类也很多。它们的控制系统大多选用S7-300PLC控制器。在制糖行业中，大多选用的是该公司生产的G1250、B1750等型号的间歇式分离机和K2300、K2400等型号的连续分离机，分别用于一砂和二、三砂分离，它们的自动化程度高，工作效。
B1750型分离机全过程由程序控制，工作过程中一般不需要人操作。它也采用了S7-300PLC控制器及OP17操作面板，能随意监查、修改工作过程中的各个技术参数，比如转速、分离时间等参数，充分发挥设备能力，保证产品质量，并有良好的保护设施。设备出现故障时，它能显示故障点及原因，并可储存备查；同时使用2台以上设备时，当一台分离机在降程中，它可以把机械能转化成电能，反馈给另一台正在升速的分离机，起到稳定电网，节约用电的作用。
结晶罐自动化煮糖多年来一直是制糖行业研究的主要项目之一，煮糖煮的好坏直接影响成品糖的质量。BMA公司、西门子公司及国内一些厂家都研发了自己的自动煮糖控制系统。下图3是西门子公司为我公司提供的一套由S7-300控制器组成的自动煮糖系统。




图3 S7-300控制器组成的自动煮糖系统

煮糖是用加热蒸发水分，继续浓缩糖浆的方法，使糖液达到一定的过饱和度而析出蔗糖晶体，并将其培养长大到一定大小。它对管体内的真空度、温度、液位、锤度要求非常高，并且伴随着很多化学反应，糖煮的好坏直接影响产品质量。西门子公司为我公司设计的由S7-300控制器组成的自动煮糖系统将过程分为了四个阶段：入料蒸浓、起晶、养晶、终浓缩。S7-300控制器通过锤度、液位的实时信号来调节罐内的真空度、温度、进料量等参数，终控制锤度、液位连续、逐步的升高，使糖浆达到一定的过饱和度析出完整的蔗糖晶体。该系统由于是自动、连续又是实时监控，因此较人工煮糖时间缩短，效率大大提高，并且产品质量稳定。
五、未来展望
制糖工业未来的发展将朝着规模化、过程自动化控制、机械自动化方的向发展。根据制糖生产线跨距较长，工序较多，控制点比较分散的生产特点，其控制管理理念必将向着“分散控制，集中管理”模式发展。DCS系统、总线控制系统将会大量应用到制糖工业中来。该系统基于PLC控制系统作为现场基础控制器，着重强调整体的连续性、性的概念，主要特点为系统的离散性、灵活性、快速性和开放性。S7系列PLC的灵活、、耐高温、耐潮等特点适应制糖工业现场环境，而它的体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，性高等特点非常适应DCS系统、总线控制系统。下图4为西门子公司新设计的用于甜菜制糖行业的DCS过程自动化控制构架图。从图中可以看出全过程分为甜菜预处理、渗出、清净过滤、蒸发、结晶分离五个部分，整体分成了三级管理控制站，即S7200/300PLC控制站（操作员站）、工程师站和终的管理员站（经理人管理站），其中关键的环节，也是主要的现场控制站还是由太网联接的三段S7200/300系统。

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