6ES7231-0HC22-0XA8技据

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1 引言

冰蓄冷空调是将电网夜间谷荷多余电力以冰的冷量形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供空调服务。由于我国大部分地区夜间电价比白天低得多，所以采用冰储冷空调能大大减少用户的运行费用。

冰蓄冷空调系统配置的设备比常规空调系统要增加一些，自动化程度要求较高，但它能自动实现在满足建筑物全天空调要求的条件下将每天所蓄的能量全部用完，大限度地节省运行费用。

2 控制系统结构

控制系统由下位机（现场控制工作站）与上位机（管理工作站）组成，下位机采用可编程序控制器（STEC系列）与操作面板，上位机采用工业级计算机与打印机，系统配置必要的附件如通信设备接口、网卡、调制解调器等，实现蓄冷系统的参数化与全自动智能化运行。

下位机和操作面板在现场可以进行系统控制、参数设置和数据显示。上位机进行远程管理和打印，它包含下位机和操作面板的所有功能。整个系统以下位机的工业级可编程序控制器为，实现自动化控制。控制设备与器件包括：传感元件、电动阀、变频器等。

2.1 下位机系统（区域工作站）

2.1.1 操作面板：用彩色操作面板取代常规的开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面板得整洁。并且可实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记录、时间日期、实时数据显示、负荷曲线与报表统计等功能，中文操作界面直观友好。

2.1.2 STEC可编程控制器：STEC系列PAC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论在立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。该产品具有光电隔离，高电磁兼容；具有很高的工业适用性，允许的环境温度达50℃；具有很强的抗干扰、抗振动与抗冲击性能，因此在严酷的工作环境中得到了广泛的应用。自由通讯口方式也是STEC型PAC的一个很有特色的功能，它使STEC型PAC可以支持RS232、RS485、以太网、MODBUS、远程电话通讯、GPRS、CDMA、ADSL等多种通讯，因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置加灵活、方便。用户可通过编程来编制通讯协议、交换数据，轻松实现与本地智能设备的通讯。支持C/C++、BASIC等各种开发，为用记提供大限度的灵活性和保密支持。当上位机脱机时，在下位机控制下，整个系统能正常运行。

2.2 上位机系统（管理工作站）

2.2.1 上位机：上位机即图文控制，主要由PC机和激光打印机组成，采用HOMS5.0软件平台，采用全中文操作界面，人机对话友好。管理人员和操作者，可以通过观察PC机所显示的各种信息来了解当前和以往整个冰蓄冷自控系统的运行情况和所有参数，并且通过鼠标进行设备管理和执行打印任务。

2.2.2 HOMS5.0软件平台：HOMS5.0软件在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。可将过程控制中发生的事件清楚地显示出来，可显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可连续或按要求编辑，并可输出打印报表和趋势图。HOMS5.0 能够在控制过程中危急情况的初发阶段进行报警，发出的报警信号既可以在屏幕上显示出来，也可以用人声语音表现出来，还可通过无线发送到的手机上。它支持B/S结构，只要可以上网的地方都可以查看设备的工作状态，能够及时的了解相关的情况。当出现故障或对上位机监控进行修改时，也可以通过远程对上位机进行远程组态，实现故障的远程维护。HOMS5.0 是bbbbbbS 2003 sever操作系统下，在PC机上运行的面向对象的32位应用软件，支持ODBC视窗标准机制及OPC三方软件通讯接口，作为理想的通讯伙伴进入bbbbbbS世界，因此HOMS5.0可容易地结合到全公司的数据处理系统中。

3 冰蓄冷系统的控制

3.1 控制目的、范围及主要受控设备

蓄冷控制系统控制目的：通过对制冷主机、储冰装置、板式热交换器、系统水泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，调整储冰系统各应用工况的运行模式，在经济的情况下给末端提供稳定的供水温度。同时，提高系统的自动化水平，提高系统的管理效率和降低管理劳动强度。控制范围包括整个冰蓄冷系统的参数状态显示、设备状态及控制，主要控制设备有：双工况主机、电动阀、冷却塔、冷却水泵、蓄冰装置、初级乙二醇泵、板式换热器、次级乙二醇泵等。

3.2 控制功能:控制功能包括整个冰蓄冷系统稳定、经济运行所需的功能。

3.2.1 工况转换功能

根据季节和机器运行情况，自控系统具备以下工况转换功能：a） 双工况主机制冰同时供冷模式；b） 双工况主机单制冰模式；c） 主机与蓄冰装置联合供冷模式；d） 融冰单供冷模式；e） 主机单供冷模式。

3.2.2 工况的启停、显示和故障报警功能

控制系统按编排的时间顺序，结合负荷预测软件，控制制冷主机及外围设备的启停数量及监视各设备之工作状况与运行参数，如：- 制冷主机启停、状态及故障报警；-制冷主机运行参数；-制冷主机缺水保护；-制冷主机供/回水温度、压力遥测和显示；-冷冻水泵启停、状态及故障报警；- 乙二醇泵启停、状态及故障报警；-冷却水泵启停、状态及故障报警；-压差旁通管的压差测量与显示；-冷却塔风机启停、状态及故障报警；-冷却塔供/回水温度控制与显示；-供/回水温度、压差遥测控制与显示；-板式换热器侧进出口温度控制与显示；-蓄冰装置进、出口温度遥测控制与显示；-冷冻水回水流量控制与显示；-电动阀开关、调节与阀位控制与显示；-室外温湿度遥测控制与显示；-蓄冰量测量与显示；-末端冷负荷控制。

3.2.3 数据的记录和打印功能:控制系统对一些需要的监测点进行整年趋势记录，控制系统可将整年的负荷情况（包括每天的大负荷和全日总负荷）和设备运转时间以表格和图表记录下来，供使用者使用。所有监测点和计算的数据均能自动定时打印。

3.2.4 手动/自动转换功能:控制系统配置灵活的手动/自动转换功能。

3.2.5 优化控制功能:根据室外温度、天气预报、天气走势、历史记录等数据自动选择主机或融冰。在满足末端负荷的前提下，每天使用完储存的冷量，尽量少地运行主机。充分发挥冰储冷系统优势，节约运行费用。

3.2.6 全自动运行功能:系统可脱离上位机工作，根据时间表自动进行制冰和控制系统运行、工况转换、对系统故障进行自动诊断，并向远方报警。操作面板显示系统运行状态、流程、各节点参数、运行记录、报警记录等。

3.2.7 节日设定功能:系统可根据时间表自动运行，同时也可预先设置节日，控制储冰量和储冰时间，使系统在节日时对不需要供应空调的场所停止供冷。

3.2.8 下位机操作功能

下位机操作功能如下：a） 人机对话。操作人员可通过操作面板进行人机对话，操作界面中文化，具有提示、帮助、参数设置、密匙设置、故障查询、历史等功能;b） 系统设置。包括操作口令设置、运行设置、运行时间表设置、记录溢出处理、自动/手动/测试选择、节日设置、系统参数设置（包括各节点温度、压力，各介质的流量，储冰量，制冰速率，融冰速率，阀门开度，末端负荷等。）;c） 故障记录、运行记录、历史记录等。

3.3 远程监控

控制系统通过电话线或宽带网，与系统连接，对系统进行运行监控、参数修改、数据采集等，使系统不断完善和软件版本升级，让用户得到好的服务。远程监控的目的是用户可以通过PSTN（公共交换传输网）、INTERNET（以太网）、无线通讯对冷冻站进行异地远程监控。同时也可以实现远程调试、远程适时监控和在线维护等，从而大大减轻工程人员的工作强度，降低工程成本。

3.4 系统扩展控制

控制系统设计界面友好，PAC和触摸屏均可扩展，内容可扩展、参数也可修改，通过STEC多样的通讯接口或通信协议实现BAS与冰储冷自控系统一体化，节约投资、方便管理。系统集中控制，减少了动力柜占地面积，又使动力柜型号统一、式样相同、大小一致。系统扩展控制如下：a） 污水泵自动控制； b） 风、排风控制；c） 活水泵稳压控制；d） 泵定时运行、检测、报警； e） 淋水泵稳压控制； f） 筑物夜间轮廓照明自动控制；g） 低配计量、开关状态检测、报警。

1．应用背景
在冶金，化工，电力，制药等许多大型工程中，空压站建设是一项重要的辅助工程。空压站的主设备为空气压缩机，空气干燥器，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等组成一供气系统。大型空压站通常拥有多套设备，以保证不同负荷的需求。确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，供气的自动调节等是空压站自动化的基本任务。随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。
本案例应用于大型空压站。该站有6台每分钟供气200立方的螺杆式空压机，6台200立方处理量的冷冻式干燥器，另有两台80立方处理量的吸附式干燥器，采用母管制连接方式生产压缩空气。用户要求：
1） 每台设备应有自动控制和联锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动/自动切换操作及紧急停机；
2） 现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；
3） 空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。
2．系统构成
2.1．控制网络结构的确立
由于空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。为保持一致性，空压站自控设备全部选用硕人时代公司的STEC—2000系列模块化可编程控制器，其带有1个RJ45以太网接口，1个RS232接口，1个485接口，支持标准的TCP/IP、PPP和MODBUS协议。仔细分析了生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立了“监测，统一调度，现场控制”的实施方案。其基本理由是：
1） 技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时性不够理想。因为各设备控制器均挂在同一网络上，任何一台出现通信故障都可能影响整个网络，严重时会引起网络瘫痪，无法实现远程监控。虽然本案例的设备总数并不算很多，但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网确定为分散控制网络，以达到分散危险，提高网络有效性和性的目的，同时要实时远程监控，实现无人值守。
2） 经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用可扩展的STEC控制器，根据不同需要选用不同模块，大节约成本。
监测，统一调度，现场控制的特点：
a) 通讯层——工业以太网络连接控制通讯服务器与各空压站控制器1#STEC2000—6#STEC2000，以及各干燥器控制站7#STEC2000—14#STEC2000和现场控制室15#STEC2000，传输空压站系统和干燥器的重要信息参数及各设备运行状态，并实现控制的远程控制操作。
b) 监控——通讯服务器：负责所有控制器的远程通讯，以及相应的指令下发。数据库服务器：负责承担所有子站的数据存储和数据处理。WEB服务器：负责现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；以及厂区控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。
c) 现场设备层——和控制器子站采集现场各种信号，并且通过以太网传到监控， STEC和彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连，现场智能仪表可以通过RS232和RS485相连。
硕人时代公司推出的STEC模块化以太网控制器，它为可编程序控制器提供远程编程支持的产品。它可以在可编程序控制器、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有以太网/RS-232 /RS-485接口的设备之间提供通信。它采用以太网线和双绞线连接。
2.2 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，15#STEC2000配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。15#STEC2000控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#STEC2000—6#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块。
干燥器子站——7#STEC2000—14#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的36点I/O模块。彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连。
2.3．软件组成和工作程序
编程软件SRDev2.0 可使用户在自己的电脑上组态开发，并且通过以太网线对控制器（STEC2000）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
HOMS5.0 安装在监控的服务器上，现场控制室的操作站可以根据权限来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，以及相应的指令下发，数据的处理及存储。

各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，联锁保护，以及数据处理和通信传输。

3．控制主要功能

1）自动轮换运行。STEC控制器根据采集的信号进行综合判断，然后发出启动、停机、加载、卸荷、报警等控制指令，监控空压机组自动运行，使用权得总管压力维持在设定的压力下限值和上限值之间。若风压压力下限值就增加空压机运行的台数，若风压压力上限值则减少空压机运行的台数，达到既满足用风需要、又可以降耗节能的目的。

空压机连续运行8小时后机身温度会很高，需要停机休息，用于散发自身的执量，以保证机器不受损伤。因此，空压机需要进行轮换工作，以保证空压机运行，延长设备使用寿命。STEC控制器根据运行时间将受控于STEC控制器的空压机进行排序，建立开机序列和停机序列，当需要增加空压机的运行台数时，控制器将启动总运行时间短的空压机；当需要减少空压机的运行台数时，控制器将停止本次运行时间长的空压机。

2）延时启动和延时停机。STEC控制器自身有较强的搞干扰能力，但现场条件、电网、用风量等各种复杂因素的影响，电机电流、电机电压等受到干扰将产生误报警；如果总管压力的扰动发生在压力下限值或者压力上限值附近，将它们作为一般工状处理就会出现频繁启动、停机现象，影响设备的性和使用寿命。因此，需要对发出动作指令的起因信号作适当的延时处理，以振动，防止误动作。

3）智能保护。空压机主电机在启动时，启动电流为额定电流的5~7倍，对电网和其它用电设备冲击很大，同时也会影响空压机的使用寿命。所以，空压机不宜频繁启动。为了使系统能够对用风状况进行准确判断，并据此控制空压机的启动，在用风高峰期空压机启动较频繁，当两次启动时间间隔小于的值时，将保持空压机持续运转而不停机，当连续两次加载间隔时间较长时，可认为用风高峰期已过，空压机投入间段运行状态。另外，对电机电流、电机电压、排气压力、进气负压、运行温度、油温、油滤压差等重要参数进行实时监控，出现异常及时进行故障报警，并作出处理。

1  引言
    本文以烟箱输送系统介绍西门子profibus现场总线控制系统，输送系统实现四台封箱机后成品烟箱的合流、输送、提升，将烟箱输送至成品高架仓库入库分拣输送线上。使用s7-315-2dp作为dp控制器，本地机架安装2组数字量输入输出模块，15台丹佛斯vlt2800变频器及现场6组et200b远程io模块通过dp总线接入plc，使用10.4″彩色触摸屏tp270通过mpi总线与plc连接，系统组成参见图1所示。

图1 系统组成

    打开硬件配置软件，插入cpu 315-2dp及profibus网络，设置dp主站参数：分配dp地址为2，诊断地址2047，波特率设为1.5mbps，操作模式设为dp主站模式。在dp网络上依次插入现场io模块et200b，分配总线地址(21～26)，诊断地址(2028～2023)，输入输出i(q)映像。在profibus网络上依次插入变频器vlt2800，分配总线地址(3～17)，地址(2046～2032)。选择变频器ppo协议类型1控制字，过程映像piq地址由4ax和2ax两个id模块组成。现场io模块和变频器的dp地址设置与plc的硬件组态分配的地址一致，诊断地址用于诊断dp从站的工作状态。

2  ppo协议
    ppo协议就是参数过程数据处理的简称，ppo协议实现dp主站和智能从站之间的快速数据交换，同时实现过程数据和参数数据存取。ppo协议由参数字pcv和过程字pcd组成，ppo类型1协议结构见表1。

    表1中，pca：参数号；ind：参数索引；pva：参数值；ctw：控制字；stw：状态字；mrv：设定速度(单位为百分比)；mav：实际速度。使用参数字pcv设定或读取变频器参数值；使用过程字pcd控制变频器的启停、速度设定、读取变频器的状态、输出频率。
丹佛斯vlt2800标准控制和状态字见表2。

3  dp从站诊断
    当dp系统启动、或主站的故障组织块ob82(ob86)检测到dp从站发生错误(或使用手动诊断功能)时，主站及时获得从站的状态及故障信息。dp从站的诊断数据记录的0～2字节数据为从站的状态信息，字节3以后的数据为从站的主站号、制造商id、及该设备状态信息。
    建立dp从站状态共享数据块db103，建立从站ng、ok状态及诊断数据记录rec数组变量，插入dp从站诊断程序功能块fb102和数据块db102。建立从站诊断dia_all、从站地址指针inx_sta、从站数目sta_qut、从站诊断地址等变量，从站诊断请求dia_req、从站忙dia_busy、诊断返回值dia_ret、错误计数器err_cnt、从站诊断数据记录dia_rec等静态变量。
    使用stl语言编写诊断程序，便于使用地址寄存器ar1(ar2)编写循环(条件跳转)程序，流程图见图2所示。执行从站诊断时，从站诊断标志置位，根据从站地址指针、从站诊断计算出该从站的诊断，同时将错误计数器复位，从站诊断请求置位。调用系统功能块sfc13读取dp从站的诊断数据，dp诊断可能需要多次调用sfc13功能块才能完成。从站诊断完成，从站忙标志为0时，根据诊断返回值数值判断该从站诊断是否正确完成。当发生错误时，错误计数器加1，继续执行本从站诊断3次；当该从站诊断正确完成时，根据数据记录数据和上述dp从站状态信息表，判断该从站处于ok或ng状态，并将ok状态、ng状态、有用的诊断数据写入从站状态数据块db103相关的数组中。

图2  dp从站诊断流程图

    当该从站诊断正确完成，或发生错误重新诊断3次时，从站地址指针加1，进行下一从站的诊断，所有从站诊断完毕后，复位从站诊断标志。

4  读写变频器智能从站
    智能从站分配的地址为过程映像pi(或pq)，是连续性数据，注意读写数据的连续性。对于4字节及以下的连续性数据，如上述组态图中的2ax模块，可以使用(双字)装载或(双字)传送指令读写。对于4字节以上的连续性数据，如上述组态图中的4ax模块，不能使用两个双字装载或传送指令分两步读写，只能使用系统功能块sfc14读取从站的连续性数据，sfc15写入连续性数据到从站。
    变频器的过程字pcd(ppo类型1)，使用双字装载指令[l pid432 md532]，变频器的常用状态信息及实际输出频率；使用双字传送指令[t md632 pqd432]，控制变频器的启停及设定频率，注意频率为大频率的百分比，其数值为16384时，表示**。
    变频器的pcv参数字，如上述组态图中的4ax模块，使用系统功能块sfc14和sfc15读写。确定需要读写(如电机电流、电机电压、变频器温度、报警字、加速时间等)参数的参数pnu号及子索引ind号。依次为每个变频器创建数据块db41-55，建立读参数数据记录parr_rec、写参数数据记录parw_rec及参数数据存放par_data数组变量。
    创建功能块fb100和数据块db100，建立变频器地址指针inx_vlt、变频器数量vlt_qut、变频器起始数据块db_int、变频器piq地址piq_int，变频器piq地址piq_add、参数指针inx_par、参数条目数par_qut、错误计数器err_cnt等变量。建立读写参数命令组ary_cmd及正确响应信息组ary_rpok静态数组变量，将读写参数的命令数据赋值给参数命令组ary_cmd数组变量，将对应的正确响应信息赋值给正确响应组ary_rpok数组变量。建立sfc14正确响应信息变量par_rpok、sfc15写返回值ret_wrt、sfc14读返回值ret_read变量。
    使用stl语言编写程序，流程图见图3所示。打开数据块db103，根据变频器地址指针，本从站的工作状态。如果该站工作正常，就读写该变频器参数；否则，变频器地址指针加1，读写下一台变频器参数。

图3  智能从站读写流程图

    打开该变频器数据块，根据变频器地址指针计算从站的piq地址。根据参数指针从静态读写参数命令数组中读写参数数据记录，从正确响应数组中正确响应信息。调用系统功能块sfc15写连续性数据。当sfc15指令执行完成后，根据写返回值分析写数据是否正确完成，如果发生错误，继续执行sfc15指令3次。sfc15指令正确执行完成后，读参数或写参数需要响应信息时，调用系统功能块sfc14读连续性数据，并将响应数据写入读参数记录变量中。根据读返回值、读参数记录数据和正确响应数据比较，分析读写参数是否正确，当读写参数发生错误时，继续读写本参数3次；当参数正确读出时，将数据写入变频器数据块的参数数据数组变量中。
    当本参数正确读写完成，或发生错误3次时，参数指针加1，继续读写下一个参数，直至读写完本变频器的所有参数。当变频器所有参数读写完成后，变频器地址指针加1，继续读写下一台变频器参数，直至读写完所有变频器。

5  结束语
    烟箱输送总线控制系统运行一年多来，各项性能指标达到了设计要求，运行稳定，受到用户。西门子profibus现场总线系统具有传输速度快、连接站点数多、稳定(可组成冗余系统)，具备强大的诊断功能，运行维护，支持dp协议设备众多的优势，必将在自动化控制系统中得到广泛应用。