6GK7243-1GX00-0XE0参数选型

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一、客户需求

       监测和集中控制所有电控设备；监测与烧结工艺有关仪倥信号（ 如压力、流量、温度等），并且通过画面操作可以选择多种工作方式（如远程手动、PID手动方式、PID自动方式、串级双交叉控制等），对点火温度、风箱负压进行控制；显示主站PLC是否运行有无故障，从站通讯是否正常有无故障；预留厂级局域网站点登录访问功能。

二、解决方案

       基于GE FANUC公司过程控制系统集成、统一、灵活和开放的控制设计思想，并结合3#烧结机基础自动化控制系统的特点和要求，设计了基础自动化控制系统配置，详见基础自动化控制系统配置示意图（附图1）。PLC可编程序控制器选用系列90-30型产品，采用分布式I/O结构。以系列90-30为，向上，通过工业以太网与HMI人机接口系统通讯；向下，采用GENUIS网与VersaMax I/O站进行状态监控和数据交换。HMI人机接口系统采用CIMPLICITY HMI 软件编制，并通过WebView选件实现厂级局域网站点登录访问功能。

三、系统构成

● PLC的配置
       本控制系统选用的是系列90-30 PLC 的可编程序控制器。该产品不仅质量高、而且性能。系统已在国内外诸多工业现场长期、稳定运行。系统组件的设计符合真正的工业等级， 满足国内、的标准。系统易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，可适应恶劣的工业环境。所有部件均可带电插拔、换。提供了的功能特性，易于组态便于安装。
       本控制系统的分布式I /O选用GE Fanuc 的VersaMax I/O产品。该产品在局部水平建立控制，真正实现了用分散的处理器就地实时控制，同时保留主处理器的资源，用于数据管理和监控。分布式控制是一种有效的，节省资金的解决方案，可减少现场总线网络的开销，增加主机的应用性能。
       由于烧结机的控制设备比较分散，而且彼此间的距离较远，因此从站是根据所控制的设备所在依据地域来划分的；由于电磁站从站所控制的设备较多，一个机架不能满足需求时，根据经济实用原则，添加两块扩展机架。
● HMI人机接口系统
       本控制系统的HMI 由两台操作员工作站（P933/128M/40G/19寸纯平彩显/逻辑球鼠标）构成，各自立地对整个系统进行监控。两台操作员工作站均可立完成正常生产所需的监控及操作，以便于任意一台出现故障时，不影响生产。
       HMI 系统采用基于Microsoft bbbbbbs NT 和bbbbbbs 98的CIMPLICITY HMI软件编制。CIMPLICIT 运行在bbbbbbsNT/98 的平台上，通过各种串行的、网络的通讯方式采制器中的资料，并利用计算机的强大图形功能动态地显示生产资料。
采用CIMPLICITY HMI 软件的WebView选件实现厂级局域网站点登录访问功能。
● 通讯网络
        采用快速工业以太网和GENUIS 总线构成了3#烧结机基础自动化控制系统的通讯网络。操作员工作站和PLC主站之间的通讯采用快速工业以太网。
       VersaMax I/O通过Genius现场总线与系列90-30建立通讯链路。采用屏蔽双绞线，通过多点连接将每个从站接入，构成总线型网络拓补结构。因此一个站设备出现故障，并不影响整个总线的通讯。

三、系统功能

● 电控部分
电控部分为顺序控制，采用VersaPro软件用梯形图进行编程。实现以下功能：
[1] 单机控制：在机旁操作箱上对单台设备进行操作，并在HMI上进行监控。只完成单台设备单启动，不进行联动控制。
[2] 单系统集中控制：在HMI上对某个系统进行操作，只完成单个系统的联动控制。
[3]全系统集中控制：在HMI上对整个系统进行操作，实现整个系统的自动控制。
[4] 联动功能：从画面按启动按钮，所有设备的起动顺序起动。按停止按钮，所有设备的停止顺序和起动顺序相反。一旦联动的设备有故障，从这设备开始按起动的方向一直停到圆盘给料机电子称小皮带机。中间停机延时一秒。
[5] 实际的工艺要求：正常生产时一般要求6、7系统连锁，而5系统因有大矿槽，在正常生产时如有故障，6、7系统连锁停，而5系统可以正常运行。

● 仪控部分
仪控部分主要实时显示与烧结工艺有关仪倥信号（如压力、流量、温度等），并且通过画面操作对点火温度、风箱负压进行控制。
[1] 点火温度控制：点火温度控制是通过控制煤气和空气的流量来实现的。采用串级双交叉控制和非串级双交叉控制的控制方法。串级双交叉控制是一种非常的控制方法，是以维持合适的空气，煤气比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证了较高的热效率，同时减少了排烟对环境的污染。串级双交叉控制以点火温度调节为主回路，以煤气流量和空气流量为副回路的串级调节回路。串级双交叉控制分为自动控制和手动控制；非串级双交叉控制分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
[2] 煤气切断阀控制：当煤气或空气的压力低时自动关阀。分手动控制和自动控制。
[3] 风箱负压控制：1#、2#、13#、14# 风箱有调节阀，需要调节风箱负压。分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
● 上位机画面
      上位机画面是在HMI 中完成的。到达任何一幅画面的按键操作不过两次，画面弹出的时间不过1秒。主要包括工艺流程、趋势曲线、参数报表、棒图显示、报警、设备状态、回路调节等窗口。

0 引言
在聚拢水泥厂回转窑监测系统中，用到了的Siemens S7-300 PLC，为了能够将编码器的参数读入到Siemens PLC中，采用了Siemens 公司的PROFIBUS通信处理器CP342-5，该模块集成了一个DP端口，通过PROFIBUS-DP总线网络读取编码器中的二进制数据。编码器采用德国倍加福的旋转编码器,它们均提供PROFIBUS-DP通讯接口，采用PROFIBUS协议以主从方式通讯。
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统，主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点），所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、性不易保证、可维护性不高。
PROFIBUS 是一种已有很多现场安装基础的目前世界上成功的开放式现场总线,可使用一条通信电缆将所有的自动化设备（PLC、带有通信接口的智能仪表、传感器与执行器等）连接起来，彼此交换数据和进行通信。PROFIBUS现场总线用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。智能编码器是工业控制中常用的智能仪表之一，其主要是针对某一特定的参数（如液位、行程、高度等），采用的控制算法（如fast技术）来达到控制被控参数的目的，具有性强、智能化高、控制算法、使用方便等特点。可编程逻辑控制器（简称PLC）以其运行、集成度高、可扩展性强而在工业控制中得到广泛的应用，而且各个PLC生产厂家提供了多种通讯模块，如工业以太网Ethernet模块，Profibus DP现场总线模块，AS-I模块，点到点串行通讯模块等。因此可以利用PLC的通讯模块读取智能编码器中的数据，然后通过PLC中的工业以太网模块、现场总线模块连接到企业SA HMI系统中。[1]

1 通讯构成及通信协议
1.1　通讯构成
聚拢水泥厂窑炉监测系统中，使用CP342-5模块和5台倍加福编码器通讯，在空间成三部分：烧成窑尾、烧成窑中和烧成窑头。烧成窑尾到烧成窑头相距大约50米。通讯在硬件连接上采用PROFIBUS屏蔽双绞线。在软件上，采用PROFIBUS-DP现场总线通讯网络，用少的信号线来完成通讯任务。在本自动化监测系统中，要求将5台倍加福旋转编码器PVM 58（P+F Absolute Rotary Encoder PVM 58）通过CP342-5通讯模块读取到PLC中，其网络的结构如图1所示

 
图1 系统网络结构图
下面给出了CP342-5模块、P+F Absolute Encoder PVM 58的参数设置，并详细介绍了通讯处理器CP342-5、倍加福编码器之间进行通讯所用到的PROFIBUS-DP协议。
1.2　通信处理器-CP342-5
Siemens CP342-5是一种基于PROFIBUS的通讯模块，提供了串行通讯的解决方案。它可以在S7-300中使用，可以作为PROFIBUS-DP 的主站也可以作为从站，但不能同时作主站和从站，而且只能在S7-300 的机架上使用，不能放在分布式从站上使用。CP342-5 作为DP 主站和从站不一样，它对应的通讯接口区不是I 区和Q 区，而是虚拟通讯区，需要调用FC1 和FC2 建立接口区。可在STEP 7硬件配置的进程中进行参数设置，主要包括通讯协议、通讯模式、接口方式、地址和波特率。对于同倍加福旋转编码器P+F　Rotary　Encoder PVM 58的通讯，本设计中可以设置为：
a、通讯协议：PROFIBUS-DP
b、通讯模式：DP Master
c、接口方式：Profibus
d、地址和波特率：2、19.2Kbps
e、其余的设置为默认方式。
1.3　通信协议-PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）是一种高速通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信, 由于PROFIBUS-DP 的开放性,它可以连接不同制造厂商的标准部件。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。它具备节能，，配置方便简单、生产中的高度灵活性，和确实的诊断数据，的数字传输技术等优点。
PROFIBUS-DP协议结构是根据ISO7498标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。PROFIBUS-DP定义了、二层和用户接口。三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
典型的DP配置可以是单主站结构，也可以是多主站结构。各主站间为令牌传送，主站和从站间为主从循环传送，总线上多126个站。对于主从通讯方式，主站（PLC，CP或过程控制系统）与从站（分布式现场设备，例如I/O阀门、编码器、变送器和分析仪等）之间进行快速循环数据交换，主站发出请求报文，从站收到后返回响应报文。
当组建的网络是用于二进制输入/输出、模拟量输入/输出等小数量级的快速循环通信的话,可以考虑将网络配置成为ROFIBUS DP 网络,该网络率大可以为12Mbit/s。
1.4　P+F Absolute Rotary Encoder通讯参数设置
1.4.1安装GSD文件
GSD文件为电子设备数据库文件，是可读的ASCII码文件。不同厂家的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家以GSD文件方式提供这些产品的功能参数，例如I/O点数、诊断信息、传输速率、时间监视等。在Step 7 的SIMATIC 管理器中打开硬件组态工具HW Config ，安装GSD后，在右边的硬件目录PROFIBUS DP→Additional Field Devices→Encoders→ENCODER将会出现刚刚安装的P+F Rotary Encoder。其原理如图2所示。

 
图2 原理图
1.4.2 组态通讯参数
在Step 7硬件配置窗口中，双击P+F Rotary Encoder 图标，打开编码器（DP Slave）的参数设置窗口，如图3所示。结合笔者工程实际，在此窗口中进行参数设置：

 
图3 编码器参数设置窗口
a、 代码顺序（Code Sequence）：计数方向， CW（顺时针旋转，代码增加）,CCW（逆时针旋转，代码增加）;
b、 标定功能控制（Scaling function control）:只有设置成Enable ，下面c、d和e的设置才会生效;
c、 单圈分辨率（Measuring units per revolution）:8192;
d、 测量范围高位（Total measuring range（units）hi）: 512;
e、 测量范围低位 （Total measuring range（units）lo）: 0;
f、 其它参数采用默认值。
注：1、由c可以计算出编码器每圈产生 （=8192）个二进制码，即单圈精度为13位。
2、由d和e可以计算出编码器大可以转 （=512×65536+0）圈，即多圈精度为12位。
2 软件的实现方法
2.1 数据流交换机制
CP342-5和集成DP口的S7-300 CPU与DP从站通讯时所进行的数据流交换机制是有区别的。集成DP口的S7-300 CPU可以像访问自己的I/O模块一样来访问DP从站，不必用户专门编程。虽然智能从站提供给主站的输入/输出区域不是实际的I/O模块使用的I/O区域，但简单组态后，主从站之间的数据交换也是自动进行的，不需要专门编程。
CP342-5和DP从设备之间进行数据交换，调用FC1（DP_SEND），FC2（DP_RCV）访问从站地址，否则CP342-5的PROFIBUS状态灯“BUSF”将闪烁。FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RCV）是SIMATIC_NET_CP标准库中功能块，安装NCM S7后，就会Step 7编辑器左边的指令树中出现该函数库。
用CP342-5 作为DP 主站和从站不一样，它对应的通讯接口区不是I 区和Q 区，而是虚拟通讯区，需要调用FC1 和FC2 建立接口区。需要为每个P+F Rotary Encoder定义虚拟通讯区，虚拟通讯区可以是位存储区（M区）、数据块存储区（DB区）。
2.2 虚拟通讯区的建立
在具体处理每块旋转编码器时，建立虚拟通讯区，这是CP342-5和P+F Rotary Encoder通讯的问题。
主站（CP342-5）和从站（P+F Encoder）通讯时,要设置好每个编码器的地址，使其与组态的PROFIBUS地址一致;然后建立虚拟通讯区。此后，CP342-5和P+F Rotary Encoder通讯只在CPU和虚拟通讯区之间进行，而不必再考虑编码器的地址。结合笔者工程实际，建立了图4所示的虚拟通讯区。

 
图4 虚拟通讯区
2.3　主从通讯程序的实现
执行预置功能将P+F Encoder零点校准到系统的机械零点。通过向P+F Rotary Encoder输出双字指令的位置1实现，此时P+F Rotary Encoder返回的双字即为实际码值。

 
图5
程序指令如图5所示。对作为从站的P+F Rotary Encoder ，执行预置功能时调用FC1（DP_SEND），将要发送的指令填入输出虚拟通讯区;执行读取功能时调用FC2（DP_RCV），将P+F Rotary Encoder中的二进制编码读入输入虚拟通讯区。

3 结束语
聚拢水泥厂1#线从去年改造完成到现在全部投入，倍加福型编码器和Siemens CP342-5主从通讯一直良好，有效的提高了生产效率。 实践证明，这种方式是值得推广的，在工业测量领域，以的Siemens CP342-5作为主站，以众多的Profibus Slave设备作为从站，必将获得令人满意的效果。
本文作者点：给出了CP342-5模块与P+F Encoder型编码器基于PROFIBUS协议的通讯在水泥行业中的实现方法。

3. 控制系统的抗干扰措施

● PLC的配置
       本控制系统选用的是系列90-30 PLC 的可编程序控制器。该产品不仅质量高、而且性能。系统已在国内外诸多工业现场长期、稳定运行。系统组件的设计符合真正的工业等级， 满足国内、的标准。系统易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，可适应恶劣的工业环境。所有部件均可带电插拔、换。提供了的功能特性，易于组态便于安装。
       本控制系统的分布式I /O选用GE Fanuc 的VersaMax I/O产品。该产品在局部水平建立控制，真正实现了用分散的处理器就地实时控制，同时保留主处理器的资源，用于数据管理和监控。分布式控制是一种有效的，节省资金的解决方案，可减少现场总线网络的开销，增加主机的应用性能。
       由于烧结机的控制设备比较分散，而且彼此间的距离较远，因此从站是根据所控制的设备所在依据地域来划分的；由于电磁站从站所控制的设备较多，一个机架不能满足需求时，根据经济实用原则，添加两块扩展机架。
● HMI人机接口系统
       本控制系统的HMI 由两台操作员工作站（P933/128M/40G/19寸纯平彩显/逻辑球鼠标）构成，各自立地对整个系统进行监控。两台操作员工作站均可立完成正常生产所需的监控及操作，以便于任意一台出现故障时，不影响生产。
       HMI 系统采用基于Microsoft bbbbbbs NT 和bbbbbbs 98的CIMPLICITY HMI软件编制。CIMPLICIT 运行在bbbbbbsNT/98 的平台上，通过各种串行的、网络的通讯方式采制器中的资料，并利用计算机的强大图形功能动态地显示生产资料。
采用CIMPLICITY HMI 软件的WebView选件实现厂级局域网站点登录访问功能。
● 通讯网络
        采用快速工业以太网和GENUIS 总线构成了3#烧结机基础自动化控制系统的通讯网络。操作员工作站和PLC主站之间的通讯采用快速工业以太网。
       VersaMax I/O通过Genius现场总线与系列90-30建立通讯链路。采用屏蔽双绞线，通过多点连接将每个从站接入，构成总线型网络拓补结构。因此一个站设备出现故障，并不影响整个总线的通讯。

三、系统功能

● 电控部分
电控部分为顺序控制，采用VersaPro软件用梯形图进行编程。实现以下功能：
[1] 单机控制：在机旁操作箱上对单台设备进行操作，并在HMI上进行监控。只完成单台设备单启动，不进行联动控制。
[2] 单系统集中控制：在HMI上对某个系统进行操作，只完成单个系统的联动控制。
[3]全系统集中控制：在HMI上对整个系统进行操作，实现整个系统的自动控制。
[4] 联动功能：从画面按启动按钮，所有设备的起动顺序起动。按停止按钮，所有设备的停止顺序和起动顺序相反。一旦联动的设备有故障，从这设备开始按起动的方向一直停到圆盘给料机电子称小皮带机。中间停机延时一秒。
[5] 实际的工艺要求：正常生产时一般要求6、7系统连锁，而5系统因有大矿槽，在正常生产时如有故障，6、7系统连锁停，而5系统可以正常运行。

● 仪控部分
仪控部分主要实时显示与烧结工艺有关仪倥信号（如压力、流量、温度等），并且通过画面操作对点火温度、风箱负压进行控制。
[1] 点火温度控制：点火温度控制是通过控制煤气和空气的流量来实现的。采用串级双交叉控制和非串级双交叉控制的控制方法。串级双交叉控制是一种非常的控制方法，是以维持合适的空气，煤气比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证了较高的热效率，同时减少了排烟对环境的污染。串级双交叉控制以点火温度调节为主回路，以煤气流量和空气流量为副回路的串级调节回路。串级双交叉控制分为自动控制和手动控制；非串级双交叉控制分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
[2] 煤气切断阀控制：当煤气或空气的压力低时自动关阀。分手动控制和自动控制。
[3] 风箱负压控制：1#、2#、13#、14# 风箱有调节阀，需要调节风箱负压。分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
● 上位机画面
      上位机画面是在HMI 中完成的。到达任何一幅画面的按键操作不过两次，画面弹出的时间不过1秒。主要包括工艺流程、趋势曲线、参数报表、棒图显示、报警、设备状态、回路调节等窗口。