南阳西门子S7-300代理商

1  引言   
随着煤矿近年来现代化的管理水平迅速tigao，信息化建设的步伐也不断加快。为保障煤炭的安全生产、tigao全矿的生产效益，必须保证排水系统可靠、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，为矿各级领导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，liuliang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)，极限真空为8000Pa，liuliang: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、中央处理单元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liuliang、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、liuliang、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，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、liuliang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。
第二个通讯网络: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。
第三个通讯网络: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:上位机监控软件和现场PLC监控软件。
3.1  上位机监控软件设计
上位机监控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先进技术和微软公司的软件技术，为我们提供了一种高效、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  下位机监控软件设计
下位机软件设计主要为PLC监控软件的设计,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:

图2     水泵启停子程序简要流程图

4  结束语
本控制系统投入运行来，一直稳定可靠，故障率低，维修量小，并具有如下的优点:
(1) 自动化程度高，同时具有自动、手动控制方式, 两种方式互为备用。
(2) 合理的使用4台电机，使其循环工作，在保证有备用的情况下，延长了每台电机的使用寿命。
(3) 设备有完善的故障判断功能，可为操作人员迅速排除故障提供方便。
(4) 系统的输出数据完整，准确，极大的方便了管理。

1  引言
设备在启停和运行过程中发生危机设备和人身安全的故障时,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安全运行,具有极其重要的意义。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安全退出运行。
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,必须有人值守,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可靠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可靠性,必须使用冗余系统技术。本项目选用西门子S7-300系列PLC软冗余来达到降低成本的目的。

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、更换、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

3  软冗余程序的设计
软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7。在A站的Block中插入OB1(主循环程序块)、OB35(定时中断组织块)、OB100(暖启动调用程序块)、OB80(在主系统与备用系统切换时间超时时,调用该块)、OB82 (DP-Slave ET200站上的IM153-2模块出错报警,调用该功能块)、OB83(DP从站的接口模块与主站链接断开或链接重新建立时调用该块)、OB85(程序运行出错或DP从站连接失败调用该块)、OB86(主从站通讯出错调用该块)、OB87(通讯失败调用该块)、OB122(外围设备访问出错调用该块)、OB121等组织块,并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。
首先,用户需要在初始化程序中(OB100)定义冗余部分的数据区,该数据区可以包括:一个过程映象区(process image area),一个定时器区(IEC timer area),一个计数器区(IEC counter area),位地址区(memory address area)和一个数据块区(data block area),S7-300同步的大数据量为8kBytes。
使用的是OB35的默认属性,即每100ms中断触发一次,可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB 101S‘WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段,实现冗余功能。调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功,原因是CP342-5之间的FDL链接建立的不正确或物理链路不通,或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的链接ID号不一致。当执行‘SWR_START’程序块时,系统分配这些数据区,不能用S7的定时器和计数器,只能使用IEC标准的定时器和计数器。
OB35中的程序段也可以在OB1中实现,只是不使用中断的方式,而使用主循环的方式。
除去冗余段外的程序大致如下:
CALL FB 101,DB5
DB_WORK_NO:=DB1
CALL_POSITON:=TRUE
RETURN_VAL:=MW6
EXT_INFO:=MW8
上段程序中调用了FB101,使用了数据块DB5。
U DB5.DBX 9.1
SPB MNEXT
上段程序可以在DB5中得到控制字(DBW10)和状态字DBW8的信息。分析状态字中的信息,如果当前站为备用系统,则跳过冗余程序段。
在SPB MNEXT与跳至的MNEXT程序块之间加入实际需要的逻辑块,此处的逻辑块就属于冗余程序段。

4  系统的功能特点
(1) 结构简单可靠的组件式插接,便于安装维护。
(2) 双电源供电、双CPU冗余,确保稳定工作。
(3) 上位机监控,具有报表打印、报警查询、状态监视、保护联锁试验记录等多种功能。

5  结束语
系统结构简洁合理可靠。扩展性好。能对所有输入输出点进行状态记录,实现保护连锁、动作记录数据管理、状态监视、系统组态等功能。对于tigao机组自动化水平,减轻运行人员负担,增加机组的可靠性具有重大意义。

1  引言
引黄涵闸的liuliang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liuliang。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liuliang。

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  信号的获取
(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获取，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，正极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收到第二个水面/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，在测点处先进行深度测量，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速过程，所得脉冲数存储到PLC，若这是一个不合格的测速过程，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liuliang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);
●第二组: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);
●第三组: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SCADA软件，和S7200通讯，实现测流自动控制。上位机同时装有视频监控系统软件，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，系统稳定可靠。不但实现了在控制室自动测流，tigao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。

 波峰焊机控制系统基本结构图
2.1 上位机监控
利用工控机作为上位机。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块:
(1) 数据采集、存储模块
上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。
(2) 数据查询模块
上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。
(3) PID参数整定模块
虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。
(4) 通讯模块
主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。
2.2 温度控制
温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用K型热电偶采集温度信号。它通过控制固态继电器的输出来调节占空比，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。
2.3 步进电机控制
在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、liuliang控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。
2.4 网络通讯
上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是基于S7-200自由口通讯的Modbus协议。Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主－从结构，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。
Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。

图2 RTU通信帧的基本结构

在下位机PLC中使用Modbus从站协议进行设计。在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求

5 温控子系统软件框图

3.2 模糊PID参数自整定算法研究
由于电阻炉温度是一种大惯性、纯滞后的控制对象，因此PID算法的参数很难确定。一般的参数整定方法就是根据经验设定其参数初值，然后根据具体工艺条件再进行调整。这种方法费时费力还不准确，所以项目开发了基于继电反馈的模糊PID参数自整定方法。
模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，并利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。控制器的输出和参数的调整是通过过程函数的逻辑模型产生的，改善模糊控制特性的有效方法是优化控制规则。图6为模糊控制系统的基本结构。

图6 模糊控制系统的基本结构
此模糊控制器由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理和反模糊化。设计模糊控制器的步就是要选择论域和模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。在本控制系统中笔者设误差的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},误差变化的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域。误差的量化因子

，误差变化的量化因子

。这两个量化因子使得误差实现了从基本论域变换到模糊论域的作用，即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中相近的整数点。另外，每次采样经模糊算法给出的控制量还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中。接下来就是进行模糊控制规则的选取和模糊推理方法的选择。模糊控制器的控制规则其实是基于专家的控制策略，它基于经验和技术知识，而控制器则是基于某种控制算法的数值运算。具体而言就是:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。
通过实验得到的波峰焊炉温模型进行仿真。假定电阻炉的温度模型为:

，Ke=0.1，Kec=1， Ku=12，控制周期为1s，模糊控制器输出为工频电压。仿真效果如图7所示。

图7 波峰焊温度控制仿真效果

4 结束语
波峰焊机控制系统的核心是温度控制。只要控温精度上去了，就可以说此控制系统已经达到基本要求了。本文研究的波峰焊机控制系统利用西门子公司的S7-200系列PLC作为下位机控制器，它的抗干扰能力强、稳定、可靠。利用其PID参数自整定模块可以达到较好的效果，但是由于此模块刚推出不久，它的控制功能有待进一步考验。因此可以根据模糊PID自整定算法原理自己编写程序，同样可以达到很好的温度控制精度。为了促进无铅焊接设备的进一步发展，其它智能控制理论也将越来越多的应用于此类控制系统中