西门子模块6ES7511-1FK02-0AB0参数详细
1、变频恒温控制系统
1.1系统参数:
引风电机为11KW，鼓风2.2KW，炉排为1.5KW
设计采用EV2000-4T0110P（通用型）系列变频器，鼓风采用SK-4T0022G（矢量型，因为考虑到变频器体积较小，价格相差不多的情况下选择），炉排SK-4T0015G。具体系统主电路结构图及原理图如下：
控制原理：将现场热电偶信号（E型）送至温度变送仪表，除显示温度外，还将温度信号转换成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模拟量输入端，经过PLC进行处理。EC20PLC模拟量输出端将PID计算出的给定信号分三路模拟量输出到三台变频器的给定。为保证鼓风、引风保证炉膛基本 负压的前提，因此具体变频器参数设置：
引风：
F0.00=4 CCI模拟给定 F0.03=1 端子运行命令通道
F0.04=4 运转方向设定 F0.05=4 大输出频率50HZ
F0.07=4 大输出电压380V F0.08=1 机型选择P（风机专用）
F0.14=1 V/F曲线设定 F2.01=30 启动频率30HZ
F2.08=0 停机方式（减速停机） FH.00=4 电机极数4
鼓风：
01=20低转速 02=50HZ高转速 03=5 04=10（加减速） 05=AIAU给定设置 06=5A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
炉排：
01=5.0低转速 02=40HZ高转速 03=5 04=5（加减速） 05=AIAU给定设置 06=3A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
1.2变频器的设置基本遵循如下原则：
鼓引风变频器控制风机，其机械特性属于平方转矩负载，因此其V/F曲线采用2次方曲线。同时，引风机的惯性比较大,因此其降速时间要求比较大，这是由于降速过程中变频器处于回馈制动状态，回馈能量将会造成直流侧母线电压过高而停机，因此，必须增长降速时间。同时，停机也要求软停车，能够延长风机的机械寿命。鼓风设置同引风差别不大，除了功率外几乎一致。但考虑为保持炉膛基本负压，必须将鼓风的升速时间要低于引风，而降速时间要快于引风。
炉排传动属于机械负载，因此炉排的控制方式为V/F基本控制或采用开环矢量控制，其低速时提供的转矩比较大，能够满足重载启动的要求，另外，系统要求的加减速时间都比较短，在5秒以内。
当检测点温度到达设定温度后，为保证温度稳定时间比较长，且要节约能源、降低损耗，因此引风、鼓风、炉排的低运转速度分别设置为：30HZ、20HZ、5HZ。
2、PLC硬件应用及软件编制
2.1:硬件配置
由主机EC20-1410BRA、模拟量输入EC20-4AD、模拟量输出EC20-4DA组成。其中给定采用一块百特公司的数字给定表，可以人为设置给定值（4-20MA信号，在表上以百分数表示），给定信号送入EC20-4AD模拟量输入模块中，作为PID给定信号。另外安装一块温度数显表，该表除显示温度外，还将E型热电偶检测温度信号变送输出4-20MA信号，送入EC20-4AD输入模块作为PID反馈信号。PID控制程序是通过EC20编程软件CONTROLSTAR中调用固有PID控制子程序来实现出口温度PID恒定控制的。
2.2:连锁控制
连锁控制主要实现如下功能：
一、启动先启动引风、后启动鼓风，一般引风启动后3秒左右鼓风才能启动。
二、停车先停鼓风，鼓风不停，引风认为不能停车；引风发生变频故障，则鼓风立即停止。
三、故障报警、运行、停止指示通过PLC实现。
四、炉排不参与引风及鼓风连锁。
2.3:变频控制及温度PID程序
一、变频器接触器得、失电由PLC控制
二、变频器的启动、停止信号由PLC连锁控制。
三、变频器的给定信号，由PID计算出的输出信号通过模拟量输出EC20-4DA，以电流信号（4-20MA）的方式输出到变频器的电流给定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC应用软件通过编程的方式实现。具体过程比较简单，在CONTROLSTAR软件中的PID命令向导一步步完成，主要设置个别参数即可。具体PID编程语言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID调用）
LD SM0
MOV D50 D20 //设定目标值
MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周 期短的时间数值无法执行
MOV 33 D1 //动作方向
MOV 0 D2 //输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0没有输入滤波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //积分时间(TI)范围0～32767(×100ms),为0时作为∞处理(无积分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益
MOV 0 D6 //微分时间(TD)范围0～32767(×10ms),为0时无微分处理
MOV 0 D15 //输入变化量(增侧)报警设定值0～32767
MOV 0 D16 //输入变化量(减侧)报警设定值0～32767
MOV 2000 D17 //输出上限设定值-32768～32767
MOV 0 D18 //输出下限设定值-32768～32767
主程序给定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（调用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID参数设定)
LD X14 （系统自动运行）
TO 0 1 D22 1 （将D22 中内容写入模块0中的个单元中，即模拟量输出值，引风给定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（设置模拟量输入信号方式，即1、3通道关闭，2、4为电流信号）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
其中特别需要说明的是FROM和TO指令。这两条指令主要用于模拟量处理，它的使用不同于西门子公司的直接寻址方式（PIW或PQW），而是用TO（写入）和FROM（读出）指令。对于模拟量模块，通过这两条指令来进行设置和参数的读出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中个1是指和CPU连接的第二个模块（个是0）； 14是指其信息存储器中的第14个存储单元；16#1111是指16进制1111；后的1是指写入的单元数为1（只占用14单元一个，后面的单元不再写）
2.4:实际参数设置
后经多次修改和调试，确定比例系数为20，积分时间为1-3秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，达到炉膛温度（实际为出口管道采集温度）恒定控制的要求。
3、实际运行情况：
经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，能够维持出口风道温度在286-288摄氏度左右，满足了现场生产的要求。经过基本测算，节电率能够达到25%-35%左右；而节煤量几乎达到了35%以上，得到了客户非常高的评价。经过节约资金量估算，经过半年左右即可收回全部设备投入资金。这对这次改造，我们认为在锅炉燃烧系统中的变频及PLC改造前景非常大，特别是艾默生公司变频器及PLC产品优异的性能、坚实耐用和高可靠性、高精度的新技术核心，会为我们的节能技术改造提供坚实的后盾
1 引言
uss串行通讯接口协议是一种siemens所有传动产品通用的通讯协议，基于rs485接口，采用主－从通讯原理，一条总线上可连接一个主站和至多31个从站。该协议公开，与siemens变频等传动产品通讯无需额外的软件及硬件（如板 卡等）费用。
2 项目简介
某不锈钢产品公司原部分生产线及消防用水由另一公司提供，水源压力无法调节，使用不经济不方便，且由于各种原因有断水现象，给生产及相关公用事业带来影响，故该公司决定新上一座泵站。该泵站含两座可随时补水的共约500m3蓄水池，四台mm430变频器控制的供水泵，其中两台22kw(100m3/hr@40m)，两台45kw（220m3/hr @40m)。另一台柴油发电机消防泵（220m3/hr@40m)供断电时启用。要求可设置泵出口压力并保持恒定，可任意配置一台供水泵的初始运行，其它泵根据压力、水量及故障等状况替补运行。
3 控制系统
3.1 硬件配置
用户已为全厂公用事业如污水处理站、除盐水站、空压站等搭建了一个profibus-dp网络，用于监控各设备运行，并要求泵站配置s7-400plc。根据用户备品备件状况，在得到用户许可后我们为泵站配置了一个s7－300的plc控制系统：cpu为315－2dp，dp口接公用事业网络，一块通讯模块cp340通过双绞线连至各变频器通讯端子，采用uss方式控制四台变频泵的运行，还包括一些常规i/o模块。组态如图1所示。
图1 系统组态
3.2 软件编程
本系统中也有一些如水池补水电动阀、泵出口电动阀的控制，有各泵根据水压状况进入退出运行的逻辑联锁等，但显然，编程工作关键还在：
(1)plc如何通过uss实现对四台变频的控制；
(2)如何快速稳定的调节泵出口管网水压。
3.2.1 uss通讯编程
根据西门子变频器手册，uss的报文结构为：每条报文以字符stx（=02hex）开始，接着是长度的说明（lge）和地址字节（adr），然后是采用的数据字符（1 2…n），报文以数据块的检验符（bcc）结束。即stx lge adr 1 2…n bcc格式。
其中，stx为固定报文头；lge为该信息后的所有字节总长度(不含lge本身)，本例变频器报文长度pkw=8字节、pzd=4字节，故lge=12；adr是一个字节，内容为从站结点（即变频器）的地址。地址字节每一位的寻址为
本系统四个变频从站号分别为1、2、3、4，程序中相应的adr=1、2、3、4；数据字符（1 2…8）前8个字节为pkw区（参数识别标记id－数值区），通过赋值可进行变频器参数的读写，数据字符（9…12）后4个字节为pzd区域（过程数据区），pzd区为控制和监测变频器而设计，在主站和从站中收到的pzd总是以高的优先级加以处理。前两字节为plc和变频器之间控制信息的写入和反馈如是否起停、故障及确认等，后两个字节为plc和变频器之间控制频率的写入和反馈；bcc为前15个字节异或的值，供变频器判断确认。
弄清了uss报文结构，再理解其工作机制，据相关资料：uss通信总由主站发起，不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否、以及如何响应。因此，程序还要根据实际规划一下plc的主站轮询间隔时间。uss在串行数据总线上的字符传输帧为11位长度，包括起始位、数据位、校验位、停止位，连续的字符帧组成uss报文。siemens资料告诉我们，在一条报文中，字符帧之间的间隔延时要小于两个字符帧的传输时间。网络波特率按缺省值9.6k计算，发送两个完整字符帧的传输时间为22÷9600≈2.3ms，一般情况下，字符帧间间隔时间应远小于两帧字符传输时间，那么发送或接收一个完整uss报文需16个字符帧，应不超过50ms。兼顾实用性稳定性，本例采用每隔250ms向各子站发送并接收信息，指令采用西门子随机光盘提供的功能块fb3(发送)和fb2(接收)。以轮询1＃变频为例，程序如图2所示。
图2 部分程序
通过simatic编程软件step7下载组态和程序，再在变频器侧设置相关命令和通讯参数，检查无误后就可正常通讯了。
3.2.2 pid编程调试
恒压供水的控制核心一般采用所谓带比例(p)、积分(i)、微分(d)的pid调节，比例项为改变系统响应速度参数，积分项为改善系统静差参数，微分项利于改善系统超调量，增加稳定性，本例未引入。s7-300作为主流可编程控制器，其软件库也提供了面向不同对象的pid控制功能块，调用非常方便，本例采用了通用功能块fb41。
通常，凑试一套pi参数都能较好满足恒压供水的控制要求，但本泵站有些特殊情况，业主要求泵起动运行后必须在较短时间(约12s左右)到达设定压力并快速消除振荡，否则会引起生产线保护误动作，导致停机。这就有些棘手，显然，要快速响应就必须加大比例值，但这必然引起超调，这种情况下改变积分时间要么系统振荡要么需长时间才趋稳定，难以找到一套合适参数解决快速与稳定的矛盾。那么，能否考虑，在系统刚建立压力时，p值放大，i值合适，让系统快速响应，在压力接近或达到设定值时，迅速减小p值，加大i值，pi调节器进入正常平滑调节以适应要求。实践证明该想法是可行的，采取两套pi调节参数后，经过多次测试完全满足了要求。程序如图3所示。
图3 pid调节程序
4 结束语
该泵站s7-300与uss控制系统投入使用两年来，通讯稳定可靠，从未出过问题。uss与西门子另一协议profibus-dp在传动使用上相比，固然编程要繁琐如要轮询要校验等，速率也逊色些，但也有廉价不用板卡支持等优点，plc只需串行口支持自由编程即可。与常规模拟量控制相比，即便不说多布电缆线的麻烦，在cp340与模拟量输出模块成本比较(特别是变频器再多些)以及系统的可延伸性上，优势都是明显的。其实，本例如不是考虑用户状况，用s7-200更显成本优势。因此，在实时性不苛刻的驱动场所，uss不失为可靠实用的选择。
另外值得一提的是，西门子凭借其杰出的工程经验，研发的工控产品给用户灵活使用常常带来惊喜。step7模块化编程，库内容丰富不说。mm430变频器也独具特色，多参数数组，bico互联，使即便uss网络损坏，手动或其他方式启动变频器成为可能，本例就采用了两套命令数组。用户还出现过工厂瞬间断电但变频停机后有命令不自起动的情况，“自动再起动”参数p1210 p1203等提供了解决方案，重新设置后便消除此现象。
