西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8规格参数
一、系统概述
艾默生PLC和变频器在浆纱机上的应用，此电气系统采用PLC集中管理，分散控制，系统集中化，简约化，易控性强，更好的降低故障率。 方案配置如下：
PLC系统由艾默生EC202416BAR主模块，16点的数字量输入模块和4路模拟量输出模块组成。
操作界面采用工业级液晶触摸屏，可动态修改控制参数，方便显示当前速度，当前匹长、匹数及系统的动态运行状态。
边轴电机变频器采用高性能通用型的EV2000系列，织轴收卷TD3300 22KW张力变频器。此变频器是张力专用变频器，内置张力控制功能。采用独立变频模式，结构简单，维护方便，稳定度高，保证收卷的张力及线速度，在小卷到大卷的变化过程中稳定可靠。在加减速中的自动补偿控制，使加减速中张力更稳，更有上卷防断纱程序，使上卷起机时便于操作。
本系统的优点：
Ø 张力设定在人机上设定，人性化的操作;
Ø 使用先进的控制算法:卷径的递归运算;空心卷径激活时张力的线性递加;张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等;
Ø 卷径的实时计算，jingque度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值;
Ø 因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。如果操作人员进行加速、减速、停车、再激活时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好;
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在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本上不需对原有机械进行改造。改造周期短，基本上两三天就能安装调试完成;
Ø 克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。方便维护设备。
Ø 机台上的所有操作部分全部采用36V以下的安全电，以保证操作中的使用安全。
二、系统框图
三、张力控制原理
所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。反应到电机轴即能控制电机的输出转矩。真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器。而且在大小卷启动、停止、加速、减速、停车时的调节不可能做到像真正的张力控制的效果，张力不是很稳定。肯定会影响产品的质量。
变频收卷的实质是要完成张力控制，即能控制电机的运行电流，因为三相异步电机的输出转矩T=CmφmIa，与电流成正比。并且当负载有突变时能够保证电机的机械特性曲线比较硬。所以必须用矢量变频器，而且必须要加编码器闭环控制。用变频器做恒张力控制的实质是死循环矢量控制，即加编码器反馈。收卷的卷经是由小到大变化的，为了保证恒张力，所以要求电机的输出转距要由小到大变化。同时在不同的操作过程，要进行相应的转距补偿。即小卷启动的瞬间，加速，减速，停车，大卷启动时，要在不同卷经时进行不同的转距补偿，这样就能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大；大卷启动时松纱的现象。
Ø 卷径的计算原理
根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1×R1, V2=ω2×Rx。因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1×C1=Δn2×C2/i
(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比)
Δn1×π×D1=Δn2×π×D2/i
D2=Δn1×D1×i/Δn2，因为Δn2=ΔP2/P2
(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的圈数)。Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即测长辊转一圈，由编码器接到PLC。那么D2=D1×i×P2/ΔP2，这样收卷盘头的卷径就得到了
Ø 收卷的动态过程分析
要能保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定。需要进行转矩的补偿。整个系统要激活起来，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，简称静摩擦转矩，静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩，滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在，并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿，系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，也要进行相应的转矩补偿，补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系。在不同车速的时候，补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩;克服了这些因素，还要克服负载转矩，通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小，经过减速比折算到电机轴。这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。
总结:电机的输出转矩=静摩擦转矩(激活瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩。
Ø 转矩的补偿标准
1) 静摩擦转矩的补偿
因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在，在系统激活后就消失了。因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿。
2) 滑动摩擦转矩的补偿
滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的。补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准。补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
3) 加减速、停车转矩的补偿
补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
相关的计算公式 PLC
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四、调试过程
（1）先对电机进行自整定，将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器。
（2）将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的圈数。然后用面板给定频率和启停控制，观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用闭环矢量控制时，运行频率总是接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近波动的。
（3）在程序中设定空芯卷径和大卷径的数值。通过前面卷径计算的公式算出电机尾部所加编码器产生的大脉冲量(P2)和低脉冲量(P2)。通过算出的大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对高速进行限定，一旦出现断纱等情况，收卷电机会飞车的。低脉冲量是为了避免收卷变频器运行在2Hz以下，因为变频器在2Hz以下运行时，电机的转矩特性很差，会出现抖动的现象。
（4）通过前面分析的整个收卷的动态过程，在不同卷径和不同运行速度的各个阶段，进行一定的转矩补偿。补偿的大小，以电机额定转距的百分比来设定。
中央处理器模块 CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0 2块，工作存储器128KB；
电源模块6ES7307-1EA00-0AA0 2块给CPU供电；
通讯模块6GK7343-1EX20-0XE0 2块与计算机进行网络通讯并进行两个CPU之间的冗余通讯；
接口模块6ES7153-2AA02-0XB0 2块进行PROFIBUS远程I/O通讯和系统冗余通讯；
电源模块6EP1333-2AA00 2块给ET200供电；
DI数字量输入模块6ES7321-1BL00-0AA0 5块 采集现场设备的运转及故障状态；
DO数字量输出模块6ES7322-1BL00-0AA0 3块控制现场设备的启停；
AI模拟量输入模块6ES7331-7KF02-0AB0 2块采集现场设备的压力、liuliang、烟气成分含量以及风机和加药泵的频率信号；
TC热电偶输入模块6ES7331-7PF10-0AB02块 采集1000度以上的烟气和蒸汽温度信号；
RTD热电阻输入模块6ES7331-7PF00-0AB02块采集1000度以下的烟气和蒸汽温度信号
AO模拟量输出模块6ES7332-5HF00-0AB02块通过程序的PID自动调节控制风机和加药装置的频率；
三、控制系统构成
1．本项目的硬件设备主要分为三个大部分：PLC部分、现场设备以及模拟屏部分，主要系统结构选用标准拓扑式结构，现场仪表和设备采集数据连接到PLC的输入模块、并接收PLC的命令对现场设备进行控制和调节；PLC接收现场设备的数据传输给计算机并传诵计算机下达的控制命令，并内部通过强大的内部运算国内进行PID自动调节，具体组成和选型依据如下：
PLC 选用西门子的S7-300系列PLC，设计为软冗余系统，PLC本体与远程I/O通讯为PROFIBUS 协议的串口通讯，PLC与计算机采用以太网，并以以太网作为冗余网络；中控室计划设计为两台工业计算机模拟屏等设备，与计算机的通讯采用RS232直接串口通讯，软件选用WINCC.0组态软件。
现场采集和显示控制设备，基本选用国产元件，一般选用的测量1200度以上的温度S分度热电偶，1200度以下500度以上用S分度热电偶，500度以下用PT100热电阻测量，直接与相应的PLC模块连接，不需要任何的变送器元件；压力选用压力差压变送器把压力信号变成4-20mA的标准信号送到AI模块；电机的转速通过变频器调节，频率信号通过AI 模块输入，频率的设定通过AO 模块输出4-20mA的标准信号进行控制，启停控制通过DO模块控制，设备状态信号通过DI模块输入。
2．附加系统设备主要有变频器、压力变送器、温度传感器、智能仪表和控制继电器等，大部分设备与PLC之间全部采用硬连接，硬件配置及网络结构见下图：
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3.多种方案的比较
过于系统选型方案的比较，由于以前工程的冗余控制系统一直使用国内的DCS系统或者PLC的硬冗余系统，但从使用效果以及造价成本方面考虑，国外DCS系统价格非常昂贵，国内DCS系统又不是特别稳定；用PLC硬冗余系统也存在价格比较贵的原因；通过比较，决定用价格相对便宜而性能又比较稳定的西门子软冗余系统尝试使用。
四、控制系统完成功能
1．本系统的主要工作分以下几个方面：
Ø 软冗余功能的完成
软件冗余是西门子公司实现冗余功能的一种低成本解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中，节约成本。但在垃圾焚烧项目中对设备的控制要求非常严格，也就是说控制设备在冗余切换中不能断开，所以本人根据西门子公司的软冗余手册进行调试和编程，后效果非常好，不会出现切换设备中断的现象，所以给下面的工作带来了巨大信心，具体调试过程在西门子的“软冗余文章”全部有描述，在此不做过多的描述。
Ø控制功能的完成
本系统的自动控制功能主要分以下几个部分：
一次风机、二次风机以及引风机的联动控制
在本系统中，焚烧系统的焚烧炉体转动的速度、加料电机的转速、一次风机、二次风机以及引风机的运转频率全部联动控制；当引风机开启后，一次风机、二次风机才能开启，根据温度和烟气的氧气含量控制炉体转动的速度、加料电机的转速、一次风机、二次风机的频率进行调速控制，直接利用STEP 7的PID 模块，直接可通过DB 模块直接设定设定值以及积分时间，非常简便；一燃室的烟气温度控制到850度，二燃室的烟气温度控制到1200度，使之不产生二恶英；一燃室温度过高时增大进料电机速度，同时减小一次风风机速度，同时要保证烟气的氧气含量在19-21之间，反之亦然；二燃室温度过高时增减小一次风风机速度，同时增加二次风风机速度，同时要保证烟气的氧气含量在19-21之间，反之亦然；并且在控制一二次风的时候，必须自动调节引风机速度，保证烟道压力保证在-150PA左右。
碱液站的自动控制
在除酸喷雾塔中需要喷洒碱液以保证烟气的酸碱度，同上面一样直接利用STEP 7的PID 模块，直接可通过DB 模块直接设定设定值以及积分时间，非常简便；
布袋除尘器的自动控制
设定温度值，利用PLC 内部的比较指令，温度范围在130-190度之间时，启动布袋除尘器，超出范围时，通过PLC程序启动旁通阀，保护布袋。
锅炉给水自动控制
锅炉汽包水位是确保安全生产和维护正常供汽的主要条件，一般要求水位维持在设计水位的±50mm 范围内；设定锅炉给水水位，通过PID 模块自动调节给水阀门的开度，从而达到控制锅炉水位的功能。
系统终检测结果：
PLC 系统采集正常，数据显示和动作控制的时间不超过500ms ,数据交换的准确率为；
PROFIBUS 传输正常，没有掉落模块的情况出现；
PLC 数据传输jingque，模拟量的jingque度可以达到13BIT；
冗余系统正常，没有出现主从系统切换时中断，切换时一切控制正常，包括控制继电器不会断开、模拟量输出控制变频器转速不会丢失等；
模拟屏显示正常、数据刷新正常，数据刷新速度为1000ms；
2．在本项目的调试过程中，应该说是非常顺利的，只是在开始的时候由于软冗余系统在深圳比较少用，所以在刚开始调试时比较担心，但经过西门子公司的技术支持，调试非常顺利，在刚开始就确认冗余切换没问题。
在工业控制中,PLC控制系统由于其可靠性高、控制功能强得到了越来越广泛的应用,而串行通讯是计算机和外设进行通讯、采集外部信号的重要手段。在实际应用中往往会遇到不同的控制系统需要检测同一物理信号的情况,本文以西门子CP340串行通讯模块在碱回收蒸发工段和燃烧工段的应用为例,介绍了如何利用PLC串行通讯实现不同的PLC控制系统间的信息共享,从而避免了物理量的重复检测,达到了减少硬件成本的目的。
关键词:CP340;串行通讯;PLC;蒸发工段;燃烧工段
0 引言
随着工厂自动化水平的不断tigao,传统的“继电器”加“经验工人”的控制方式正逐步被各种自动控制系统所代替,其中PLC控制系统是在工厂中应用为广泛的一种计算机控制系统。在实际的工业控制系统中,一个生产过程的不同工段往往要由不同的PLC控制系统进行控制。由于某些工段间存在密切的联系,要对其中的某一工段进行控制时,往往会涉及到使用其它工段的物理量。当两个PLC系统都需要检测某一物理量时,传统的解决方法是分别对该物理量进行检测,这样当数据量大、传输距离较远时,不仅需要增加信号采集模块,而且增加了控制系统的硬件成本,同时会造成布线的困难。在造纸生产的碱回收过程中,经常使用两个PLC控制系统来分别控制蒸发工段和燃烧工段的某一对象,例如在对蒸发工段进行控制时需要用到燃烧工段的liuliang信号,而在燃烧工段中则需要用到蒸发工段的某一效的液位信号,因此就涉及到了信号的重复检测问题。本文采用串行通讯使两个工段的PLC控制系统互相交换检测信号,实现了两个系统间的信息共享,为工厂节约了大量的人力物力。
1 改进方案
我们利用串行通讯功能实现两个不同的PLC控制系统间的信息共享。在蒸发工段使用的是西门子DCS控制系统,在燃烧工段则使用ABB的DCS控制系统。西门子DCS的CP340通讯模块的通讯协议是3964(R)协议,而ABB的DCS控制系统使用的MODUBUS也支持3964(R)通讯协议。这样,使得双方数据的收发成为可能。RS232C接口的传输距离仅有15m,而两工段的距离却有一、二百米,所以在两个工段间分别加两个RS232/485转换器ADAM4520(成本低)来增加传输距离。我们知道RS485接口的传输为半双工差动接收和发送方式,传输数据有较高的通信速率(波特率可达10M以上)和较强的抗干扰能力,且输出阻抗低且传输距离远(可达1.2km),其结构如图1所示。
2 硬件选择
采用西门子CP340通讯模块,它有一个RS 232串行通信接口,它使S7 400PLC能与通信伙伴以点到点通信方式进行数据交换,任何有RS 232C接口的设备都可以成为其通信伙伴,CP340是PLC与PLC或计算机进行数据交换的桥梁和纽带。一方面,CP340通过背板总线与PLC的CPU相连;另一方面,CP340的RS 232C接口与另一台设备(支持同一协议)的RS 232C接口相连。为了减少通信时CPU模块的负担,CP340被设计成智能型的,CP340模块上的处理器既受控制又有自主性,它根据CPU模块的命令自主管理串行口的收发工作。CP340模块上有接收缓冲存储器和发送缓冲存储器,依靠接收和发送缓冲器(缓冲区)建立起了CP340和CPU的联系。发送时,CPU模块只需要把发送的数据写入发送缓冲区,然后,由CP340把缓冲区中的数据逐个发送给通信伙伴,CP340还负责从通信伙伴接收数据,并把接收到的数据写入接收缓冲区,CPU模块以查询方式读接收缓冲区,如果缓冲区不空,CPU便得到接收数据。读写CP340上的缓冲区需要在用户程序中调用专用的功能块,写缓冲区的功能块称为发送功能快,读缓冲区的称为接收功能块,CPU要发送的数据必须存储在数据块中,调用发送功能块可把数据块中的数据写入发送缓冲区,调用接收功能块可把接收缓冲区的数据读到数据块中。总之,它具有较好的性能价格比,在其上固化有3964(R)协议,用STEP7中的专用组态工具可直接设置传输的波特率、数据位等、相当方便和可靠.
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3 通信协议
在数据传输时,3964(R)在发送数据前后加一些控制字符形成发送信息帧,控制字符既是表示信息帧开始或结束的标志,也是发送方与接收方的握手信号,还可用来保证传输数据的完整,控制字符有:正文开始字符STX(ASCII码为02H),数据链路转换字符DLE(10H),正文结束字符ETX(03H),块校验字符BCC和否定应答字符NAK(15H)。图2给出了3964(R)发送信息帧的格式,由于使用了DLE和ETX作为正文结束的标志,所以不要求正文有固定长度,但正文长度不能超过1024Byte,该图为传输一个信息帧的3个阶段,首先使用通信链路传输正文,然后在传输完成时用控制字符释放通信链路。
4 软件编制只需要注意双方在通讯的时候发送、接收不要同时进行,如在蒸发发送的时候,燃烧处于接收状态,反之亦然。
CALL”P＿SEND”,”DB＿P＿SEND”
REQ :=M30.0
R:=M30.1
LADDR:=256
DB＿NO:=70
DBB＿NO:=0
LEN:=MW40 PLC资料网
DONE:=M50.0
ERROR:=M50.1
STATUS:=MW60AM50.0
SM30.1RM100.1SM90.0CALL”P＿RCV”,”DB＿P＿RCV”
EN＿R:=M90.0
R:=M100.1
LADDR:=256
DB＿NO:=60
DBB＿NO:=0
NDR:=M200.0
ERROR:=M200.1
LEN:=MW252
STATUS:=MW254AM200.0SM100.1RM30.1RM90.0
5 结论改进后tigao了信号测量和传输精度,且传输距离更远,减少了功能单元的大量布线,节省了硬件资源,从而为系统的扩展留下了更充足的空间。
