6ES7253-1AA22-0XA0产品型号
1 引言
近年我国不少矿山企业为了实现高效、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP圆锥破碎机，以进一步优化生产指标和提高效率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障率高，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此，需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。
2 工艺与控制要求
某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿首先从原矿仓通过重型板式给矿机送入鄂式破碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛，筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成闭路;筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给矿机、鄂式破碎机、2台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热继电器状态）的监测及自动联锁;②2个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3台除尘风机起停控制和工作状态监测;③粉矿仓超声波料位计的信号监测;④控制室与现场各车间联络的声光警示信号。
本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2台圆锥破碎机和轴瓦温度监测;⑥2台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制;⑦1#和3#皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制;⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC控制系统通过转换开关进行工作方式切换。
3 系统硬件配置
根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC控制器和现场电气驱动和信号检测。PLC控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟可靠，应用广泛，具有功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护;16通道DI模块SM321，5个;16通道DO模块SM322，3个;8通道AI模块SM331，2个;4通道AO模块SM332，1个;考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSCADA过程监控组态软件。S7-300和监控站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613通讯卡，通过MPI电缆进行连接。
4 PLC控制功能设计
PLC程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。
4.1设备起停联锁逻辑控制
碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，后起动重板给矿机;顺流程停机，即先停重板给矿机，后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔，以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变;当重板给矿机、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行;②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号超限时自动停机，以防止设备受损;③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警;④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。
系统从安全可靠、灵活高效的原则出发，设置3种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动;②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用;③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停，满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要;在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮，可在3种控制方式间进行任意转换。
通过对上述控制功能和PLC各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K为控制设备起/停的PLC输出信号，Y为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态;S1，上台设备启动后延时触发信号;S2，转换开关处于计算机控制方式;S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动;S4，监控画面单动按钮;S5，控制方式预转换按钮;S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制;S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号;B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生;B2，监控画面停止按钮;D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发;B3，监控画面紧急停止按钮;B4，操作台紧急停止按钮;S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态;S9，该设备PLC控制输出状态，为“1”表示PLC控制线路接通。
图1 单台设备起/停控制梯形图
4.2 破碎机恒定负荷控制
Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在佳工作负荷状态，达到大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率（电流）作为被控参数，通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数，主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。
图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图
由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗扰动能力，提高了系统的动态特性和主参数的控制质量。
5 监控站人机界面设计
监控软件采用澳大利亚的CitectSCADA组态软件。CitectSCADA采用开放式结构，支持多种型号的PLC和I/O设备，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，监控软件就能建立起与PLC内部地址的连接和通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画面（见图3），通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、现场询问等控制功能;②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义;③自动报表，将生产统计数据按生产班次定时打印;同时，在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的时候进行打印;④在线操作指导，采用bbbbbbs超级链接文本帮助的形式，向操作人员提供了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息;⑤报警功能，在每幅画面上都有报警标志，设备故障、工艺参数异常都会触发相应的报警，每个报警都有详细的说明和原因解释，并有完善的报警确认、报警屏蔽和报警历史记录;⑥权限安全设置，通过设置工程师和操作员2级权限，明确了生产操作和管理职责，防止了误操作，有效的增强了系统的安全性、可靠性。
6 运行效果
目前本控制系统已成功投入使用，取得了良好的效果：①生产效率显著提高。破碎机恒定负荷控制后，挤满给矿率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主机运行负荷功率由人工操作的170 kW（主机电流28 A）左右，稳定提高到200 kW（主机电流33 A） 以上，处理能力得到充分发挥，台时处理量提高15 %，综合电耗降低了13%;②设备得到有效保护。破碎机负荷电流和轴温信号受到监控，一旦超限会及时报警和联锁制动，从而解决了因为堵料造成电机超载、皮带烧毁以及爆轴的问题;③系统故障率明显下降，维护工作大大减少，设备稳定运转得到充分保障;④减少了人员编制，仅需要2人就完成相当以前5人的工作。
7 结语
本文作者创新点：采用S7-300 PLC和CitectSCADA过程监控组态软件，对金矿碎矿生产控制系统进行了设备改造，实现了生产设备操作的自动控制、联锁保护、数据集中显示和处理等较为全面的功能。从实际运行的效果来看，该系统设计合理，稳定可靠，显著提高了生产效率。
读出s7-1500 cpu的运行时间有多种方式，下面分别介绍这几种方式。
1.通过ob1的启动参数读出运行时间在非优化的ob1启动信息中带有ob1的运行时间，如图1所示。
图1.读出非优化的ob1中运行时间
将启动信息参数传递到全局变量中就可以读出cpu的上次扫描、小、大扫描时间，编程非常方便。
2.调用rd_sinfo函数读出运行时间
如果使用优化的ob1，启动信息简化而没有这些运行信息，如图2所示，则必须调用函数读出。
图2优化ob1的启动信息
例如在ob1中调用rd_sinfo函数读出运行时间，程序如图3所示。参数top_si为当前ob1的启动信息，数据类型为si_classic，需要手动键入，zi1为上次扫描时间，zi2_3包含小、大扫描时间，低字为小扫描时间，高字为大扫描时间，示例中分别传送到mw10和mw12中。start_up_si为暖启动ob的启动信息，示例中没有进行引用。
图3调用rd_sinfo函数
3.调用rt_info函数读出运行时间
通过函数rt_info也可以读出cpu的运行时间，示例程序如图4所示。
图4调用rt_info函数
通过模式1、2、3可以读出cpu的上次扫描、小、大扫描时间，在这三种模式下，参数info的数据类型为ltime，可以直接读出。也可以通过其他模式读出运行时间的百分比。
4.调用runtime指令读出运行时间
通过指令runtime可以从参数ret_val直接读出cpu的运行时间，单位为秒，mem为中间保存程序运行的存储器，两个参数类型都是lreal，除此之外还可以读出一段程序的运行时间。如图5所示。
图5 runtime指令
对于接收4-20ma模拟信号的模块，在没有联接模拟量信号源时测量输入两端，如有24vdc左右电压的是两线制的模块，反之是四线制的模块，此法是在模块其余工作条件都准备就序才成立。
对于发出4-20ma模拟信号的仪表/变送器/（发送源），在没有联接模拟量信号接收模块时测量输出两端电压，如有24vdc左右电压的是四线制的模块，反之是两线制的模块，此法是在模拟信号发送源其余工作条件都准备就序才成立。
两线制的4-20ma模拟信号接收模块，只能接2线制的信号源；而四线制的4-20ma模拟信号既能接四线制的信号源，通过串入24vdc的，还能接两线制的信号源。
西门子的模拟量模块，具体接线是二线制还是四线制，模块硬件配置设置里是可改的.具体用那种，取决于外来4-20ma信号是否需要西门子模拟量模块提供24vdc电源串入4-20ma回路，如果回路需要串入模拟量模块该通道的24vdc，选二线制，比如变送器等(如果串入外部24vdc电源选四线制，不过一般这种不用，西门子也不推荐怕烧坏自己模块)；还有一种，直接进来信号就是4-20ma信号,而不需要供24vdc(一般二次仪表都这样),这种硬件设置里面就选四线制。
西门子模块具体二线制和四限制都支持,具体选择根据使用回路是否需要模块提供24vdc来决定。
其实两线还是四线的还是比较容易区分的,两线是现场仪表的输出信号需要由或系统提供电源的，四线是仪表自己提供输出信号的电源的，不需plc或dcs的供电,西门子的ai模块是需要定义通道信号的类别的。
给一个deltav系统4-20ma输入卡件的原理框图，希望对大家有帮助。注意观察250欧姆电阻所在的位置。
公司有一个时间同步服务器，mes系统想让设备的时间保持一致，这样他们的报表会比较准确。因为同mes系统是通过cp343-1来做数据交互的，所以我想利用这个通信模块来实现时间同步。
1. 双击硬件组态中的cp343-1，打开时间、日期同步对话框。勾选“forward time of day to station”. 再输入时间同步服务器ip地址和同步频率。
2. 双击cpu，选择“diagnostics/clock”,这里要把plc选成从站。这样才能利用cp343-1把同步的时间传给cpu。
这样便可以实现整个车间的时间同步了。
step 7中有梯形图、语句表和功能块图3种基本编程语言，可以相互转换。通过安装软件包，还有其他的编程语言，以下简要介绍。
(1)顺序功能图(sfc)
step 7中为s7 graph，它不是step 7的标准配置，需要安装软件包，s7 graph是针对顺序控制系统进行编程的图形编程语言，特别适合顺序控制程序编写。
(2)梯形图(lad)
梯形图直观易懂，适合于数字量逻辑控制。“能流”(power flow)与程序执行的方向。梯形图适合于熟悉电路的人员使用。设计复杂的触点电路时好用梯形图。其应用为广泛。
(3)语句表(stl)
语句表功能比梯形图或功能块图的功能强。语句表可供喜欢用编程的用户使用。语句表输入快，可以在每条语句后面加上注释。设计应用程序时建议使用语句表。
(4)功能块图(fbd)
“logo!”系列微型使用功能块图编程。功能块图适合于熟悉数字电路的人员使用。
(5)结构文本(st)
step 7的s7 scl（结构化控制语言）符合en61131-3标准。scl适合于复杂的公式计算、复杂的计算任务和优化算法或管理大量的数据等。s7 scl编程语言适合于熟悉编程语言（例如pascal或c语言）的人员使用。它不是step 7的标准配置，需要安装软件包。
(6) s7 higraph编程语言
图形编程语言s7 higraph属于可选软件包，它用状态图（stategraphs）来描述异步、非顺序过程的编程语言。higraph适合于异步非顺序过程的编程。
(7) s7 cfc编程语言
可选软件包cfc（continuous function chart，连续功能图）用图形方式连接程序库中以块的形式提供的各种功能。cfc适合于连续过程控制的编程。它不是step 7的标准配置，需要安装软件包。
在step 7编程软件中，如果程序块没有错误，并且被正确地划分为网络，在梯形图、功能块图和语句表之间可以转换。如果部分网络不能转换，则用语句表表示。
