西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8详细解读
1 引言 随着国民经济的快速发展，高速列车大大提高了交通运输效率，同时也增加了对安全性的要求，如何在列车高速运行的情况下保证铁路设备的安全问题也变得越发重要。以原有的人工维修保障体制保证设备的安全，不仅费时费力，而且难以适应发展后的铁路系统的各种客观需要。根据以往我们开发工业监控系统的经验，结合铁路系统的特点，开发了适合铁路系统的微机监测系统，利用其采集大量信号，通过这些信号可以了解设备的运行状况并分析故障产生原因，它在保证铁路列车安全运行、及时发现故障、分析故障及保证铁路维修体制改革实现状态修方面发挥了不可缺少的作用。利用PLC作为微机监测系统的数据采集机可以保证其高可靠性要求。 2 需求分析 铁路系统关系到人民生命财产的安全，所以铁道信号微机监测系统必须具备以下特点: (1) 高可靠性 监测系统在寿命期限内能在恶劣条件下平稳可靠运行，将故障率降至低; (2) 抗干扰性强 微机监测系统是暴露在铁路沿线运行的，所处的环境相对恶劣，为了提高数据采集和数据传输的可靠性，避免发生错误报警，系统必须具有较强的抗干扰性; (3) 可扩展性与可维护性 与铁路系统的扩建相对应，监测系统应该易于扩展和维护; (4) 高性价比 完成状态检修的微机监测系统作为列车的辅助设备，不应投入太多资金，应该在低成本下操作。 根据系统要求的高可靠性和强抗干扰性，选用PLC作为系统的采集机。系统实现要解决的关键问题就是PLC的资源较少，我们必须经过合理分配，有效利用有限的资源。 以广深铁路线某站为例，需要采集1024个开关量，128路轨道电压，6路外供电压，40路转辙机电流，768路电缆绝缘值，50路电源屏电压。设计铁道信号微机监测系统时，必须根据铁路系统运行特点和要求，采取一些特殊的技术和方法，建立适用的全面反映铁路系统及设备的宏观运行状态的系统，更有效的管理整个铁路系统的运行。 3 系统构成 3.1 系统总体结构 总体上看，本论文所要介绍的GSWJ型铁道信号微机监测系统结构可分为三部分:即采集电路—前置部分;下位机—采集机;上位机—监测机三个部分。各部分的作用分析如下: (1) 采集电路 ·对所有被监测量实现保护、隔离，将隔离后的信号转换为标准电压或电流信号; ·下位机(采集机)的控制下，将所有代表被监测参数的标准电压或电流信号，分类依次送至PLC相应的数据采集口。 (2) 下位机(采集机) 依照程序或上位机发出的检测命令，向采集电路发出相应的控制信号，对采集电路送至采集口的信号进行采集，对采集的数据进行相应的综合，并将所采集的数据整理后存入相应的数据缓冲区，完成与上位机数据通讯。根据本站需求，本系统采用OMRON CS1系列PLC作为数据采集机; (3) 上位机(监测机) ·通讯管理:上、下位机之间各种类型数据通讯的管理; ·数据管理:对采集的各类数据建立数据库，各种参数、图表、曲线的绘制，以及显示、查询和打印各种报警信息。 本系统中，利用Dephi语言编写上位机程序，实现通讯管理和数据管理。 3.2 系统实现的几个关键问题 从系统的需求分析可以看出，铁道信号微机监测系统需要采集的数据量大，对可靠性和安全性很高，而且需要系统在低成本方式下运作，如何合理配置，使资源得到有效利用是设计重点和难点，下面阐述几个关键问题的解决方法。 (1) 系统采集方式的选择 铁路系统中，由于监测的信息点多，且各种被监测量要求的采集周期不同，如开关量要求的采集周期为250ms，轨道电压的采集周期为2min，如果采用常规的点对点采集，会大大增加系统成本，所以系统采用分类集中的信号采集方式，将同类信号集中并作相应的保护，经过切换，利用一个A/D口输入。另外，由于本系统是用于广深铁路线上，地处南方多雷击地区，而且电气化的高速铁路本身会产生高达几万伏的冲击电压，因此监测系统必须保证有很强的抗干扰性。系统采用欧姆龙公司的CS1系列PLC作为采集机，同时，对所有被采集的信号都作了隔离和保护。
如图1所示，系统采用并联式结构，这样的结构方式将被采集的物理量按类集中，分为开关量和模拟量两大类，采集回路结构清晰，易于发现故障。 (2) 开关量采集方法 开关量采集回路如图2所示。
开关量采集原理: 4位开关量输出信号经过译码得到16位地址，根据地址将1024个开关量分成16组采集，每次采集64位，利用两块32口的开关量输入模块。 (3) 模拟量采集方法 根据铁道部有关规程，外供电压、轨道电压、转辙机电流等模拟量要求不同的采集方式，例如外供电压和轨道电压采用巡测采集方式，即巡回检测采集;转辙机电流采用中断式采集方式，即当转辙机发生动作时才采集相应的数据;绝缘检测的采集方式是命令式，这是因为绝缘检测是带电检测，在保证列车安全运行的情况下，必须由工作人员通过上位机发出指令采集相应的绝缘值。根据这些不同要求，系统中利用不同的模拟量采集回路实现。图3示出128路轨道电压采集回路框图。由前置电路通过隔离、滤波、保护等前置电路处理采集的模拟信号，变成1～5V标准电压信号，经过两级切换，在PLC中经A/D转换后，用0-4000的数字量线性表示。
(4) PLC与上位机通信流程 上位机与PLC的通信流程大致如下: 系统监测的信息点多，采集方式不同，因此系统实现的另一个的难点就是对不同数据的通讯管理。系统需要采集的数据有1024个开关量，128路轨道电压信号，64路外供电信号，16路转辙机电流等，由于采用串口与上位机通讯，通讯资源有限[1]，按照铁道部有关规定，将数据的优先级规定为:开关量信号，外供电压信号，转辙机电流信号，轨道电压信号，对优先级高的数据优先处理，程序流程如图4所示。
采用这种通讯方式的特点是程序结构简单清晰，通信简单，可扩展性强，能保证重要数据的优先传送。缺点是通讯速度较慢，在调试中发现，128路轨道电压全部传到PLC中需要大约3s，但在铁路系统中，这样的通讯速度已能满足要求。 4 程序流程分析 (1) 程序说明 主程序给每一类被采集数据分配一个缓冲区[2]，根据优先级处理数据，将需要通讯的数据写入通讯缓冲区中，然后与上位机通讯。 系统要求将变化的开关量传送到上位机进行显示，PLC程序中，给开关量分配两个存储单元D1和D2，将次采集的开关量存入D1，下一次采集到的数据存入D2，另外为开关量分配了一个环形数据缓冲区H1～H50，缓冲区中每个存储单元的存储容量为67个字，其中1024个开关量占64个字，一个标志字表示发生变化的开关量组，另外2个字用来表示开关量发生变化的时间(年，月，日，小时，分钟，秒，毫秒)。环形数据缓冲区的结构如图5所示。缓冲区作用是:将需要存储的开关量按顺序存入缓冲区，50个存储单元存满后，第51个数据再存入第1个存储单元，这样就将这个缓冲区循环利用，有效使用了PLC的有限资源。
(2) 开关量采集程序流程 将次采集的开关量存入D1，下一次采集到的数据存入D2，比较D1和D2，看数据是否相等，如果相等，直接进行下一次巡视;如果不等，说明开关量发生变化，系统要求将变化的开关量送入上位机，此时将D2种的数据送入缓冲区Hi中，并设立标志，增加地址指针，同时用D2覆盖D1的数据，程序流程如图6所示:
5 结束语 采用OMRON CS1系列PLC作为数据采集机的GSWJ微机监测系统已经在该站投入运行，5年来，系统运行正常，保证了铁路列车安全运行，并准确采集各项数据，及时发现故障和分析故障产生原因，另外，系统的报表输出功能减轻了值班人员人工抄表的劳动强度。微机监测系统部分实现了铁路系统自动控制，从整体上提高了企业的管理水平，且各项技术指标均达到设计要求。 |
20世纪60年代末，为了改变由成千上万个继电器经硬线连接构成的传统装置，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成功一台可编程序控制器（以下简称PLC）。经过20多年的不断发展，现在已形成了完整的工业控制产品系列，其功能从初仅有计时、计数及逻辑运算等简单功能发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件数据处理功能和联网通信功能，在I/O点数、内存容量、系列化、通信化、通用化方面都有了明显的进步，特别引人注目的是新推出的PLC产品都大大增强了通信功能，采用了网络技术，使多台PLC并网工作，提高了整体性能。
从控制功能上看，PLC可替代继电器控制电路的一切功能，具有浮点运算、数据传送和比较、文件传送、诊断、逻辑判断、中断控制、通信、人机对话等功能，在使用方便性和系统可靠性方面则具有继电器电路无与伦比的优越性。目前，PLC产品已成为控制领域中常见、重要的装置之一。它代表了当前电子程控技术的发展潮流，其应用已渗透到国民经济的各个领域，发挥了日益明显的作用，因而受到越来越高的重视。据调查结果表明，约80%的工业单位可采用PLC作为控制装置，可见其在工业各个领域中的应用前景之广泛。
金隆铜业有限公司是率先在国内铜冶炼企业采用可编程序控制器用于主体生产工艺过程控制的企业，其成果和经验随后也得到了国内其他冶铜企业的肯定和效仿，该项目也因此获得了当时的国家有色工业局授予的科技进步一等奖。金隆铜业有限公司采用的是在国际市场占有率较高，度也较高的美国Rockwell公司生产的PLC-5系列大型可编程序控制器。全套系统的成套和软件的编制调试则由上海自动化仪表研究所、南昌有色金属设计研究院、铜陵有色设计院和金隆铜业有限公司自动化室共同承担，这几家单位都有着雄厚的技术力量和多年从事自动化项目设计、成套的经验，因而系统自投用以来在生产和管理中都收到了显著的成效。
一、系统概述
1. 系统配置
金隆的可编程序控制器系统主要包括：三台转炉、转炉公用设备及铸渣机PLC控制系统；两台阳极精炼炉PLC控制系统以及电解车间及电解液净化部分的PLC控制系统。
以上三个系统共分为九个PLC控制站，这九个PLC控制站全部选用PLC-5/40可编程序控制器作为主机。
2. PLC-5/40介绍
PLC-5/40是Rockwell公司PLC家族中应用广、功能强、性能价格比理想的机种之一。它具有速度快、内存大、指令系统丰富等特点，并可配置成主机和网络冗余的控制系统。
3. 软件介绍
软件包括通信软件WinLinx、监控软件WinView和编程WinLogic5。
● WinLinx是以bbbbbbs为基础的、用于与PLC进行通信的软件。WinLinx既是一个驱动程序又是一个DDE服务程序。驱动程序是与PLC之间的通信接口，而DDE服务则提供了与bbbbbbs其他应用程序的数据交换手段。
● WinView是一个用于数据采集、监控和信息管理的工业监控软件包，是个人微机上的实时、多任务、多窗口的、功能强大的、模块化的、彩色图形组态软件。它可以根据现场数据的变化而形成动态画面。
● WinLogic5是用于对可编程序控制器进行编程和文本处理、功能强大的软件包。它提供了对ROCKWELL公司的PLC-5可编程序控制器进行在线和离线编程、I/O组态、报告、诊断、注射和监控、强制等功能。它具有非常友善的人机界面，全部功能均可以用鼠标进行简单的操作。
二、具体应用
1. 在阳极精炼炉的应用
金隆公司共有两台阳极精炼炉，其操作控制水平的好坏直接关系到阳极铜的质量乃至影响到电解铜的质量，阳极精炼炉共用了四个PLC-5/40处理器，两主两从，互为热备，分别控制两台阳极精炼炉的倾转系统、附属设备和所有的调节回路。另外，还担负着接受行车无线传输称重数据的任务。
此外，两台行车上的行车秤的称重实时数据也是由阳极精炼炉PLC进行接受并进行数据转换处理和显示的。大部分实时信号的累计值、历史趋势和报警画面也都由PLC完成。由于在阳极精炼炉使用了PLC，使得大量的继电器控制柜和二次仪表得以取消，不仅节省了空间，也使得故障率大为减少，提高了系统的可靠性，并且回路修改极为方便，减少了二次投资。
2. 在转炉的应用
转炉工段包括三台转炉本体、三套残极加料系统、一套溶剂运输系统、环境集烟以及电收尘四大部分。有八个PLC组成四套热备控制系统进行控制，每台转炉本体和对应的残极加料系统由一套PLC进行控制，溶剂运输、环境集烟以及电收尘由一套PLC进行控制。
投产以后，根据生产情况和工艺要求，我们对转炉的事故倾转回路进行了改造，将事故倾转由直流倾转改为交流倾转，仅当交流失压时才由直流倾转，增加了系统的可靠性。还增设了富氧调节回路和纯水槽自动补水调节回路。此外，由有色机械总厂生产的铸渣机也是用PLC进行控制的。由于采用了PLC进行控制，使转炉的劳动强度大为减轻，监控更为方便，维护更为简单。
3. 在电解、净液的应用
电解、净液共用了三台PLC，一台用于对电解工段的电器设备以及过程工艺参数进行检测和控制，一台用于对净液工段的电器设备以及过程工艺参数进行检测和控制，一台用作与上位一台以太网的网络通信接口。
PLC主要对一些给液泵、循环泵、泥浆泵等一些泵的启、停进行联锁控制和监视，对风机的运行情况进行监控，对短路器进行监控。
由于采用了PLC，取消了大量的二次仪表，所有的仪表指示值都可以在监控站的屏幕上显示，统计报表、历史趋势曲线都可以很方便地打印出来。参数的修改和设备的操作都可以用鼠标在屏幕上完成。
三、网络化方案及其实现
PLC-5处理器不仅具有非常强的控制功能，还具有非常强的通信能力。因此，它不但适用于各种控制应用环境中，特别适用于计算机集成生产系统（CIMS）的生产方式，与计算机等来形成一个高度全面化的分布式多级控制系统。生产的过程十分复杂，因此实现生产过程的全面高度自动化比较困难，同时，由于市场需求和技术发展的更新速度日益加快，以往传统的、相对稳定的生产过程也变得越来越不适应要求，这就对自动化生产的方式提出了一个动态的开放要求。因此，管理和控制一体化成为现代化企业越来越迫切的需要，而在此过程中，网络化的实现又成为一个关键的环节。
金隆公司的生产管理网络就是这样一个集控制和管理于一体的厂级分布式控制系统，网络构成如下图所示。
图1 生产管理网络构成图
1. PLC与管理网的联接
由网络图可以看出，全厂的PLC共构成两条数据高速通道（DH+）链，一条是电解、净液的PLC通过ROCKWELL公司的以太网接口模块5/20E与以太网相连，一条是阳极精炼炉、转炉的PLC通过DCS与上位以太网相连。采用这种联结方案主要是受各PLC物理位置的限制。PLC的实时数据传到以太网后，由美国DEC公司的阿尔法小型计算机接受并转换成个人电脑可以识别的数据信号后，再发往各管理终端。这样，各管理终端通过相应的软件就可以随时调出工艺流程画面和实时工艺参数，管理者就可以随时了解到现场工艺情况和各类数据报表，从而为管理带来极大的便利。
2. DH+网
DH+是一个公共总线形成的对等的工业局域网，其网上的每个节点无主次之分，网络的存取方式为令牌传递方式，传输介质为屏蔽双绞线，大传输距离为3044m，通信波特率为57.6K（57.6K位/s=1字节/0.14ms）,大节点数为64个。
屏蔽双绞线相对比较便宜，并有比较好的抗噪性，能保证传输信号不失真，不失为一种理想的传输介质。令牌传递方式可以消除那些试图获得网络访问权的PLC站点之间的竞争，哪个站点得到令牌，它就成为主站，从而有权向其他站点发送信息，用完相应的时间片后，即将令牌传递到下一个站点，这样可以避免因某个站点故障而影响到整个网络。每个PLC-5/40处理器有四个通信口，可用软件设置成远程I/O通信链与输入输出机架相连或设置成DH+网络通信口。在转炉调试时，由于各站点之间需要传递的数据量太大，引起监控站屏幕频繁出现网络超时报警信息，我们就用处理器空闲的通信口，专门设置了一条DH+通信链，专门用于处理器之间的数据传递，解决了网络拥挤的问题。
由于DH+网络优越的网络性能，使得数据在站点之间传递变得极为便利，行车称重数据本来发往阳极精炼炉，可是因为有了DH+网络，在转炉也可以看到这些数据。转炉的作业方式是交替作业，加上很多设备是三台转炉共用，因而需要相互传递的信息量非常大，因为有了DH+网络，一切问题迎刃而解。
四、调试中遇到的难点及解决办法
投产前，网络安装测试好之后，开始进行系统的总调试，发现由于三台转炉的很多辅助设备是共用的，因而各PLC之间需通过网络交换的数据量特别大，引起网络繁忙，网络超时报警频频出现，影响调试和正常操作。起初试图通过增大监控站的内存、扩大缓冲区、精简操作画面等方法解决这个问题，但效果均不理想。后来想到利用处理器的其他空闲的通信口，专门开设一条网络转炉的四个PLC之间传递数据用，结果十分令人满意，很好地解决了这个问题。
五、投产后的增设及改进项目
由于工艺状况和设备状况的要求，投产后在转炉进行了一系列的改造和增设项目，主要包括以下几个方面。
1. 转炉事故倾转的改造
在原设计中，转炉的事故倾转是蓄电池带动直流电机驱动的，由于蓄电池只能供电10min，而充电时间需10多个小时，且有倾转速度慢、性能欠可靠等缺点，容易引起堵风眼事故。针对这种情况，我们在软件上进行了修改，使得只有交流失压时，才由直流电机驱动转炉移动， 在其他条件下，均由交流电机带动炉子做事故倾转，大大减少了事故的发生，具有很好的效果。
2. 增设富氧改造调节回路
投产一段时间后，为了增加固破和冷铜的处理量，根据工艺要求，我们在转炉增加了富氧锤炼自动调节回路。回路投用后，操作人员只要在操作画面上设定所需的用氧浓度，调节回炉即可根据送风流量和设定氧浓自动调节氧气的流量，操作十分方便。至今，使用效果一直很好。
3. 增加纯水槽自动补水回路
纯水槽的水是用于转炉冷却水套的，一旦断水，就会对设备造成损坏。未改造之前转炉纯水槽补水需用电话与纯水站联系，这就要求操作人员经常监视纯水槽的水位，很不方便，改造之后，低水位自动补水，高水位自动停水，且有高、低水位报警，既方便又安全，得到操作人员的好评。
4. 增加报警点和历史趋势记录
转炉投产后，我们在转炉增加了PLC系统不间断电源（UPS）掉电报警、烟罩断流报警、纯水槽水位报警等，提高了生产的安全性。增加了排风机转速和输出给定值的历史趋势记录，给设备监护和故障判断分析提供了依据。
可编程序控制器因其可靠的性能、zhuoyue的控制功能和强大的通信功能在金隆公司的生产和管理中发挥了很大的作用，创造了一定的经济效益。随着其性能价格比的提高，相信会在工业企业中得到更加广泛的应用。
