西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0现货速发
一 工艺简介
染缸系统用于为布料着色，通过调节温度，压力，和颜料的流量形成一定的工艺条件，在相对稳定水位、压力、温度条件下对布料进行染色。系统属于全电脑控制，对各个控制量均实现闭环控制，根据反馈实时调节补偿，以达到稳定的控制效果。
用户对于每种染色工艺的要求不同，要求程序按照功能进行模块式划分，可以根据需求在上位机中灵活调用，组成一个工艺方案。
二．电气技术方案
2.1 系统组成
根据客户需求，结合当前工控技术的和产品，设计采用的电气技术方案如下。 上位机采用工业平板PC机。PC机与PLC以RS232方式通信，上位机开发平台采用Wonderware Intouch 9.5版组态软件，可实现对整机运行工作情况的监控和历史纪录数据的保存。
在可编程控制器（PLC）方面，选择业内的艾默生PLC作为核心控制器，采用MODBUS通讯协议，与艾默生变频器通过RS485总线通讯控制方式实现传动控制，并可与流量传感器通讯。根据系统要求，这些PLC分配在三个控制箱中。主控制箱中1台PLC配置为MODBUS主站，由主站对全部从站PLC、变频器、流量传感器进行监控；上位机通过主站来进行系统监控。
变频器选型采用艾默生TD3000系列和SK系列产品。 TD3000系列变频器是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器；SK系列变频器具有体积小巧、操作简便、功能实用、宽输出频率和低噪音等优点。
文本显示器采用无锡汇联SLIAN文本显示操作屏。
2.2 电气系统结构图
图中粗黑线表示的是MODBUS总线。
电气系统结构图说明
1、PC作为系统的上位机通过串口与主控制箱的PLC主站模块的通讯口0连接，采用RS232通讯实现对PLC数据的采集和控制。
2、系统主干通讯网络采用MODBUS协议。
3、系统分为三个控制箱：主控制箱、机身控制箱、机身电磁阀接线盒。系统需要配置5个PLC主模块，以MODBUS总线协议进行通讯。主控制箱内有3个PLC主模块，其中第1个主模块配置为MODBUS主站。机身控制箱和机身电磁阀接线盒分别各配置1个PLC主模块。
4、主控制箱的主站PLC采用EC20-2012BTA主模块（晶体管输出），扩展了2个EC20-4PT模块（温度测量）、2个EC20-4AD模块（4-20mA模拟量测量）；主控制箱的从站PLC采用2个EC20-2012BTA主模块（晶体管输出）。
5、机身控制箱从站PLC采用EC20-2012BRA主模块（继电器输出），扩展了1个EC20-4AD模块（0-10VDC模拟量测量）。控制箱应留出未来扩展的空间，以便将来增加扩展模块。该控制箱上安装1个无锡汇联SLIAN的文本显示屏，通讯线与PLC的通讯口0连接（RS-232）。
6、机身电磁阀接线盒从站PLC采用EC20-3232BRA主模块（继电器输出）。
7、5个比例阀分别由主控制箱的3个PLC主模块进行控制。每个PLC主模块可控制2个比例阀。
8、4台变频器和2个流量计都作为MODBUS从站，由主控制箱主站PLC进行监控。
2.3工作原理说明
人机交互通过PC实现，PC可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警、实时曲线描绘和保存历史数据等，同时可发送各种操作命令给PLC以控制系统的运行。
在主站PLC与PC、从站PLC、变频器和流量计仪表通讯方面，EC20 PLC充分利用自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和PC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台从站PLC、变频器和流量计仪表组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。
艾默生变频器自带RS485接口的通讯单元，用于实现PLC与多台变频器的联网。对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，可省去变频器的外部起停控制线路。
5个比例阀控制器均由步进电机及放大器组成，由主站PLC及2个从站PLC通过高速脉冲输出口来进行控制。
流量计仪表具有MODBUS协议，可由主站PLC通过MODBUS网络访问和监控。另外，流量计具有脉冲计数和频率输出，可用于计量，作为备用方案。脉冲输出可以接入到EC20的高速输入通道。
三．PLC逻辑控制
此次编程采用顺序功能图（Sequential Function Chart），利用顺序功能图的过程划分和步骤间转换功能。可将程序段进行模块化自由组合。
由于顺序功能图编程具有直观和流程化的特点，分解后的每一步骤和每个转换条件都为相对简单的程序过程，在顺序控制领域应用比较广泛。
3.1 模块化的分解与实现
染布工艺经过长时间的积累，已经形成一套相对固定的工艺流程。但是随着布料种类、染料种类和印染要求的不同，会在原有流程上进行一定的增加、删减或者参数的改变，因此需要将整个印染工艺分解为若干个小模块以实现这一功能。
经过对印染工艺的了解，现将整体工艺拆分为如下功能块：
模块功能的实现应用顺序功能图流程的概念。在一个关联且封闭的顺序流程中，每一时刻只有一个步骤在运行，且各流程间互不干扰。而工艺模块的划分也正是本着一个模块内的工艺顺序执行、各个模块间的工艺尽量独立这一原则。因此，一个模块对应一个流程即可。
3.2 自由式组合编程的实现
工艺要求能够自由的对功能模块进行顺序组合和重组，而PLC的程序是通过软件将PC中的内容写入到PLC固件中的，因此一经写入就不再可以更改，程序的执行完全按照预定流程。于是我们通过与上位机的配合，再结合顺序功能图的特点，来实现自由编程的，其原理如下图：
在上位机中对各个功能模块进行组合，通过组态软件将这些模块所对应的流程的起始步进号存储到一个配方列表中。上位机PC发送配方当前的步进号给PLC，PLC接收到后启动该步进对应的流程，并在流程的后置位某固定的完成标志，发送给上位机。PC收到完成标志后，配方的步进号向下传递并再发送，如此实现自由组合编程。
四 小结
通过模块化的编程与PLC双通信口的功能，把一个中型机的功能在小型机上就轻易实现了，实现了染缸工艺要求的全部功能，并降低了客户的成本。
1 前言
烧结矿作为高炉冶炼的主要原料，其质量直接影响高炉生产。安钢360m2烧结机于2005年6月投产以来，运行一直很平稳，该系统主要向安钢2200m3高炉提供优质烧结矿。该系统自动化控制系统采用先进的网络结构和PLC软硬件设备，并应用先进的烧结工艺优化控制软件技术，实现烧结生产过程自动控制、监控及管理，为安钢烧结生产走向大型化迈出了一大步。
2 自动控制系统构成
自动控制系统实现对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制。各个PLC站、上位监控机、工程师站之间采用双环路光纤配置的TCP/IP工业以太网连接，构成了烧结生产的综合监控网络。
根据烧结工艺对自动化系统的要求，360m2烧结机计算机自动控制系统采用施耐德Quantum 140 系列PLC（CPU模板：140 CPU 53414A；通讯模板：140 CRP 93200，140 CRA
93200，140 NOE77101；输入模板：140 DAI75300，140 ATI03000，140 ARI03010，140 ACI03000；输出模板：140 DRA84000，140 ACO02000）可实现配混系统、烧冷系统、成品整粒系统、主抽风系统、主粉尘系统及电除尘卸灰系统的逻辑顺序控制，对主抽风机、点火炉等生产工艺的数据采集处理及回路控制。系统网络配置简图如图1。
系统由5台PLC、3个工程师站和10个监控站组成。基础控制层采用Quantum 140 系列PLC，PLC主站与分站之间采用远程I/O方式扩展。各PLC站通过网络通讯模板、交换机、TCP/IP工业以太网与工程师站或监控站可进行通讯，传输速率为100M pbs，传送介质为超五类屏蔽双绞线。系统具强大的数字量、模拟量及回路处理功能，具备模板化、体系结构可扩展的特点，包括CPU、I/O模板、I/O接口、通讯模板、电源和底板等。监控系统（HMI）采用Inbbblution公司的iFIX3.5监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。操作系统为bbbbbbs 2000，编程软件采用Concept2.6，它支持5种IEC标准语言，系统提供了派生功能块(DFB)，并可在Concept2.6应用程序中反复调用，如果一些特定的算法或逻辑控制需要改变，只需修改DFB功能块即可。
图1
3 系统功能
3．1电气控制
根据工艺要求和现场实际情况，系统从整体上分为机旁操作和计算机联锁运行。机旁操作是指操作人员在现场操作箱上进行设备的启动、停止及设备运转速度设定。当一台设备于机旁操作状态时，不再参与系统的其它联锁。计算机联锁运行是指处于自动运行的所有设备每一时刻都参入各自联锁条件，如运行安全联锁、工艺参数联锁、启动或停止顺序联锁等，有效地防止因下游设备故障而引起上游皮带堆料。以配混系统为例，阐述控制原理。如简图2。
图2
在圆盘配料系统中，给料量主要由圆盘的转速决定，并且与圆盘的转速成线性比例关系。处于机旁手动操作方式时，操作工可手动调节操作箱上电位器来控制变频器频率，从而控制圆盘给料机的转速。处于自动运行方式时，中控室操作工可从上位监控机设定流量给PLC，同时电子皮带秤测出一个实际流量信号反馈回PLC参加PID运算，后，得到一控制量，通过MB+网控制变频器，从而控制圆盘给料机的转速。达到控制物料流量的目的。配1、配2、混1等皮带机自动控制程序上做了严格的连锁控制，避免了下游设备故障停机引起上游皮带堆料问题。
3．2仪表控制
（1） 信号的采集与处理
利用Concept 2.6软件特有功能，针对不同的模拟量输入信号和不同参数需要，分别编制了工程量转换、偏差、上下限报警等各种信号处理的DFB，在控制程序中可直接调用这些功能块。实现了混合料矿槽料位测量及上下限料位报警，煤气流量、空气流量的累计及瞬时显示，煤气与空气压力测量，低压煤气切断，负压测量与显示，烧结料层厚度检测。实现了主抽风机入口流量检测，进口废气负压、温度测量，高压电动机的轴承、定子温度测量及风机轴承、温度、振动的测量及超限报警和停车等。
（2） 点火炉温度控制
点火炉燃烧控制是烧结工艺的重要环节，该系统可分为点火流量控制和点火温度控制两种方式。流量控制为操作员在上位监控机设定量值，给PID调节器的SP端，反馈信号给PID调节器的PV端，然后经PID运算后输出一开度信号来确定调节阀的开度。点火温度控制为操作员在上位监控机设定一温度值，经PID调节程序输出一煤气流量值，终达到调整煤气流量的目的。
4 系统特点
（1） 故障报警及自动生成报表。当出现故障时，监控画面将以警示色提醒用户，以便操作工及时处理。系统能实时地将历史数据记录在上位机中，对数据的查询、统计和打印很方便。
（2） PLC电源模板冗余，并采用UPS供电，保证了系统的安全性和稳定性，有效地减少故障停机时间。
（3） 上位机进行系统的监控和管理，并提供良好的人机界面，实现分布处理与集中管理一体化，而且系统故障率低，可靠性高，操作简便，控制功能和精度满足生产工艺要求。
1 引言
首钢迁安有限公司7000立方米高炉鼓风机自动控制系统已于2004年9月顺利试车成功，现已正式投产，为高炉供风。该鼓风机是由原首钢动力厂4#风机搬迁建成。为了提高整个控制系统的稳定性,控制系统选用了性能稳定功能完善的schneider公司quantum系列plc，cpu采用双机热备形式，plc本地站与远程站之间采用了双缆连接的方式。系统还配备了以态网模块和工业交换机,可以通过光缆与其他岗位进行通讯。由于设计的改进，使得整个系统的性能到了全面的优化，稳定性，安全性，经济性较以前都有了全面的提高。自从投产以来，系统工作状态非常稳定，有力的保障了生产。
2 双机热备可靠性技术分析
双机热备系统具有非常高的可靠性。控制系统为冗余的双cpu设计，运行时一主一备，并通过高速光缆连接；控制系统为冗余的双通讯通道，控制系统间通讯网络采用modbus plus或tcp/ip协议,控制系统内部采用rio网络结构，以上网络均可以采用双缆冗余方式；控制系统为冗余的双电源供电。
正常工作时互为热备的控制器具有的特性。在双机热备系统中，互为热备的控制器具有如下的工作特性：实时数据传输，确保双cpu程序的完全一致；每个扫描周期均传送数据及状态信息，确保双cpu工作状态的完全一致；两个控制器之间采用光缆连接；切换完成的长时间是两个扫描周期；通讯速率为10m，热备系统可放于3km之外；当控制程序发生改变时，可以自动完成程序下装功能；初次组态时，用户快速、有效只需下装一次程序；使用iec方式的双机热备配置不需要编程工作；使用modsoft/concept组态软件均可进行配置；用可装载功能块支持984/800系列用户；chs模块热更换-无需停机时间。
便捷安全的热备切换方式。可以通过以下几种方式实现便捷安全的热备切换：将主控机钥匙开关从run切到offline，即可完成手动热备切换；也可以通过人机界面或编程器切换；在电源失效，cpu失效，i/o失效(电缆或模板)，nom失效(只在启动时)将完成cpu的自动切换。
3 风机热备系统选型
3.1 plc的硬件设备选型及设定
完整的quantum热备系统需要以下设备：两块相同的至少四槽的背板；性能完全相同的两块cpu控制器；两块类型一致的rio处理器；两块类型一致的电源模块；两块热备模板chs 110；连接用的光纤电缆；网络连接的组件包括：分支器，rio处理器与rio网络连接使用的f接头，分支器ma-0186-100，ma-0185-100，终端电阻52-0422-000 ；如果需要其他的通讯协议，则需要增加其他的通讯适配器。
根据以上的构成热备系统的设备要求和实际需要，首钢迁钢公司7000立方米风机控制系统包括plc控制柜2套，分别用来安装本地站和远程站，双机热备的cpu安装在本地站，本地站和远程站之间采用双缆连接。主要的设备选型如表1所示。
表1 首钢迁钢7000风机热备系统的设备选型表
3.2 热备系统安装步骤
选定硬件设备后，需要按照如下的顺序安装热备系统：安装本地站和远程站的电源模块，cpu，rio处理器，hot standby模块，tcp/ip模块到背板，需要注意的是热备系统两个底板上安装的模板种类和顺序必须一致。两个cpu地设备地址设定必须相同。两个ethernet模块的ip地址设定必须相同。hot standby模块的指定滑动开关必须一个设定为a，另外一个设定为b；连接网络，包括安装rio网络和ethernet网络，按照网络结构图，分别安装rio处理器和远程站之间的分支器和f接头，连接rio站间的同轴电缆，ethernet交换机和网线；连接两个hot standby模块之间的光纤。
4 编程和上位监控系统
4.1 硬件环境
首先确定编程和上位监控系统与plc之间选择tcp/ip的通讯协议。组态软件concept和上位监控软件都支持tcp/ip的通讯协议，只要将网络搭建起来即可。迁钢公司7000立方米风机热备系统选用tcp/ip的通讯协议，需要的主要设备如下：编程和上位监控系统微机需配备ethernet网卡；为了与热备的plc通讯，需要安装ethernet交换机。根据对plc系统和编程和上位监控系统的选择，确定整个控制系统的硬件网络结构。控制系统由研华ipc610工业计算机一台，epson lq1600kiii打印机一台，philips201p显示器两台，winfast多屏卡一块等构成，其网络结构如图1所示。其中，plc系统为双机双缆冗余热备系统，其主机ip为100.100.100.35和100.100.100.36，quantum本地（local）站一个，远程（remote）站两个，plc主机与工控机之间采用tcp/ip通讯协议，工控机ip地址为100.100.100.37。
图1 双机热备系统硬件构成
4.2 监控软件
为了开发出理想的监控系统，选择的监控软件是美国tcpwonderware公司开发的intouch8.0。intouch是一个集成的、基于组cp/ip件的mmi系统——factorysuite 2000中的一个核心组件。它具有美观的hmi（人机接口界面）和面向对象的图形开发环境，能够高效、快捷地配置用户的应用程序。其在稳定性，开放性，网络功能，数据库功能等方面都具有很大的优越性。使用intouch开发的监控画面包括显示系统工艺过程的主画面，润滑系统，轴振系统，轴位移系统等监控画面，以及报警、历史曲线、实时曲线和报表等。系统的主要监控界面如图2、图3所示。
图2 风机控制系统的主画面
图3 风机的防喘控制曲线
4.3 热备系统cpu的软件组态
使用concept软件来组态项目，在创建一个新的项目的时候，需要指定选项iec hot standy选项。指定此选项的目的就是为了安装相应的热备系统支持程序到控制器中，在concept v2.6版本中，这些支持程序是和concept软件绑定在一起的，在选中iec hot standy 项目后就已经激活了相应的程序，如图4、图5所示。
图4 指定选项iec hot standy选项
图5 热备系统支持程序
另外，还需要设定hot standby扩展属性，hot standby扩展属性包括的内容如图6所示。
图6 hot standby 扩展属性
使用concept软件提供的hot standby扩展属性组态界面指定hot standby如下属性：指定hot standby 命令寄存器参数；定义非传送区域地址范围，以减少cpu的扫描周期；定义cpu启动后的工作状态，相互热备的cpu哪一个处于online状态；定义处于热备的cpu在程序发生不匹配时所产生动作，是由热备转为自动离线还是由热备转换为运行；定义当相互热备的cpu工作状态相互切换时要交换设备地址的通讯口，包括modbus口1，2，3；使能或者禁止逻辑映象按钮忽略；定义执行逻辑升级时cpu所采取的处理方式，可以选择“不用停机”也可以选择“使用停机”方式；
完成上述的硬件配置和设定工作之后，分别将项目的配置下装到两个cpu中，热备系统就已经建立起来。需要注意的是在向cpu中下装组态时，需要先将两个cpu的备用电池取下，至少10分钟以上，以确保cpu在下装组态之前存储器中没有任何数据。
5 热备plc系统常见故障及处理
热备系统的硬件网络结构图如图1所示，热备cpu通过高速光缆连接，cpu的每个扫描周期均以10m通讯速率，实时由主cpu向备cpu传输数据及状态信息,热备系统具有自动程序下装功能，快速、有效只需下装一次程序，配置不需要编程工作，chs模块热更换-无停机时间。chs热备模块的显示面板如图7所示，其主要显示灯含义如表2。
图7 chs热备模块的显示面板
表2 chs热备模块的显示含义
6 结束语
由于风机在整个生产流程中的重要作用，控制系统必须稳定。使用quantum plc双机热备技术满足了系统对控制提出的要求，实现了控制的安全，稳定，高效。该控制系统自投入以来，工作性能非常稳定，为生产提供了保障。实践证明该应用方案是成功的。
