新疆西门子PLC总代理商

本文介绍了西门子S7-200系列PLC与伟创变频器之间RS-485通讯控制及及数据格式，详细分析了通讯控制调速系统与一般模拟量控制调速系统相比的优越性。并给出了应用实例及其PLC程序设计的思路。

一、 引言

在造纸行业,一条同步生产线起初早采用的控制方式是:同步控制器（如CTKT调速器）+滑差电机→同步控制器（如台达）+变频器。 直到现在绝大部分普遍采用的PLC+D/A模块+变频驱动为普遍。采用D/A扩展模块控制变频器的频率时，相比而言比同步控制器要好，但同样容易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低。从经济的角度来分析，当需要控制多台变频器时，如果采用D/A扩展模块，成本将大大增高，我们以六个点的系统来说明，那么至少需要一个4通道的4D/A模块和一个2通道的2D/A的模块来组成该系统。仅2个模块的价格在2500元左右。而使用S7-200系列PLC，不但省掉了D/A模块，而且还省掉了通讯模块（三菱FX系列PLC则需要一个485BD通讯模块，价格在200元），因为S7-200的编程端口PORT0（PORT1）通过设定参数后就是一个RS-485通讯接口，而且我们还通过对输入点进行组合的方式可以节省大量PLC主机的输入点。仍以一条6点的同步纸机系统为例，仅需一台S7-200 CPU224主机+6台变频器，就能达到主速升/降、各点之间的比例调节、绷紧、爬行等所有纸机的全部功能。和传统的PLC主机+D/A模块方式相比至少节约了3000元左右，同步点数越多价格相差越大、越经济。

二、系统配置 （以6点同步系统说明）

本纸机同步控制系统采用一台西门子S7-200-CPU224 PLC和6台变频器，分别驱动一压榨、二压榨、一缸、二缸、三缸、切纸（卷纸）

改造后可达到以下功能：主升/主降、急停、消除比例记忆、各点分别有比例微升/微降、绷紧、爬行。

三、程序设计要点

该系统的重点在于程序的设计编写。首先我们必须要详解了解纸机同步系统的工作原理，因此我们在编写程序时应注意以下几点：

1、速度链功能 对纸机来说，整条生产线正常运转时，由于每个点之间的机械传动比不尽相同，烘缸直径大小不同，在保证一定的线速度下，就必然导致每个点的电机转速不一样，即变频器输出的频率不一样。也就是说相邻的两台电机转速存在着一定的比例关系B，我们假设主速度为N，1#—6#变频器速度为N1、N2、N3、N4、N5、N6。即：

N1=N

N2=N1＊B2

N3=N2＊B3=N1＊B2＊B3

N4=N3＊B4= N1＊B2＊B3＊B4

N5=N4＊B5= N1＊B2＊B3＊B4＊B5

N6=N5＊B6= N1＊B2＊B3＊B4＊B5＊B6

从以上关系式我们不难看出，进行同步调速时，无论调整哪个点的比例系数均不会影响其它分部之间的同步关系，因此遵循以上原则编写出一个速度链的子程序模块。使程序变得清晰简洁。

2、跟随功能 同样按以上关系式可以看出。当按下任意一个点的“绷紧”按纽时，后面的各点自动的跟随。前面的点不变。松开“绷紧”按纽时即恢复原有的同步线速度。即“后跟前不跟”此功能主要应用在当某一个环节纸松慢慢呈下垂状态时，按下此按纽，在现有的同步线速度下加上2-3HZ频率。

3、爬行功能 每个点均有（6-8HZ）。主要是在检修时用。

4、记忆及消除记忆功能 每次调整后自动记忆，下次开机时就无须再调，十分方便。如整个系统调乱了，还可消除记忆，即每个点的速度都在主速度N下运行。

5、急停功能 如有异常情况按下红色蘑菇头按纽自锁，这时系统暂停封闭输出。异常解除后，松开蘑菇头按纽，系统即按刚才停机前的线速度运行。

6、通讯程序编写

AC60系列变频器采用MODBUS协议，通讯格式为RTU（远程终端单元）模式，通讯数据格式如下：

字节的组成：包括起始位、8个数据位、校验位和停止位。

协议格式解释：

起始位 即帧头以至少3.5个字节的传输时间停顿间隔作为开始.依次传输一帧数据直至结束

Bit1 从机地址 变频器为从机，变频器的本机地址即为PLC通讯的从机地址，由变频器的参数设定（H-67）

Bit2 命令代码 主机发送的命令代码，对从机进行相应的操作，如03H读从机参数、06H写从机参数、08H回路自检测。

Bit3 / Bit4 数据地址高位/低位 即从机数据地址

Bit5 / Bit6 数据地址高位/低位 即从机数据地址里面的内容

Bit5 / Bit6 CRC校验低位/高位

采用西门子S7-200PLC编程如下：

1、CRC校验子程序编写 首先将编程端口PORT0（PORT1）通过对SMB30（SMB130）设置，即偶校验（E、8、1）和波特率的值的内容。对PLC进行初始化。并编写CRC校验子程序。收此时的编程端口无法进行状态监控。子程序使用了多个局部变量，以方便其它子程序调用。

在西门子STEn 编程环境下（如图1）

CRC校验及通讯协议参数PRT0端口设定

设置变频器以下参数：H-66=0//变频器设为从站
H-67=1 //变频器通讯地址为1
H-69=3 //通讯波特率9.6K
H-68=1 //（E、8、1）//通讯数据偶校验
E-01=2 //变频器的运行采用通讯方式
E-02=6 //变频器的给定频率设定采用通讯方式

2、速度链子程序 按照我们上面所述的比例关系式来设计子程序。利用浮点运算处理，调节比例系数时可达到变频器的大分辩率，即HZ。

3、RS发送格式子程序 以每隔30MS发送一帧数据，不断循环发送。经实践证明效果很好。

4、其它 注意单位时间内的升降值（分辩率）的限幅，主机升降速度和从机升降速度一定要分为两个定时器编写。

5、见上图所示，在输入点采用了组合方式输入，节约了大量的输入点，有效的降低了成本。

七、结束语

采用PLC同变频器通讯，很容易实现多变频器之间的同步和比例联动运行。该系统具有成本低、信号精度高（可达变频器高分辨率）、传输距离远、抗干扰性强等特点。我们以这种方式做了几十套控制系统，用户反映非常好。具有接线简单，控制精度高，成本低等特点，特别适合对多台变频器的同步、比例联动以及对变频器频率精度要求比较高的场合。

本系统可实现开/闭环运行：

　　1.引风控制：

　　通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID 控制器的反馈通道, 经处理后与设定炉膛负压力比较, 经过PID 控制器产生运算信号, 此信号控制引风变频器调节电机转速, 使炉内负压稳定在设定值, 从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。即保证锅炉燃烧部分的自动运行。

　　2.鼓风控制：

　　通过蒸汽管道上的压力变送器将所需蒸汽压力标准电信号送入鼓风变频器PID 控制器的反馈通道, 经处理后与设定蒸汽压力值比较, 经过PID 控制器产生运算信号, 此信号控制鼓风变频器调节电机转速, 使蒸汽管道上压力基本稳定在设定值, 从而达到自动跟踪蒸汽管道上压力。

　　3.由于原锅炉为非节能型燃烧方式，控制风量靠人工操作风道挡板，蒸汽压力单靠人工控制燃烧不好。因此电机全速运转产生的风量不能全部使用，采用挡板截流造成约30%的电能损耗。使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度，使输出风量可以调节，提高生产工效并且节能降耗。

　　变频器采用西门子MM430系列。控制系统的起动方式为外部远程人工控制。

调速方式：

　　1: 为操作工人根据生产情况由外部远程升速/降速按钮实现对电机的速度控制。

　　2：变频器通过端子BICO连接切换为自动PID运行方式。

　　3：系统还可实现全开环运行，通过控制柜或现场操作箱上的启停按钮和电位器实现人工控制和调速。

系统的主要连锁：

　　1.鼓风机运行条件：只有当引风机投入运行后，鼓风机才允许启动运行。

　　2.变频和工频连锁。变频运行与原旧工频运行，连锁控制系统。

　　3.当变频系统在运行过程中出现故障时,发出声、光报警信号,提醒值班人员适时处理。

系统构成：

　　1、 锅炉变频改造控制系统原理

　　配置：GGD控制柜体2200×1000×600 一台

　　鼓风变频功率: MM430-7.5 KW　引风变频功率MM430-22KW

　　见下图:

变频控制柜技术参数及性能特点：

　　1.主要技术参数：

　　（1）主回路电源：三相五线制。380V+10%。

　　（2）控制回路电压：220V

　　（3）负压压力传感器调节范围：以保证建立充分燃烧系统为准。

　　（4）蒸汽压力传感器调节范围：以生产所需实际为准。

　　2.系统性能特点：

　　（1）具备运行方式选择开关：实现变频和工频互锁，工频运行为原控制系统，变频与工频由转换开关转换，并具有互锁保护功能。

　　（2）具备变频方式下的——本地/远程——选择开关：实现本地电位器人工调速。变频器PID闭环调速方式。

　　（3）变频软启动：电机通过变频器启动，电机电压采用数字自动斜坡补偿技术， 电 机缓步升速时系统机械冲击小，能显著延长电控元件及风机机械的寿命。

　　（4）具有完善的电机，及变频器自身保护功能：电机欠电压、再生过压、过流、过载、短路、过热保护等。

　　（5）具有电源电压、电机电流等柜体仪表显示功能。变频器运行工作状态指示灯显示功能。并能将变频器速度和电机运行电流以0—20mA标准模拟量形式传输给DCS监控系统。

　　（6）变频器故障报警指示及开关量传输、远程复位功能。

变频器的主要调试参数：

   曾几何时，拥有一辆从福特流水线上下线的T型轿车是很多人的梦想，那时的T型车颜色一样，发动机一样，内饰也一样，因此生产过程相对简单，对物料的跟踪、生产的控制比较容易。如今人们对汽车的需求日趋多样，从车型、颜色、内饰、气囊、安全系统等等不一而足，这样的需求对汽车的生产过程提出了很高的要求，现代化的汽车生产线不再是固定的生产流程，柔性化是之必备的特点之一。

----生产线的柔性化是为了应对客户的不同要求。客户的要求反映在订单上，汽车生产企业的生产规划部门在收到这些订单后要将之分解到每辆即将被生产的车辆上。对于生产过程中具体的某道工序来讲，它需要知道将被加工的车辆的具体信息，如颜色、发动机类型、安装选件等，然后才能进行相应的操作，我们称读取车辆的唯一性标识并取得车辆具体信息的过程为车辆识别。

----车辆识别系统的目的是要知道每辆车所包含的客户要求，以便组织生产。比如白车身来到涂装车间时，控制系统应能够通过车辆识别确定车身被要求的颜色，自动转换喷头。当车身从涂装车间进入总装车间时，车辆识别系统应能够根据车身信息，打印装车清单，提示操作工根据不同的车辆，安装不同的选件；当车辆下线时，车辆识别系统将读取车辆实际被加工的信息，将之制作成报表并汇报给管理层。

----传统的车辆识别系统应用条码技术。现今，越来越多的汽车制造企业使用可读写的识别系统，西门子的MOBY系列产品是其中的佼佼者。国内的主要汽车生产企业如上海大众、上海通用、一汽大众、沈阳金杯客车制造有限公司等均使用了西门子的MOBY产品，这些产品被应用于涂装车间、总装车间、发动机装配线等。

----MOBY系统应用射频技术，采用非接触读写方式，特点是：

非接触的数据传递。
数据载体为无源型，大容量达32K Byte，可反复使用和编程。
高的可靠性和数据保密性。
可静态的和动态的读、写。
保护等级可达IP68，防油，防水，防灰尘。
远读写距离可达3米。
既可被集成到西门子系统中，也可被集成到非西门子产品系统中。
用手持单元可方便地进行调试和维修。
数据载体可在220度环境下使用。

----MOBY系统和条码识别系统实质上都是数据存储系统。两者相比，条码系统的数据写在数据库里，MOBY系统的信息存储在数据载体里。它们的区别如下： 条码系统是一种集成式的数据存储系统。条码实际上是有唯一性的一串数字，真正的信息写在数据库里。这种识别方式的优点是成本较低，缺点是：
因为每个信息读写点都必须从主机获取数据，对通讯的要求很高。
所有的信息都存储在数据库里，要求有大容量的数据库和高速度的主机。
通讯线路的错误将导致生产的停止。

MOBY系统是一种分散式的数据存储系统。信息写在数据载体里面，本地控制器读取数据载体里的信息后，然后进行相关的操作。这种方式的优点是：
产品携带着加工和质量数据。
响应速度快。
对主机的通讯要求较低。
无需每个读写点都和主数据库通讯。
与主机的通讯失败不会导致生产的停止。



----典型的MOBY系统由以下几部分组成：数据载体，读/写单元和接口模块，接口模块以总线方式或串口通讯方式与 PLC、PC等控制单元相连，如下图：

----对于西门子MOBY系列产品来讲，针对不同的应用场合有不同型号的产品，分为MOBY E, MOBY I, MOBY D, MOBY U。 MOBY I的数据载体可耐220度高温，广泛应用于涂装车间、总装车间、发动机生产线；MOBY D, MOBY U是西门 子的两种新的产品，其中MOBY U的读 写距离可达3米，MODY D的数据载体可耐200度高温，数据容量是48字节，是一种经济性的解决方案；MOBY E应用于物流、仓储等环境不是很恶虐的地方。

----总的来讲，西门子的MOBY系列产品广泛应用于汽车制造的四大工艺、动力系生产、仓储运输等场合，它将物流管理与数据处理集成在一起，实现了在所需的地点，恰当的时间，提供正确的数据

工程概述：
----该项目是为某热电除氧给水系统提供控制系统.主要用于热电厂所有除氧器以及给水系统的控制.该系统负责向全厂汽轮机提供发电用水.
----原系统为传统的仪控系统,使用仪表盘柜进行控制.上海西门子工业自动化有限公司负责为对原系统进行彻底改造,并扩充和加强控制功能。.承接的工程范围包括：硬件供货，系统集成，现场调试,客户培训等。

控制对象：
----控制现场设备(泵、阀门等)的开、关、停、运转;电动阀门的开启、关闭;关键设备(如泵)的连锁;除氧器的水位控制等;来实现除氧给水系统的控制自动化和可视化。


系统配置：
----采用 SIEMENS公司先进的 SIMATIC S7 417H冗余系统系统作为全厂的自动化系统硬件 平台。整个系统由2套S7400H现场控制器,1个事件记录站，2台操作员站,和1台工程师站组成。 PLC和上位机的通讯为SIEMENS的PROFIBUS 现场总线.
----某电厂除氧给水控制系统如图所示:

系统功能：


SIMATIC STEP 7 拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程 组态的时间和费用。
系统的所有硬件都基于统一的硬件平台, 所有软件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同样统一的软件平台。
系统大量采用了新技术, 在网络配置上使用标准的PROFIBUS以及PROFIBUS DP 网络。
控制器采用SIEMENS的S7 417H冗余控制器,使用先进的事件冗余,使系统的冗余达到可无扰 切换的佳性能.
两对冗余控制器和上位机之间采用冗余的PROFIBUS光纤环网进行通讯,确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作.同时由于使用光纤网络,增强了系统通讯的抗干扰能力.
上位机采用SIEMENS的专用SCADA系统WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余,任何一台控制器停机都不会影响上位机的监控功能,并实现无扰切换.
ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络,任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问.
两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行.
系统实现了对所有相关设备的启停监视,并配以相应的报表功能,使系统状况一目了然.
使用事件记录系统,使重要的报警故障得以jingque记录.
系统开放性强，使用OPC或ODBC技术使系统很容易连接到企业管理网，可与常见的办公软件进行数据交换，可大幅度地降低工程设计，维护费用。
由于广泛地采取了冗余技术,使系统的可靠性得到了充分保证.