西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0使用说明

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本文首先介绍了国产MB系列智能可编程控制器（iPLC）的系统体系结构及配置，重点从编程与调试环境、系统通信网络、系统可靠性设计、针对水电厂的设计、性能价格比等方面介绍了MB系列iPLC的技术特点，后介绍了以MB系列iPLC为核心控制平台的工程应用实例。MB系列iPLC与传统PLC相比在远程编程与调试、流程图编程、特色功能块、系统的开放性和可靠性等方面具有明显的特点。MB系列iPLC已在多家水电厂得到成功应用。

关键词： MB系列智能可编程控制器 技术特点 系统体系结构 工程应用

1 引言

      在整个电力自动化市场中，大部分的关键监测、控制产品都以国产为主，而且国产设备的技术、性能、水平、均体现出明显的优势，比如：高压及超高压变电站现地控制装置、继电保护设备、线路和机组同期设备以及绝大部分中低压测控设备。而水电站测控设备长期以国外PLC为主。传统的PLC是作为通用工业控制器而设计的，没有考虑水电厂应用的特殊性，对于水电厂监控系统中要求的时钟同步、事件顺序记录功能无法实现。在使用过程中发现了另外一些问题，如：开出回路太简单，无相应安全措施，在强干扰情况下有时会产生误动；通信扩展能力差；在实现复杂控制过程时，使用梯形图等语言显得非常烦琐；控制流程调试不方便等等。伴随着电厂单机容量的日益增大，控制过程越来越复杂，对电厂计算机监控系统提出了更高的要求。主要表现在：需要功能更强、速度更快、容量更大的PLC产品，以完成大型的控制项目；实现网络化及更强的通讯能力；要求控制更加可靠，性能更加稳定；提供多样化的更方便的编程语言等。传统的PLC已无法满足日益复杂的实际应用的需求。

       国电自动化研究院多年来一直致力于电力系统自动化，特别是水电站自动控制的研究与开发工作，产品已在葛洲坝、龚嘴等多家水电站获得成功应用，并在水利、风电、水处理等其它控制领域得到广泛应用。MB系列iPLC是在总结多年在自动控制方面的成功经验，深入研究了当前主流PLC产品的优点及不足之处，并积极关注PLC的新发展趋势，应用一系列新技术开发的新一代硬件平台，是对传统PLC功能的有针对性提升。

      MB系列iPLC继承了传统PLC的长处，又弥补了传统PLC的一些不足，同时采用了大量先进技术，充分体现了本院多年来在水电站监控系统的研究成果，是多年工程经验的集中体现。该产品集智能、可靠、开放、灵活于一体，适合多种复杂控制领域的应用。MB系列iPLC采用了嵌入式软件、硬件技术和现场总线技术等技术开发的。针对不同的应用开发了MB80型大型PLC、MB60型中型PLC、MB40型小型PLC及MB20型微型一体化PLC等四种不同类型的PLC，分别应用于大型水电站、中小型水电站及辅机、闸门等不同的应用场合。本文将从MB系列iPLC体系结构、系统配置、技术特点、工程应用实例等几方面介绍MB系列智能可编程控制器及水电厂的应用。

2 MB系列iPLC体系结构与系统配置

2.1 体系结构：

      MB系列智能可编程控制器采用LAN/FieldBud系统体系结构（如图1所示），提供标准的以太网接口完成与上微机系统的通信，通信规约采用开放的、标准ModBus TCP规约。CPU模件和I/O模件之间采用现场总线作为内部总线及扩展总线，现场总线特有的高可靠性和对现场环境的适应能力，使得MB系列PLC系统配置的灵活性和可靠性也大大提高。图1以双CPU双以太网热备冗余、单CPU双以太网和单CPU双以太网三种典型的应用。为水电厂的应用提供灵活的系统配置方式，适用于更加广泛的现场应用。

2.2 系统配置：

      MB系列iPLC提供三种系统配置，包括单CPU单以太网模式、单CPU双以太网冗余模式、双CPU冗余模式，多种灵活的系统配置模式可以更好地适用多种不同的实际应用。提供了多种类型模件包括电源模件、三种不同类型的CPU模件、串口通信模件（提供8个标准的RS232/RS485）、开关量输入模件、SOE模件、开关量输出模件、模拟量输入模件（电流型和电压型）、温度量模件等。

3 技术特点

3.1 编程与调试

       MBPro编程和调试软件是针对MB系列iPLC开发的，支持MB系列所有型号的PLC。提供了梯形图、流程图等编程语言，具有系统配置、数据库组态、数据库在线查询、梯形在线监视、流程在线调试及梯形图在线修改功能。

可视化流程图编程技术：

       采用了“所见即所得”技术设计的流程图编程语言是一种可视化的编程语言，非常适合复杂的顺序控制过程，它与设计单位设计的控制流程非常类似（如图2所示）。 当控制流程设计完成时，即意味着编程的结束，编程过程简单易学。此外，用这些语言编写的程序之间可互相调用，使得程序编写更加灵活方便，能满足多种复杂工况的要求。

流程图方式组态显示和操作；

顺控流程调试图形化显示，支持单步执行方式；

对流程可以进行加锁、解锁；

支持流程执行异常陷井处理；

预编译顺控流程，确保流程正确执行。

网络编程与调试：

      MB系列iPLC使用统一的编程和调试环境MBPro编程和调试软件。提供10/100M以太网作为编程与调试接口，提供程序下载和联机在线调试功能。通过以太网支持远程编程与调试，满足在远方控制中心（如梯调中心）对现地控制装置控制流程的修改、在线维护。远程编程与调试功能为电站实现无人值班、甚至关门运行提供了技术保障。

3.2 通信网络

      以太网通讯接口：CPU模件集成10M/100M以太网接口，支持Modbus/TCP规约，支持双以太网冗余配置。

      串口通讯功能：MB系列iPLC提供了串口通讯模块，并可自由配置模块的数量。每个串口通讯模块提供8个串口，每个串口均支持RS-232/RS-485接口标准，并且全部支持编程。

现场总线网络

      MB系列iPLC采用现场总线网络，具有通讯速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好等特点，并且具有很好的扩展性，易于实现模块的灵活配置，且对于现场环境及安装要求都不是很高，同时为系统扩展及远程控制都提供了方便。

3.3 高可靠性设计

（1）全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障开入模件的光电隔离和软件滤波功能；

      开出回路密码锁设计，开出模件的反读、校核及执行继电器的联合控制保证在任何情况下不会发生误动；

温度量模件先进的每路独立横流源设计大大提高了采集速度和抗干扰性；

      模拟量模件飞度电容的设计方法保证了内部电路和外界干扰的隔离，大大提高了采集精度，大限度地降低了模拟量漂移。

（2）双机热备冗余设计

     MB系列iPLC提供了双机热备冗余方案。无需用户编程，监控模块之间实时自动备份数据，一旦一个监控模块瘫痪，另一个监控模块可单独运行，不会对控制系统产生影响。

全金属机械结构

      MB系列iPLC具有全模块式的插装结构，全部采用SMT表贴工艺；模块无硬件设置，即插即用；对外可使用CableFast端配板接线方式，控制机柜内不再有凌乱的配线，维护更加方便。MB80系列采用全封闭结构，抗电磁干扰性及防尘、防潮、防震能力都较强；模块插箱有模件类型编码，可防止不同类型模块误插。

满足一系列电磁兼容性

       为了提高PLC系统的可靠性、在设计过程中遵循了电磁兼容性，通过设计开发中的针对性的设计。MB系列iPLC的电气技术指标及电磁兼容性如下：

环境温度：-10℃~60℃；

浪涌抗扰度：4kV（共模）/2kV（差模）<

科技进步使得的超声波传感器非常坚固耐用并有着jingque的感应能力， 这些新技术使得超声波传感器可以更加简单、灵活，性价比更高。这些新增强的特性拓展了一个新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。的超声波传感器提供给了机械设计师在工业领域发现了一个新的，极具创造性的解决方案。
数年前，在传感器技术领域，超声波传感器一直是备用的选择，设计师只有在其他的传感技术无法工作的时候才会选择超声波技术，一般发生在检测透明物体，长距离的感应或者是当目标颜色改变时的才会采用这种技术。
新技术的应用使得的超声波传感器能经受的住恶劣环境的考验：
有IP67 和 IP69K防护等级的超声波传感器可以应用于潮湿的环境中，比如瓶子清洗机器。
内建温度补偿电路，在正常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化时，由温度补偿电路进行校对。
Teflon型号的超声波传感器的表面有一种特殊涂层可以用来抵御有害化学物质的侵蚀。
先进的过滤电路可以让超声波传感器屏蔽现场干扰。
新型传感器感应头有着更强的自我保护能力，可以抵御物质损害，适应比较脏乱的环境易用性
新一代超声波传感器的一个显著特性就是使用更加简单，这包括了按钮的设置，DIP开关编程和一些多重程序的选择。
开关按钮完全内嵌于传感器装置中，这使得调整安装传感器距离的远近非常容易，把目标物放在传感器前再按下按钮是一件很简单的事情。这种传感器可以自动掌握窗口的大下和距离的远近。方便安装意味着同样的传感器可以适应很多不同的应用。
DIP开关的编程方式意味着可以为某些特殊的应用而定制一个简单的传感器，这些个性化的特性包括响应时间，输出类型，开关量和模拟量选择以及用于物位/液位控制的特别设定。
超声波传感器一般在单个传感器中都包含多种输出类型，具有两路开关量输出型号可以用一个传感器同时感应两个不同距离的物体，而同时拥有一路开关量输出和一路模拟量输出的型号的传感器即可用于测量有提供警报输出。
以上这些特性使得超声波传感器与其他技术的传感器相比，使用更加灵活，更具选择性。
使用超声波传感器的基本原则
超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，比较具有代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。例如：超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。
超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体，或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射示或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是。超声波传感器不适用的情况有：户外，极热的环境，有压力的容器内，同样不能检测有泡沫的物体。
超声波传感器选型要点：
范围和尺寸 被检测的物体的尺寸大小会影响超声波传感器的大有效范围，传感器必须探测到一定级别的声波才能被激励输出信号，一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以传感器可以在它的大限度内对此物体进行感应，而一个小物体只能反射很少的声波，这样就明显地减小了感应的范围。
被测物 能运用超声波传感器进行检测的理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。难检测的是那些面积非常小，或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料，或者是角面对着传感器的。一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教，再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。
用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均，可以比较固定的读取。
在Retrosonic模式下使用超声波传感器使得探测不规则物体也成为可能，在retrosonic模式下，超声波传感器可以先探测一个平整的背景，如一面墙，当任何物体通过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波，传感器感应到了中断，便会意识到出现了物体。
振动 无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的jingque度，这时可以考虑采取一些减震措施，例如：用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座，可以减少振动，用固定杆也可以消除或者大程度的减少振动。
衰减 当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。
误判 声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定夹具，为了确保检测的可靠性，必须减少或者排除周围物体对声波反射的影响，为了避免对周围物体的错误检测，许多超声波传感器都有一个LED指示器来引到操作人员进行安装，来确保这个传感器被正确的装好，减少出错的风险。
超声波传感器的典型应用举例
超声波传感器曾经被认为操作太过困难或者过于昂贵，但随着成本的降低和方便的运用，越来越多的机械设计师在设计机器时已经将超声波传感器融入进去。超声波传感器的工业应用领域包括探测填充状况，探测反光物体和物质，控制环绳的膨胀和测量距离，下列是几个应用实例：
在灌装车间，检测瓶子


相关应用说明链接：
在水处理或是工厂生产车间，检测液位和控制容器填充情况（使用QT50U的图片）

相关应用说明链接：
在液位控制集成了泵入泵出功能逻辑的超声波传感器可以控制液位

相关应用说明链接：

在包装车间检测罐盖是否装歪或没有盖子

相关应用说明链接：

超声波传感器在工业上的应用正快速发展，这项曾经十分昂贵而且度不高的技术如今已经变得简单易用，精度高且费用低廉。超声波传感器已经成了一个常规设备在过程控制中提高产品的质量，应用在检测次品，确认出现或者消失和其他一些领域。这种传感器同样可以提高生产力，它可以减少废料，避免由于零件损坏造成的停工。未来在此项技术领域内此类产品的发展仍将延续这种趋势，这是一项挑战，但是已经在工业领域内达成共识，那就是超声波传感器在所有的制造领域内，包括质量控制，过程控制和检测，俱有极大的发展潜力。

1、引言
医药小丸包衣制粒机是用于实验室或小批量生产小丸颗粒的制药设备。由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改；同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件 的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。

2、小丸包衣制粒机系统组成
小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。药粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向上流过，当流速达到一定速度时，颗粒(药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能完全充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，因而能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制药过程。

图1 小丸包衣制粒机系统组成

3、系统主要控制要求
小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。
(1) 产品温度控制
通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。
(2) 进风风量的控制
控制精度为±40m3/h。
(3) 雾化压力的控制
即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。
(4) 密封压力的控制
产品容器必须与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。
(5) 滤袋的抖动控制
抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。

4、控制方案的选择
4.1 两种不同方案的比较
小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1：

在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求佳的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，同时环境良好，因此采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。换句话说，利用公用PC机即可作人机界面。
4.2 PLC硬件配置
根据前面对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行可靠、编程简单，具有可观的经济性和更强的适应性，完全可以满足上述控制要求。
4.3 人机界面组态软件
组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程, 组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，因此选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示：

图2 控制系统的构成

5、系统硬件设计
控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了中央处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的中央处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出地址分配如表2所示：

图3 PLC外部接线图

6、系统软件设计
6.1 PLC程序设计
主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。

图4 主程序框图

6.2 人机界面组态
组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二极管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示：

图5 设备控制画面

7、结束语
由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，同时与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行可靠稳定，受到广大用户的好评。