6ES7212-1AB23-0XB8技术介绍

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1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，tigao实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
2 系统配置及网络结构
实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度liuliang等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

图1 过程控制系统实验装置结构图

2.1 现场部分
现场部分是所需控制的液位、温度liuliang和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。
2.2 控制单元
控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
2.3 上位机
上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。
3 网络系统原理
PROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
SIMATIC工业以太网是基于的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信可靠、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
4 网络系统组态
组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
4.1 硬件组态
在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
4.2 DP从站组态
以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时完全不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。

图2 ET200M从站与DP主站的组态

图3 ET20M从站的信号模块组态

4.3 端口设置
(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的MAC地址，地址为CP343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配唯一的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、高站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
4.4 程序的编写和调试
STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不
同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。
5 WinCC监控通讯组态
WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
首先添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。
6 结束语
本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。
该实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略

1 引言
电杆成型离心机多采用三相并励式整流子电动机具有启动电流小、启动转矩大并能调速的特点。但整流子电动机结构复杂、换向困难、维修成本高，调试繁琐，空载电流曲线图调试不好时，会在换向器表面形成较大火花，影响电动机正常运行，缩短电动机运行寿命。
通过对某电杆厂现场的调研，我们发现以下问题:整流子电动机经过多年的运行，整流子磨损严重，平均无故障连续运行时间缩短，几乎每月都需对整流子和炭刷进行研磨和更换，绕组因整定调试不好也易烧坏，绕组烧坏大修成本和新购一台37kW鼠笼感应电动机相近;电杆成型操作流程与标准工艺流程存在一定差距，不同规格的电杆离心成型时，离心速度变换、离心成型的时间是靠操作者手工调动整流子电动机的变速机构完成，这样人为因素太高，给产品质量留下很大隐患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和厂家的要求，我们对混凝土电杆的配料、搅拌、电杆离心成型电气控制系统进行重新设计，本文主要阐述基于PLC电杆成型离心机自动调速系统取代原整流子电动机的控制系统的设计。
2 混凝土电杆成型工艺
当电动机带动钢模旋转产生的离心力等于或稍大于混凝土的自重力时，混凝土克服重力的影响，远离旋转中心产生沉降，并分布于杆模四周而不塌落，当速度继续升高时，离心力使混凝土混合物中的各种材料颗粒沿离心力的方向挤向杆壁四周，达到均匀密实成型。电杆离心成型的工艺步骤分为三步:低速阶段(分布阶段)2～3min，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落;中速阶段0.5～1min，防止离心过程混凝土结构受到破坏，是从低速到高速中间的一个短时过渡阶段;高速阶段(密实阶段)6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段运行速度图如图1所示。

图1 离心机运行速度图

各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同。转速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一开始便会使混凝土挤向模壁四周而失去流动性，不能均匀分布成型。例如在密实阶段，转速太低，混凝土不够密实，转速太高则加剧分层，影响其强度和密实度，甚至损坏设备造成事故。因此，应严格控制各阶段转速，才能保证成型质量。按照工艺标准，分布阶段转速应为:

密实阶段转速为:

中速阶段的转速为:

式中r为电杆的平均半径，r1、r2为电杆内、外半径，p为离心压力，取p=0.3~0.7，理论计算的值需结合具体设备技术条件加以修正、整定。
3 自动调速控制系统的设计
针对原控制系统的弊端和生产工艺的分析，采用普通三相感应电动机取代整流子电动机，电动机的调速采用变频调速方案，多种规格的电杆以及它们不同阶段的离心速度、运行时间采用PLC控制变频器的自动调速控制方案。
3.1 交流电动机的选型
原整流子电动机的型号为JZS，功率40kW，为恒转矩变功率调速方式，速度从160～1400r/min变化，相应的功率从13.5～40kW变化。按整流子电动机负载运行实测电流以及离心机负载大静态阻转矩T、离心机的高旋转速度n、传动装置的效率η，由式  计算，所需交流感应电动机的功率小于并接近37kW，故选用Y225S-4，37kW(额定电流69.9A，额定电压380V，额定转速1480r/min，功率因数0.87)三相交流感应电动机取代原整流子电动机。
3.2 变频器的选择
按变频器的基本选用规则:变频器的容量大于负载所需的输出，变频器的容量不低于电动机的容量，变频器的电流大于电动机的电流，并经变频器容量选用公式

验算(Pl为负载功率，PN为电动机额定功率)，可选用37kW的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统的稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电动机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器[1]。
3.3 变频器控制及参数设置
变频器的控制采用模拟输入控制方式，为检测离心机运转情况设置点动检测按钮。离心机运转速度较高，是大惯性负载，在停车时为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，限制回馈电流，并且将斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式:

选取，式中Ud为变频器直流侧电压，IN为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电动机配套的制动电阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
参数P1300设置为无速度反馈的矢量控制方式，在这种方式下，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以tigao电动机的转矩。参数设置时应合理使用调试参数过滤器P0010和参数过滤器P0004，设置电机参数、端口功能参数，完成变频器参数设置。
3.4 PLC自动控制系统
混凝土电杆的配料、搅拌、离心成型三个环节采用一台PLC集中控制，根据输入和输出所需的点数、控制性能要求，选用西门子S7-200(CPU224)小型PLC外加数字量输入模块(EM221)和模拟输出模块(EM232)组成核心控制单元。
S7-200(CPU224)小型PLC有14个输入点，10个输出点，可带7个扩展模块，运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。[3]EM232模拟量输出模块有两个模拟量输出通道，每个通道模拟量的输出方式有电压信号、电流信号，本次设计采用电压输出方式。模拟量输出模块输出的模拟电压0～10V，对应的电压输出数据字格式为0～32000，可对应变频器输出电源的频率为0～50Hz、电动机的转速为0～1480r/min。
由PLC控制变频调速控制系统原理图如图2所示。运行开关合上使接触器KM闭合，接通变频器电源，变频器若发生故障KA线圈得电，KA常闭触点断开使接触器KM线圈失电，切断变频器电源并由KA触点接通报警信号电路。停止按钮为事故紧急停车按钮。按下起动按钮，Q0.0闭合，接通变频器使能端(Din1)。Q0.0闭合后，PLC根据所编运行程序，由EM232输出相应的模拟量电压信号控制变频器，变频器控制电动机在不同转速下运行，同时变频器给出运行指示。点动按钮控制Q0.1，作为离心机检测调整。

图2 PLC控制变频调速系统电气原理图
标准混凝土电杆的规格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等规格，不同规格的电杆内外半径不同，按照工艺质量标准，它们在离心成型过程各阶段的速度、运行时间是不同的。在编程之初，先按工艺标准将所需各段的转速按照它们的比例关系换算为对应的数据字形式，在编程和程序初始化运行时将其输入到变量存储器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理论计算的速度在运行调试时根据实测值转速值加以修正。PLC控制离心机程序流程图如图3所示。

4 结束语
将PLC与变频器结合用于整流子电机拖动的离心机改造，改造后的机组经运行表明:tigao了机组运行平稳性，

图3 PLC控制离心机程序流程图

增加了工作可靠性，减轻了操作者劳动强度、tigao了操作安全性;尤其是将多种规格电杆离心速度参数输入PLC程序中，使电杆成型工艺标准得以实施，避免了原手动调速的不安全性和随机性，tigao了产品质量;以整流子电动机在佳运行曲线时的电流和采用变频调速时额定电流相比，可节电12%;由于将电杆的配料、搅拌、离心成型均采用一台PLC自动控制，自动化程度大幅tigao，岗位定员额可减少1～2人。本次技改总投资5万元，但给企业产生的效益数倍与此。

三菱PLC编程软件有非常有用的一个特点，那就是可以按不同的控制对象分类编写在同一段程序中，这样做使程序结构更清晰，便于程序交流。

如下面的这个示例程序中，根据控制回路的不同，把程序分为报警回路，指示回路，变频器控制回路，通讯回路和保护回路等几个回路程序，这样做虽然程序仍是顺序执行，但由于把相同控制对象的有关程序放在同一段程序中，更便于阅读和交流。

       建立分类程序的方法很简单。首先只要随便右键单击其中的任一项目，在弹出的窗口中选择“新建”，如下图所示：

      在弹出的“新建”窗口中再选择程序类型，数据名和索引就可以了，如下图所示：

      但我们在写新的程序（哪怕就只有一个MAIN项目）或在原程序中添加新的程序项目时要注意，并不是把新的程序项目下载到PLC中就完事了。如果单纯这样做的话，在CPU中虽然存在新项目程序，但PLC并不扫描执行该段程序，当然，该段程序也就不会有任何输出了（监控该程序时，PLC的输入还是能监控到的），在该段程序中可能就会出现如下图所示的现象，虽然都有输入了，但输出线圈并没有动作，可能就会有点儿不可理解了。

      解决这种现象的办法是：把新添加的程序项目引入到PLC的扫描过程中去。具体方法如下：

1、双击PLC项目管理器中“PLC参数”。

2、在弹出的“CPU参数设置”窗口中，点击“程序”标签，再在左边的程序列表中单击选定新添加的程序项目，再单击“插入”，后再为该程序项目指定“执行类型”。

3、添加完后的结果如下图所示，后点“结束设置”保存，再下载PLC参数到CPU中就可以了。

      有的时候在线修改程序不允许停机，而下载PLC参数则必须在停机状态下才能下载，那么这个问题该如何解决呢？

　　我的解决方法是：把该段程序写入到PLC已经扫描执行的程序中去，这样可读性可能差点儿，你也可以在新加的程序行加入行间声明，注明是新加的程序，如下图所示，这样，在下载程序和声明时就不用停机了。