西门子6ES7216-2BD23-0XB8规格说明

西门子6ES7216-2BD23-0XB8规格说明

1  引言

    常规的保护是用继电器用硬接线连接，可靠性较低，信号的改动比较麻烦。PLC是采用积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。工厂在1#、2#气轮机的大修改造中对气轮机的保护使用了PLC。

2  系统方案设计指导思想

（1） 高可靠性 系统采用西门子S7系列PLC为核心，硬件集成度和系统可靠性极高。
（2） 电源冗余化
    直流电源 24V DC电源采用双套高频开关型直流电源，其过流等保护功能齐全，允许输入电压波动范围大，输出稳定性好;各单元单独供电，进一步tigao供电可靠性，一旦工作电源出现故障，另一路电源立即无间断自动投入运行，不会对系统正常工作产生影响。
    交流电源 系统允许输入两路交流电源，一路来自厂用UPS电源，一路来自厂用电（保安段）。
（3） 冗余化设计 系统采用冗余化设计，用户可以在不更改系统任何配线的情况下增加功能:采用双PLC配置，实现自动切换。
（4） 系统的基本功能 开关量输入/输出、内部中间继电器、锁存继电器、计时/计数器、移位寄存器、四则运算、比较运算、二进制与十进制转换、跳转和强制I/O等。
（5） 应用灵活 其标准的积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。
（6） 外围支持设备完善 具有完善的外围支持设备，如编程器、计算机和打印机等。
（7） 操作方便，维修容易 系统采用电气操作人员习惯的梯形图编程，使用户能够方便的读懂程序，操作人员经过短期培训就可以通过操作面板实现对系统的全部操作。
（8） 缓冲隔离 系统各种设备的I/O接口均采用光电隔离技术进行缓冲隔离。
（9） 高开放性 系统可扩展上位机进行事故追忆，逻辑图、模拟图、棒图、趋势图及相关控制参数的显示，键盘、鼠标、触摸屏操作等。

3  系统结构

    系统采用管理层—控制层—设备层的递阶控制网络结构，如附图所示。设置有:

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（1） 管理层:工程师站
（2） 控制层:汽机控制站
（3） 设备层:汽机仪表检测设备及执行机构。

    管理层是基于bbbbbbs环境下开发的开放式、模块化、可扩展的系统，选用控制主机/服务器，提供管理软、硬件平台，通过接收来自控制层的信息，汇集和检测汽机的各种实时数据，并对它们进行相应计算，实现专家控制策略，发布命令下达到控制层对现场设备进行控制。

    控制层主控设备采用西门子S7系列PLC，实现回路控制，通过I/O模块独立完成包括保护、监测、控制和事故纪录等多项功能，在系统内按要求整理“情报”，实现系统的“上传下达”。

    管理层、控制层以及设备层之间除通讯外，各自独立，无电气上的连接，实现的各种功能独立。因此，即使系统中的某一部分出现故障，也不会影响系统其它部分的工作，从而使整个系统具有高可靠性，真正实现分层分布式优化控制。

4  系统功能

    以往的继电器连锁方式无法提供形象的信息给操作人员，只能在出现故障后把相关的连锁点都检查一遍，处理时间长，影响生产进程，对隐含故障点无法判断。现采用PLC控制则避免了上述问题，还可同时增加打印功能，完善系统，为经后的系统扩展做好充分的准备。

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liuliang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liuliang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、liuliang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liuliang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。

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    在主站PLC与PC、从站PLC、变频器和liuliang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liuliang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。

    liuliang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，liuliang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
    
    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

一、项目简介

　　南宁市某铁路自来水厂担负着供应南宁铁路系统列车自来水供应、铁路职工用水等重要的任务。对水质要求较高，且对用水的持续性要求也非常的严格，必须保证24小时不间断的供水。由于原建的水厂由于建厂时间较早，自动化程度不高；尤其是净水剂的投加系统采用人工投加方式，无法保证出水浊度的稳定等要求。因此决定对全厂自动化系统进行升级和改造。

　　经过铁路水电段对PLC组网性能、维护方便、相对投资等多个方面性能指标的对比，终决定在本项目中自动化控制部分采用西门子S7-300系列PLC作为主控PLC，在沉淀池、滤池等部分采用S7-200系统PLC作为智能从站。一方面保证了网络性能（通讯速度采用500K），另外S7-200可以在通讯网络断开等故障情况下能够独立运行等特点也保证了系统运行的可靠性。

二、系统介绍
1、项目工艺
　　在自来水厂中，源水要经过投加净水剂、沉淀、过滤、消毒然后进入清水池。对源水投加净水剂后，水中杂质便絮凝成矾花，此时才能进行进一步水质净化处理，因此净水剂投加工艺是影响出厂水质量的要因。同时净水剂的投加直接影响到沉淀池的使用效率和滤池反冲用水量的大小，对消毒也有直接的影响。因此 
投加净水剂是自来水厂中工艺要求比较高的一个环节。

2、控制器组成
　　项目中使用的PLC、模块、控制对象等如下：

三、控制系统构成
　　本系统中一共有模拟量输入9个：源水浊度、源水liuliang（2个）、游动电泳仪、沉淀池浊度、计量泵开度（2个）、变频器电流（2个）。模拟量输出4个：1#、2#变频器频率、1#、2#计量泵开度。开关量输入6个：1#、2#变频器手/自动，1#、2#变频器运行，1#、2#变频器故障。开关量输出3个：1#、2#变频器运行，故障报警。联网功能采用EM277和系统中CPU315-2DP连接。

　　一共采用：CPU226 一个，模拟量输入模块EM231（4路）3个，模拟量输出模块EM232（2路）2个，DP通讯模块EM277 一个。

　　注：游动电泳仪可以测量水中可以结合杂质的游离电子的数目，而游离电子数目必须保持在一定范围，如果测量值偏大则说明投加净水剂过多影响混凝效果，反之说明投加量不够导致混凝不充分。计量单位为SCD。

四、控制系统完成的功能

1、控制要求
　　原系统的净水剂投加过程采用手动投加方式，这就直接影响到出厂水的浊度，同时也会产生投加量过度的问题。经过询问现场人员、实际调查总结了以下主要原因
a、净水剂投加设备落后：当源水浊度发生改变时无法及时调整tigao投加量；
b、净水剂投加由人为掌握：投加量靠经验投加；
c、净水剂配制无标准：药剂浓度由配置人员靠经验配置，而浓度不准使投加量更加难以掌握；
d、投加量计算困难：操作人员水平差异较大，投加量随意性比较大；
　　以上种种原因造成投加量不准确，从而影响到絮凝效果、并直接导致出厂水水质下降。

系统改造要求：
　　水厂更换新的自动化投加系统，新系统可根据水质变化情况随时调整投药量，将沉淀池出水均在8NTU（NTU为浊度计量单位）以下，出厂水在1NTU以下；经防疫站检测：出厂水浊度达标率必须为。并可在控制系统中加入参数调节和监控功能。

2、控制难点及控制方法实现
　　根据对工艺过程的分析，本系统属于典型的大滞后系统。考虑到一般的PID算法对于滞后时间长的系统难以实现控制目标，而模糊控制等算法实现成本较高等原因。决定在系统中采用经验值投加和PID算法相结合的办法，既解决了PID算法的不足，又解决了成本问题。

　　整个系统软件中主要包括以下几个主要方面：
a、PID算法：定时采集沉淀池浊度，应用S7-200内置的PID进行运算。得到的模拟输出值为X。
b、经验值：对应一定liuliang的经验投加量进行运算——采用查表法查找对应的经验值，得出相应liuliang的投加量为Y。
c、按照 得出PID运算和经验投加之和。用Z直接控制计量泵开度。（其中a可以在一段时间运行后进行修改以达到优化控制。）
d、将原水浊度按照经验值，SCD按照PID算法进行入2、3进行运算，并将运算结果控制变频器频率以保证游动电泳仪测量值在设定值左右。
e、按照设定运行时间转换变频器和计量泵以便设备轮换使用。
f、报警功能：按照要求将有关故障均进行现场蜂鸣报警，并上传至CPU315-2DP中以便中控室进行记录和处理。

　　程序分为以下几个部分：

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　　其中主程序和注释代码如下： 

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　　限于篇幅，其他几个子程序及I/O表等均省略。

五、结束语
　　采用新的净水剂投加系统后，出厂水浊度由过去的3NTU以内降到了1NTU以下，在防疫部门多次检测中达标率达到了；净水剂的投加达到了优投加量，避免了净水剂的浪费。经过统计，去年4～11月净水剂使用量比往年同期平均使用量减少了约15000Kg。同时由于沉淀池出水浊度的下降，滤池反冲周期延长了近12小时，使生产自用水量降低了约1.5%，累计比去年同期减少了约2.5万吨。按净水剂2.205元/Kg，水0.45元/吨计算，可节省供水成本：15000×2.205＋2500×0.45=44325元。

　　经过三年的使用过程证明：采用浊度控制计量泵开度、SCD控制变频器频率的方法不仅可以让投加量更加jingque，还可以更加方便的控制投加量以达到在源水浊度低的季节中节省净水剂的效果。

六、应用体会
　　该系统控制对象为出厂水浊度，但是SCD值也是一个很重要的中间对象，要求较高的控制精度，并且控制对象滞后时间很大。要在这样的情况下完成这样的控制要求，不仅要求PLC的功能要强大，还需要设计人员进行比较复杂的编程处理，而且对PLC的模拟量处理功能要求也比较高；另外在达到系统要求功能的前提下也要求尽量降低系统的成本。尤其是程序中的查表子程序，本身就需要占用很大的程序空间以及数据存储空间。

　　而S7-200系列中CPU226在程序存储、数据存储、扫描时间等各个方面都能满足系统的要求。而S7-200系列的EM277模块使得和原系统中S7-300连接更加简单方便，从而也节省了大量编程时间和程序空间。

　　本系统投入使用后效果非常明显，系统运行稳定有效，尤其是S7-200PLC 的出色表现得到用户和专家的一致好