西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0规格说明

西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0规格说明

1  引言
    随着我国经济的高速发展，通畅高效的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车安全，tigao行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。

2  隧道监控系统的主要内容和控制要求
    保证隧道行车的通畅、安全，根本上说就是要求保证一个良好的行车环境，以及必要时候能够对通行的车辆做出合理的诱导。故通常在长隧道或特长隧道内设置一定保证环境和便于交通诱导的机电设施，按功能划分可分为交通检测与诱导设施、通风检测与控制设施和照明检测与控制设施，相应为控制这些设施，使其服务于隧道行车，分别设置交通检测控制系统，通风检测控制系统，和照明检测控制系统。
2.1 交通检测控制系统
    交通导控制系统主要作用在于控制交通诱导设施，如车道指示器，交通信号灯，可变情报板，可变限速标志等，用来诱导隧道内车辆行驶在单一车道上，通过可变情报板上面发布相关行车信息，通过可变限速标志设定隧道车辆的通行速度，并在必要时候（如，隧道内塞车、能见度值过低、一氧化碳含量太高等等）封闭隧道。车道指示器、交通信号灯显示信息通过PLC程序控制输出继电器来控制，可变情报板和可变限速标志的显示值通过PLC的串行通讯接口输出来控制改变。此外，对于隧道内设置的车辆通行情况检测器（即车辆监测器，可以检测车速，车liuliang，车道占有率等等参数）检测的隧道车辆通行数据，同样由PLC扩展串行通讯接口编程获取，存于PLC内存储器中。
2.2 通风检测控制系统
    为监控隧道内行车环境，隧道内设置有风速仪、一氧化碳和能见度检测仪。通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合安全行车标准，达到既保障安全行车、同时节约能源的目的。各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制中间继电器实现控制。
2.3 照明检测控制系统
    照明检测控制系统的目标是在不断监测隧道洞外、隧道洞内光照度的前提下，调节隧道进出洞口加强段等照明回路，达到合适的隧道内光照度。避免使车辆驾驶员白天进入隧道和夜间离开隧道产生“黑洞效应”；避免使车辆驾驶员白天离开隧道和夜间进入隧道产生“眩光效应”（或称“白洞效应”），让驾驶员轻松适应进出隧道的光照度变化，减少交通事故，同时考虑节约能源。光照度等参数的采集由PLC模拟量输入模块完成，照明回路的控制则由PLC程序控制输出继电器来实现。

3  系统构成
    高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度。
SIEMENS S7-300是模块化的中小型PLC系统，其大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，简单实用的模块化和分散式结构使得其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性使得其具有很高的工业环境适应性。并且基于以SIEMENS公司为主开发的PROFIBUS现场总线标准，S7-300 PLC还具有组网便捷的优势。易于实现分布，易于用户掌握，易于组建分布式现场网络等特点使得S7-300成为各种中小规模控制任务的方便又经济的解决方案。
鉴于以上原因，S7-300系列大量应用于隧道监控系统中，作为监控系统现场区域控制机的核心部件。
3.1  PLC配置设计
    根据隧道长度，设备分布情况，以长1000米、2个行车道的隧道为例，隧道内每间隔250米设车道指示器（正反面各有红叉绿箭头）2套（2车道），隧道进洞口各设可变情报板、可变限速标志和交通信号灯各1套，每个隧道洞内设一氧化碳和能见度检测仪（VICO），光照度仪（LO），风速仪（TW）各2套，车辆检测器各4套，通风风机4组（1组为2台风机）。另外隧道供配电系统为隧道两头设变电所，从两端分别对隧道供电，故照明回路的电力供应分别从两端变电所供出，在两个变电所内分别设照明区域控制机1套，控制照明回路数为19路。据此统计隧道进口端的区域控制机（简称RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的区域控制机（简称RTU2/RUT5）的配置点数（略）；变电所内的照明区域控制机（简称RTU3/RUT6）的配置点数（略）。
    考虑系统的完整性、可操作性及点数冗余量，各区域控制机PLC系统硬件配置如图1、2、3所示。

 图1  RTU1/RTU4硬件系统构成图

图2  RTU2/RTU5硬件系统构成图

 图3  RTU3/RTU6硬件系统构成图

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3.2 系统网络配置设计
    PROFIBUS是国际性的开放式的现场总线标准，即EN50 170欧洲标准；且现已成为IEEE和中国国家GB标准，具有传输速率高、传输距离远、可靠性高、响应速度快的优点。鉴于隧道电磁环境的现状，系统采用抗干扰能力强、传输距离大的光纤接口PROFIBUS网络。即每个区域控制器上设置PROFIBUS现场总线光缆OLM模块构筑整个系统的冗余环形光缆总线，为现场区域控制机之间，以及区域控制机与上位控制管理系统之间构筑了一个高可靠性的数据高速公路，即使在火灾、灾难、鼠害等极端情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。PROFIBUS光纤冗余网络结构见示意图4所示。

图4  PROFIBUS冗余环形光纤总线

4  程序设计
4.1 设计思路
    本程序采用SIEMENS STEP 7作为编程软件。根据各区域控制机所连接设备以及相应设备的工作方式特点，采用模块化编程的程序设计方法。各区域控制机内PLC程序框架如图5所示。设计过程如下：

图5  程序框架图

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    （1）首先将项目划分为若干子任务。每一个子任务在程序中对应一个功能块（FB）或功能（FC）。功能块含有某个系统的一些设备和任务的逻辑指令，相当于一个子程序。由组织块（OB1）中的指令控制这些功能快的执行。
    （2）规范并设定各输入/输出量，确定其类型和地址。为方便程序的编写和调试，增加程序的可读性。这里使用符号地址编程，即在程序中以符号名识别专门的地址。程序中所有的变量、块和数据类型等都可以使用符号。符号名可以是不超过24个字符的字串，可以有80个字符的符号说明。其中输入/输出地址均采用符号地址，而其他地址则视情况选择使用，以避免符号过多。输入/输出符号地址表如表1所示。

表1  建立符号地址表

    （3）建立可读/写的全局数据块（DB），用于保存全局使用的数据。其中，DB1用于保存与上位机交互的数据，DB2用于区域控制机之间的交互数据，等等。程序中每一个FC或FB或OB都可以读写一个全局共享数据块DB。
    （4）为各程序模块分配中间变量，定时器以及计数器等资源。
    （5）根据风机、照明回路、车道指示器等设备的工作方式，确定各输出信号与输入信号的逻辑关系，并转化成梯形图实现。
    （6）根据可变情报板、可变限速标志、车辆检测器设备的通讯协议，通过串行通讯模块CP340，采用ASCII通讯方式编写通讯代码，发送符合协议的指令信息帧，查询或发布信息，从设备会传的信息帧中提取有效数据，并定期检查通讯状态。
    （7）编写PLC之间的数据交换程序模块，确定需要交互的数据，分配此数据的存储空间，并定期刷新。
    （8）编制、调试、连接所要求控制任务的各部分功能（块）。
    （9）规划从组织块OB1中调用各部分功能（块）的程序执行功能。
    （10）现场安装接线各外部输入/输出点，整定、调试程序，试运行，运行。
4.2 注意事项
    （1）在硬件配置中设置CPU参数，主要包括启动特点、性能、循环中断、诊断/时钟、保护等。
    （2）通过硬件组态工具设置模拟量模块的参数。本配置中，风速仪、照度仪、VICO检测仪均为4线制4～20mA输入信号，如果系统包括车道指示器的电流变送器，则为2线制4～20mA输入信号。
    （3）在硬件配置中设定各区域机中PLC的PROFIBUS地址和MPI地址，确认各站具有唯一的地址。在需要交互数据的站与站之间建立数据连接，并将各站与上位机之间均建立连接，本配置中，站与站之间建立FDL连接（相对快速的连接），站与上位机之间建立S7连接（SIEMENS公司自主PROFIBUS应用层协议，适用于S7 300系列PLC与上位软件之间的信息交换）。
    （4）在用户程序使用之前，符号必须在符号表下建立，并且用户程序的符号必须唯一。也就是说，一个符号或地址在符号表中只能出现一次。
    （5）除OB1以外操作系统还可以调用其他的组织块以响应某些事件。在本程序中，通过定时循环中断OB35设定每隔5秒采样一次风速、照度、COVI等模拟量数据。OB35根据程序设定的时间间隔反复执行，时间间隔在CPU模块参数中设定。
    （6）确定各部分状态的先后次序及连锁关系，使各动作间严格确保相互约束和定时关系，以tigao程序的可靠性。
    （7）灵活运用各逻辑指令，完成各部分功能的同时力求程序简洁。

5  结束语
    高速公路的隧道监控工程是一个系统工程，构成复杂、数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，系统可靠性要求高。既需要从车辆检测器以串行通讯方式获取大量交通数据，同时也需要以串行通讯方式向可变情报板发送大量信息，另外还要完成对风速、VICO、照度的模拟量的采集以及照明回路、车道灯等开关量信号的检测与连锁控制。通过采用PLC可编程序控制器，实现了所有数据采集发布以及控制功能，并提供优良的网络传输性能，整个系统性能优良。

1　引言
　　随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。
　　根据某洗衣机进水电磁阀生产厂家的需要，为了给该厂电磁阀性能测试生产线提供基准恒压水源，本文利用plc控制技术和变频调速技术设计的全自动恒压供水系统,能较好地满足生产需求，水压精度较高。为了不浪费水资源，系统还具有自动水循环功能。

2　系统组成及实现原理
　　恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器(plc)与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

图1　恒压供水系统控制原理框图
　　变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能pid调节器、压力变送器、plc控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1所示。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能pid调节器实现管网水压的pid调节。plc控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和plc的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。

3　控制系统硬件设计
　　本系统采用三套电机-水泵对水网进行恒压供水，每台电机均可工作在变频方式或工频方式，但每次仅有一台电机工作在变频调速状态。工作时可根据实际情况选择，变频器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节liuliang达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换, 及时增泵和减泵，实现佳匹配。
3.1　主控电路设计
　　电控系统的主电路由3台电机分别为m1、m2和m3。接触器km1、km2、km3分别控制电机m1、m2和m3变频或工频运行，fr1、fr2、fr3分别为3台水泵电机过载保护的热继电器，qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和3台水泵电机主电路的隔离开关，fu1为主电路的熔断器，vvvf为通用变频器。
3.2　智能pid调节器和变频器接线图
　　变频器选用三垦力达电气有限公司的shf系列，功率分别为7.5kw，1.5kw和15kw，变频器采用模拟量控制方式。通过变频器对电机水泵实现软启动功能。图2为pid调节器和变频器的接线图。变频器根据pid调节器输出信号，及时调节输出频率，改变电机和水泵的转速,调节系统供水量,使供水管网中的压力稳定在设定压力值上。

图2　pid调节器和变频器接线图
3.3　plc输入/输出地址分配
　　根据对控制系统的分析，本系统选用中达电通公司的dvp60es00t2 plc实现控制，共有60点输入输出，其中36个输入点，24个晶体管输出点，交流供电，其环境温度、抗冲击、抗噪声等性能指标均能满足要求，附表为plc输入/输出地址分配表。

附表　plc输入/输出地址分配表

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4　系统软件设计
　　系统的软件设计包括plc的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论plc的程序设计。
　　plc的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制电机在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。
　　当选择开关打到“自动”时，系统能够进入自动工作状态，由plc和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元plc实现。

图3　系统控制流程图

　　图3为选择p1泵为变频泵，p2、p3泵为工频泵时的plc状态转移图。假设增泵顺序为p1、p3和p2，当供水设备开始工作时，先起动变频泵p1，当管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定数值上。当用水量增加时，水压降低，压力变送器把水管出口变化了的总管实际压力信号变成4～20 ma的标准信号送入智能pid调节器, pid回路调节器经运算,得出调节参数送给变频器，使变频器的输出频率上升，水泵的转速tigao，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到大值(50hz)时，若供水压力仍不能使管网水压达到设定值，延时20s后，pid调节器就发出控制信号，通过plc控制单元起动一台工频泵p3泵，若管网水压仍不能达到设定值，则延时20s后，继续起动工频泵。反之，当用水量减少，供水压力大于设定值时，变频器的输出频率降低，水泵转速下降，变频器的输出频率达到小值(30hz)时，延时20s后，则发出减少一台工频泵的命令，其他泵依次类推。

5　结束语
　　自行设计的变频调速恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在:
(1)　系统供水压力平稳，压力变化在 mpa 以内;
(2)　高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题;
(3)　整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。
(4)　自动水循环，实现了有效的节水。
　　另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。