西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0参数说明

西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0参数说明

1 引言
冶金工业是自动化技术和信息技术应用十分广泛的领域，同时由于冶金工业生产现场环境恶劣，具有高温、电磁噪音强烈、多尘的特点，因此冶金行业对其控制系统要求较高。随着现代控制技术和计算机技术的发展，PLC以其可靠方便，编程简单，控制灵活等特点在冶金工业中得到了极为广泛的应用。现代3C（computer control communication）技术的迅速发展，使得现代化的自动化控制的系统结构发生了变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息控制系统。现场总线技术正是这次技术变革的产物。它使现场各仪表及各控制设备之间构成了网络互连系统，突破了原先一台装置控制一台控制器的模式，实现了工业控制系统的分散化、网络化、智能化和数字化。PROFIBUS是德国西门子公司提出的一个高层次工业控制现场总线标准，主要用于控制系统的分布式控制，传输速率快，可靠性高，造价低，是目前使用较广泛和较成熟的一种现场总线技术。
基于以上两因素，PLC网络技术的应用日渐普及。但是我们在享受着现代网络技术带来方便快捷的同时，由于系统的结构规模大型化复杂化，故障诊断功能使得故障发生时快速准确地判断出网络控制系统中故障的具体原因和位置的问题，具有有十分重要的工程意义。
针对钢铁企业的型钢车间飞剪及冷床设备改造，我们结合现场具体情况，设计了基于PROFIBUS网络的控制系统。同时，在编制控制程序的过程中，充分利用编程软件中的故障诊断块，在原程序中添加了网络故障诊断语句，以期在满足生产工艺的基础上，能及时准确地处理故障。

2 控制系统的构成
2.1 飞剪及冷床控制网络构成
改造后的飞剪及冷床控制网络构成、网络系统图如附图所示。

附图 飞剪及冷床控制网络结构图

其中，飞剪控制操作面板选用的是西门子公司的OP27操作面板，上位机选用台湾研华工控机，采用SIMENSE公司的监控软件WINCC作为应用画面监控程序开发平台。主要任务是监视和控制整个飞剪及冷床的现场运行状态，为飞剪及冷床的生产工艺过程设置参数提供人机接口。
PLC选用德国西门子公司的S7-300系列PLC，飞剪及冷床共用一块CPU模块进行控制，模块型号为CPU315-2DP，两块ET200M分布式I/O模块分别作为飞剪及冷床操作台远程站。
飞剪电机的直流驱动装置选用西门子6RA70。在直流驱动装置中，加装了CBP2通讯板，以与PLC构成PROFIBUS-DP网络通讯。
在PLC与操作控制台、OP27以及飞剪直流驱动装置间，通过双绞线通讯电缆构成网络通讯连接，网络控制协议采用PROFIBUS-DP，是控制系统的重要组成部分。
在这个PROFIBUS网络系统中，采用的是单主站（MASTER）、多从站（SLAVE）的通讯方式。单主站为主PLC，从站共4个，包括飞剪操作台-3#从站（IM153-1）、冷床操作台-4#从站（IM153-1）、5#从站（OP27）、6#从站飞剪整流柜（MASTERDRIVES）。

2.2 主站和从站的通信
（1）在PROFIBUS-DP网络通讯中，采用令牌循环查询方式，从设备循环向主设备查询。
（2）DP单主站和分布式输入输出从站的通讯、编程较为简单。在硬件安装完成后，只需在PLC硬件配置中为从站的输入输出模块设定地址范围，即可用常规方法进行编程。设定地址不可与主站的I/O地址发生冲突。ET200M属于模块化DP从站的典型代表，在S7组态软件HEconfig组态从站时定义其输入输出地址。
（3）DP主站与复杂功能的从站的通信。简单从站一般指带有某些特定通信模块，实现单一功能的设备。这里，6RA70直流传动装置，由于数据通讯量较大，不能用简单的数据结构完成任务。在飞剪电机的直流驱动装置中，加装了CBP2通信模板。DP主站和简单从站之间可通过PROFIBUS-DP网络实现快速、jingque的通信。直接对双方进行参数配置即可实现主从之间的通信，参数配置简单且易于实现。在SIMATIC S7中，系统功能SFC14DPRD_DAT和SFC15DPWR_DAT是专为实现此功能设计的。

3 故障诊断程序设计
由于本控制系统模块较多，布置比较分散，从站与控制柜所在的控制室相距较远，一旦发生故障，很不利于排除故障。因此，有必要对PLC网络进行故障诊断，以判别故障的具体位置和产生原因。
3.1 PLC故障诊断的方法
在由西门子S7-300系列PLC组成的网络中，当发生故障时，一是可以利用CPU模板面板上的BUSF故障指示灯进行判断，当PROFIBUS-DP接口硬件或软件故障时，对应的BUSF（总线错误，红色）灯亮。PLC操作系统STPE7会自动调用相应的错误处理OB（Organization Block）。因此，在错误处理OB中编程可以有效的对网络故障进行诊断。但有些故障由于PLC模块诊断能力限制，不能引起操作系统调用错误处理OB的硬件故障，则必须在其它OB（一般是OB1）中编程解决。
3.2 故障概率分析
由于PLC模块本身可靠性较高，并且其所处控制室内环境良好，温度适宜，粉尘较少，所以PLC模块发生故障的概率很低。故障率较高的部位是现场环境恶劣（高温、粉尘多、震动、防护少、冷却水等）的各类设备与I/O模块之间的信号连接；其次是所处环境较为恶劣（经过现场），但防护等级较高的PROFIBUS-DP接口硬件。
3.3 错误处理OB的具体功能
在本控制系统中，采用的标准CPU型号是CPU315-2DP，包含有以下故障诊断OB：OB40（硬件中断错误）、OB80（时间错误处理）、OB81（电源供应错误）、OB82（诊断中断错误）、OB85（优先级中断错误）、OB86（机架失效错误）、OB87（通信错误）。在这里，结合现场情况，实际采用的OB是OB80、OB81、0B86。当操作系统调用上述OB时，同时在OB的临时变量区以代码的形式给出详细的错误信息，错误信息代码及详细内容可以查阅有关资料。通过这些信息可以有针对性的进行故障诊断编程。当出现某种错误代码信息时，即可判定出现了对应的故障和故障位置。
3.4 故障诊断OB的分析
（1）操作系统调用OB80
OB80是一个时间错误处理OB，引起S7-300操作系统调用OB80的原因一般是软件故障，主要是程序在执行过程中，由于调用了大量OB从而造成PLC循环超时。如果OB80没有被编程，则操作系统将转到“STOP”模式。如果在这种情况下不想让操作系统转到“STOP”模式，则在程序的恰当点调用模块“SFC43 RE_TRIGR”，重新启动循环监视时间。
（2）操作系统调用OB81
S7-300操作系统调用OB81的主要原因是直流24V电源故障或者备份电池失效。在本控制系统中，只有一块CPU模块，如果直流24V电源出现故障，则系统将不能正常工作。当系统调用OB81时，唯一可能的原因只能是备份电池失效。
（3）操作系统调用OB86
在本控制系统网络故障诊断程序的编制中，OB86发挥了较为重要的作用。OB86是机架故障OB，当扩展机架失效、DP主站失效或者分布式I/O系统中某一站点发生故障时，S7CPU的操作系统作出反应调用此OB，故障产生和消失时都会产生中断。如果OB86未被编程，当系统检测到此类错误发生时，操作系统将自动转入“STOP”模式。在编写OB86组织块的程序时，可根据启动信息，判断哪个机架损坏或找不到。可以用系统功能SFC53“WR_USMSG”将报文存入诊断缓冲区，并将报文发送到监控设备。
对于如附图所示的PLC网络，当主站与6#从站间的总线断开时，所有的4个从站与主站的联系全部中断。因此，在一个PLC循环中，OB86会被调用4次。同理，当主站与3#从站间的总线断开时，在一个PLC循环中，OB86会被调用3次。根据OB86被调用的次数，可以确定故障的大致位置。另外，也可能出现两个或多个从站同时发生故障的情况，但出现的概率较小。当确定是从站本身故障时（如ET200M掉电，背板总线故障等），由OB86的启动信息可直接诊断出具体是哪个从站。发生故障信息时，OB86临时变量区的本地变量OB86_FTL_ID存储的出错代码如“C3、C4、C7”的个别位将显示故障DP的ID，可根据位的详细意义进行编程。详细的含义可参见STEP7系统手册，在此不再赘述。
（4）几点说明
如果PLC网络发生了使操作系统自动调用某故障处理OB的故障，而PLC的程序中未下载该OB，则CPU会转入停止状态（调用OB81的故障除外），也就是说，某一从站的故障可能引起整个系统瘫痪。因此，一般应把所有的错误处理OB全部下载到程序中，即使不在其中编程。
在PLC控制网络中，进行故障诊断不仅有必要，而且是可行的。由于错误处理OB只在PLC发生故障时才会被调用，所以在正常运行中，对PLC的运行效率基本上是没有影响的。

4 结束语
系统投入运行以来，使用效果良好。实践证明，将现场总线引入控制系统，不仅使安装、调试、维护更加容易，而且通过故障诊断技术tigao了系统可靠性。网络技术在控制系统中的应用，是一种较为新颖的控制技术，如何在工业现场中合理运用，使其发挥应有的作用，仍然是今后我们不断研究的课题。

：焦化分厂备煤系统由一套西门子S7-400 PLC构成，系统融合了6m焦炉备煤新设备以及4.3m焦炉备煤旧有系统所有设备。生产工艺流程主要以皮带机等设备的顺序起停控制为主，包括料位、电子称liuliang、电机温度电流等模拟量显示。但由于设备分布广泛，且数量多、分布广、距离远，如果把所有信号都引进PLC的控制系统子站，则将耗费大量的控制电缆、电缆桥架，并且极大的增加了敷设电缆及安装桥架的施工工程量和加大了日后控制电缆的维护工作量, 采用基于Profibus-DP现场总线模块技术就可以解决上述问题。同时由于新旧系统的融合，参与顺序起停控制的设备很多，控制料线多达近180种，采用传统的设计方法，工作量庞大且调试及日后维护极其困难，采用结构化编程方法可以简化程序设计。

［关键词］：现场总线,PLC,DP,皮带,输送

备煤系统融合了6m焦炉新设备以及4.3m焦炉旧有系统所有设备，主要生产设备设施有：43台皮带输送机、4台粉碎机、2台煤塔回转布料机、除铁器等。皮带机上装皮带保护装置(拉绳、跑偏、打滑、堵料、撕裂、料流开关等)，有料流分流的转运站设有电液动翻板。另在配煤装置后装有，上述装置与设备都有相应的显示信号与控制信号及联锁信号进PLC系统。

由于本系统设备数量多、分布广、距离远，现场作业环境恶劣，绝大多数为户外露天使用。如果把所有信号都引进PLC的控制系统子站，则将耗费大量的控制电缆、电缆桥架，并且极大的增加了敷设电缆及安装桥架的施工工程量和加大了日后控制电缆的维护工作量，针对这种设备控制分散、设备布置距离远、控制点数多的作业现场，利用PLC远程站方式难于有效的解决以上在成本、恶劣环境、日常维护量大等诸多问题。因此，为适应上述工艺要求及现场条件，需设计一种价格低廉、布线简单、维护方便、适应现场环境、工作安全可靠的控制系统方案。 采用基于Profibus-DP现场总线模块技术就可以解决上述问题，而节省的各种规格的控制电缆85Km左右，同时也避免了信号长距离传送产生的衰减及干扰等问题。

同时经过统计分析，控制料线多达近180余条，如果采用传统的料线设计方式，设计量十分庞大，调试维护非常复杂。我们设计了针对一种皮带输送系统结构化编程方法，首先确定物料主要传送方向，命名为LineControl，设计相应的程序功能块；其次设计皮带控制的程序功能块命名为BeltControl；后设计命名为ButtonControl程序功能块，用来在上位机中选择所需的料线。以每台设备为基本单位，建立相应的程序块，经过调用各种公共功能块，组合成各种可能的运行料线。

如图一，为上位机操作实例；如图二，为结构化程序简单实例。

图一 上位机操作实例

图二 结构化程序简单实例

三、存在问题和改进措施

无遗留问题。

四、推广应用情况

（一）大型控制系统如果存在设备数量多、分布广、信号传输距离长、现场环境恶劣、设备维护困难等多种不利因素时，应采用基于Profibus-DP现场总线模块技术，可节省大量的控制电缆，同时也避免了信号长距离传送产生的衰减及干扰等问题。

（二）结构化编程方法适用于任何物料输送控制系统，可简约化程序，方便调试，维护，如果日后有新增设备或项目，可很方便地纳入大系统。

五、结论

采用基于Profibus-DP现场总线模块及结构化编程在焦化的应用，较好地解决了焦化备煤系统所面对的控制设备数量多、分布广、信号传输距离长、现场环境恶劣、设备维护困难等多种不利因素，该系统的建成，使Profibus-DP现场总线控制系统在焦化厂得到了进一步的推广和应用，对同类型物料传送的控制系统采用现场总线控制系统有着积极的促进作用，在物料输送系统领域有着广泛的应用前景

　一、 项目简介

　　能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户， 随着国外先进技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接tigao其生产效益。将军烟草集团有限公司成立于 1993 年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上先进的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工 5000 余人，总资产 73 亿元，是全国烟草行业 36 家重点企业之一。

　　本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。


　　二、 系统介绍

　　本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为tigao厂内能源管理使用水平提供了可信依据。

　　本系统CPU主站选用Siemens 的Simatic S7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP 方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用Simatic WinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。

　　系统清单如下表

　　三、 控制系统构成

　　1．系统的结构：系统配置如图1所示。

　　

　　本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过Profibus DP 相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递 。


　　2．软件设计

　　本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATIC WinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCC Client），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用Visual Basic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。

　　（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽liuliang补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）流程图如下：

　　（2）上位机WinCC程序：根据客户的要求，使用WinCC编写友好的上位机人机界面。如下图：

　　

　　3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择

　　能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。

　　（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。

　　缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。

　　（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。

　　缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。

　　（3）方案三：OPC通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。

　　（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。

　

　　四、 控制系统完成的功能

　　1．系统主要功能

　　本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：

　　(1) 实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。

　　（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。

　　（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。

　　（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表

　　（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。

　　2．项目中的技术难点

　　用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，同时各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。

　　五、 结束语

　　本系统已经投入使用，系统运行可靠稳定，tigao了数据的可靠性、正确性和计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。并且极大的节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担，并取得了良好的社会效益和经济效益。