西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0参数说明

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一、现场总线控制系统的概念（FCS）

现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是DCS系统的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，tigao了系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业PC机内总线插槽的PC接口板与现场总线网段连接。图中所示为具有PC1接口卡的现场总线系统，每个接口板可带4条总线网段，为了系统可靠安全，冗余设置了两台相同的PC机。图中PLC为用于联锁系统开关量控制的程序控制器。

  PLC

二、现场总线控制系统的组成

现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它有特色的部分。 PLC

1、现场总线控制系统：

它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

2、现场总线的测量系统： PLC资料网

其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

3、设备管理系统：

可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。

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4、总线系统计算机服务模式：

以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。

5、数据库： PLC资料网

它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Inbbbbix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。 PLC

6、网络系统的硬件与软件：

网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，bbbbbb NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。 PLC资料网

三、现场总线控制系统的特点 PLC资料网

1、在功能上管理集中，控制分散，在结构上横向分散、纵向分级。

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2、要有快速实时响应能力，对于工业设备的局域网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大，传输速率不高在1MPS以下，信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为—0.5S。所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数，实时对系统信息进行加工处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足过程控制对时间限制的要求。除了控制管理计算机系统的外部设备外，还要控制管理控制系为统的设备，并具有处理随机事件能力。实际操作系统应保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。实现现场总线控制系统实时性的主要措施为： PLC

（1）OSI协议中7层都是提供高度的功能性服务，为此降低了通信liuliang和增大传输时间，因而影响实时响应能力。因此将OSI七层通信协议，采取不同程度的简化，减少由于层间转换的复杂性，而影响实时响应能力。现场总线控制系统的通信协议一般为物理层、链路层、应用层，再增加一个用户作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总层的四层结构。

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（2)）把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，使控制功能彻底分散，直接面对对象，接口直观简、结。把同时具有控制、测量与通信功能的功能块，与功能块应用进程，作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总线系统，按照主站、从站分，把底层的通信及控制集中在从站来完成。各公司厂商提供较齐全的各类主站与从站列芯片，实现起来简单又便宜。有如LONWORKS虽然通信协议与OSI相同为七层，但全部固化在一个神经芯元片中，不需要经网络传输，同样可加快实时响应能力，同时应用程序定义一个特殊对象��网络变量存在于神经元芯片ROM中，它是在节点代码编译时确定，将不同节点。同类型的网络变量连接起来进行自控，大大简化了开发和安装分布系统过程。

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（3）介质访问协议：一般采用令牌传递总线访问方式（TOKEN BUS）既可达到通信快速的目的，又可以有较高的性价比，对于多路访问冲突检测（CSMA/CD）方法，虽然通信管理上较为简单，但并不能完全避免碰撞现象，实现冲突检测比较复杂，此外在线路中常态干扰与差错往往和碰撞难以区别，因此对现场总线控制系统实时性要求较高的场合，并不十分适合。所以大部分总线控制系统均为令牌传递访问。只有LONWORKS采用改进型的，即带预测P的CSMA访问方式。当一个节点需要发送信息时，先带预测P测一下网络是否空闲，有空闲则发送，没有空闲则暂时不发，这样就避免了碰撞减少了网络碰撞率，tigao了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以tigao它的实时性与可靠性。 PLC

（4）通信方式：一般分调度通信和非调度通信多数为调度通信，用于设备间周期性传输，控制的数据预先设定。非调度通信用于参数设置、设备诊断报警处理。从其功能上分，有主站与从站区分。从站仅对收到信息时确认或当主站发出请求时向它发信息，所以只需总线协议一小部分，既经济，实时性也强。

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3、产品要具有互操作性

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各制造商产品要通过所属各类总线制协议符合其规定的OSI标准一次性测试，及互操作性测试，并以专门测试中心认证。为了tigao其可靠性，还要经过在恶劣环境下鲁棒测试。接口技术采用了OEM集成方法构成产品，可以实现数据开放式传输。

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因此，对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态与调用为一个开放系统，使它具有互操作性。

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4、要求具有较高可靠性措施： PLC资料网

（1）硬件经过严格挑选，采用专用芯片（ASIC）和表面安装技术（SMT）。 PLC资料网

（2）系统软件选用成熟适合实际需要的简单易用软件，及好的工具软件。应用软件采用功能模块化设计，定义清晰明确。 PLC资料网

（3）可通过在线可快速排除故障，强化硬件可修复性，如I/O模板可带电插拔，且诊断故障显示，故障时部件自动隔离等

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（4）软件上分离化体系结构及各过程站有地域上各自独立的局部数据库。并经过通信网络在逻辑上形成全局数据库。

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（5）有多级安全措施，采用容错技术与冗余技术。 PLC

四、现场总线控制系统（FCS）代表性通信协议标准

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从80年就开始制订统一标准。83年IEC/SC65B/WG6国际电工委员会生产过程计算机系统分会的通信分会，制订了PROWAY通信协议，主要是将ISO的OSI参考模型由原来七层改为五层。此时同时不同行业还陆续出现了许多总线标准，其中有影响的有以下几种：基金会现场总线 LONWORKS Profibus CAN HART .

本文采用组态化编程技术，设计了基于PROFIBUS现场总线的煤粉制备分布式控制系统，该系统综合了可编程控制器（PLC）、分散控制系统（DCS）和模糊控制算法的优势，使其在投产后运行稳定可靠，操作简单方便，tigao了生产率和产品质量，同时对其他制备控制系统设计具有较强的现实指导意义。 1、引 言
       
       
       
        　　煤粉制备是水泥生产装备中重要的环节之一，其生产过程的任务就是将原煤安全加工成符合要求的煤粉，并将制备好的煤粉输送到煤粉仓储存，从而为水泥生产过程提供燃料。由于煤粉制备过程具有大惯性、纯滞后和非线性等特点，并且生产工况复杂多变，无法建立jingque的系统数学模型，因此采用传统的控制策略难以获得满意的控制效果，而模糊控制用于煤粉制备这类无模型的复杂控制对象中，可以取得好的控制效果。同时由于煤粉制备系统中的设备地理位置分散，为了tigao生产率，增加系统的可靠性，利用现场总线技术对整个生产线进行分布式控制可以取到事半功倍的作用。
       
        2、工艺流程
       
       
       
        　　煤粉制备系统的工艺流程如图1所示。
       
        
       
        图1 煤粉制备系统工艺流程图
       
        　　原煤从堆煤场经tisheng机tisheng后送入原煤仓，通过原煤仓内部的荷重传感器计量后由圆盘喂料机送入煤磨。原煤在磨内借助热风机送来的热风进行烘干和粉磨，然后送入动态选粉机，不合格的粗粉送回磨头重新粉磨，细粉进入煤粉收尘器。收尘器收下的煤粉经双向螺旋输送机送至带荷重传感器的煤粉仓中，后经过转子计量秤计量后送入窑头。
       
        3、系统设计
       
        　　系统设计采用分层分布开放式结构，运用PROFIBUS-DP现场总线、DCS组态和PLC控制等技术，组成分散控制、集中管理的分布式控制系统，在功能上分为3级，即底层PLC控制级、中间通讯级和上层管理与远程网络监控级，系统结构图如图2所示。
       
        
       
        图2 系统结构图
       
        　　3.1 硬件设计
       
       
       
        　　底层PLC控制级由三台S7-300 PLC（从站）组成，主要完成对现场数据的采集、现场仪表、执行机构和变频器的控制。PLC通过主从式网络与中间通讯主站通讯，每个PLC都是一个独立的控制从站，可以完成数据采集、故障诊断、设备控制等控制任务，并且在主站或传输线路发生故障的情况下，可以自动进入就地控制模式。
       
        　　在底层PLC控制级的基础上，设置一个通讯处理主站和一个数据服务器，采用PROFIBUS-DP现场总线连接。通讯处理主站作为主从式网络中的主站，拥有总线控制权。数据服务器进行整个系统的数据库管理，同时担当现场总线与以太网（Ethernet）之间的路由器。
       
        　　上层管理与远程网络监控级由一台操作站计算机组成，通过Ethernet与数据服务器相连，共享数据与信息。数据服务器的信息通过Ethernet送到操作站，由操作站完成数据处理、诊断与故障报警，实时显示工艺流程、历史曲线图、实时曲线图、报警画面等。操作站还完成网络服务器的功能，将生产数据通过Internet进行传输，实现网络化远程浏览。
       
        　　3.2 软件设计
       
       
       
        　　3.2.1 底层PLC控制级的软件设计
       
        　　根据煤粉制备工艺流程的要求，底层PLC控制级的控制程序主体流程框图如图3所示。
       
        
       
        图3 底层PLC控制级主体程序流程图
       
        　　煤磨磨机的负荷控制是在综合了tisheng机、磨音和粉料回料量等要素的基础上，采用了模糊控制的方法来实现。其中模糊控制器的输入变量为回料量误差eh、磨音误差em、功率误差eσ，输出变量为控制变量u。
       
        　　输入变量的模糊子集分别为：
       
        　　eh为5级：｛负大，负小，零，正小，正大｝，记为｛NB，NS，ZO，PS，PB｝；
       
        　　em为5级：｛负大，负小，零，正小，正大｝，记为｛NB，NS，ZO，PS，PB｝；
       
        　　eσ为5级：｛负大，负小，零，正小，正大｝，记为｛NB，NS，ZO，PS，PB｝。
       
        　　输出变量的模糊子集为：
       
        　　u为5级：｛负大，负小，零，正小，正大｝，记为｛NB，NS，ZO，PS，PB｝。
       
        　　对应的隶属函数eh、em、eσ 为梯形函数，u为高斯函数。解模糊方法采用加权平均法。
       
        　　3.2.2 主站与数据服务器的软件设计
       
        　　采用结构化的思想，把主站软件分为:初始化模块、通讯模块和故障诊断模块。初始化模块主要是在PLC每次启动时给输入存储区和映象区赋初值，完成对S7-300的初始化工作。主站通过CP342-5与从站采用“周期I/O方式”通讯。故障诊断模块的编程思想是利用S7-300中的机架故障组织块OB86。根据检查该组织块中临时变量的值来进行故障诊断。程序流程如图4所示。
       
        
       
        图4 故障诊断程序流程图
       
        　　3.2.3 操作站的软件设计
       
        　　操作站采用北京昆仑通态公司的工控组态软件MCGS 5.1通用版开发，可实现现场信号实时显示、控制参数调整;重要历史数据保存、多种曲线显示;信号报警及报表打印等。
       
        　　根据工艺及设备的控制要求，编制了一系列的操作站界面，其中包括启动界面、主工艺流程界面（图5）、分组启动界面（图6）、启动调试界面、报警界面、实时曲线界面、历史曲线界面和事件记录与报表界面等。
       
        
       
        图5 主工艺流程图
       
        
       
        图6 分组启动界面
       
        　　整个系统软件具有较强的自诊断、冗余和纠错功能，通讯设备容错能力强;系统扩展性好，标准化的网络TCP/IP协议和SQL数据库有利于系统高层互连。