西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8技术数据

西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8技术数据

1  引言
      地铁的供电系统为地铁运营提供电能。无论地铁列车还是地铁中的辅助设施都依赖电能。地铁供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。
      地铁全面采用变电站自动化设计，由于变电站数量多、设备多，在加上其完善的综合功能，信息交换量大，而且要求信息传输速度快和准确无误。在变电站综合自动化系统中，监控系统至关重要，是确保整个系统可靠运行的关键。
      变电站自动化系统，经过几代的发展，已经进入了分散式控制系统时代。遥测、遥信、遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过通讯系统送至后台计算机系统。变电站自动化的综合功能均由后台计算机系统承担。
      将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。它取消了传统的控制屏台、表计等常规设备，因而节省了控制电缆，缩小了控制室面积。

2  地铁变电站自动化系统组成
      在本地铁变电站自动化系统设计中，采用分层分布式功能分割方案。系统纵向分三层，即变电站管理层、网络通讯层和间隔设备层。分层式设计有利于系统功能的划分，结构清晰明了。系统采用集中管理、分散布置的模式，各下位监控单元安装于各开关柜内，上位监控单元通过所内通信网络对其进行监视控制。变电站自动化系统需要对35kV交流微机保护测控装置、直流1500kV牵引系统微机保护测控装置、380/220V监测装置、变压器及整流器的温控装置、直流/交流电源屏等设备进行监控和数据采集。
      由于可编程序控制器技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现地铁变电站自动化的RTU功能，能够很好地满足“三遥”的要求。本系统采用了Modicon Quantum系列PLC，来实现变电站自动化的RTU功能。Quantum具有模块化，可扩展的体系结构，用于工业和制造过程实时控制。对应于变电站的电压等级和点数的多少，可以选用大、中、小型不同容量的PLC产品。
随着当地保护装置功能的日益强大，可以通过与保护装置的通讯来实现遥控和遥信功能。一些特殊要求的情况下，采用DI、DO、AI模块来实现遥控和遥信。使用PLC的DI模块来实现遥信、用PLC的DO模块来实现遥控、用PLC的AI模块来实现遥测、用PLC的通信功来完成与微机保护单元的通讯。利用PLC的各种模块可以很方便的实现“三遥”基本功能。

3  地铁变电站自动化系统设计
3.1  系统结构
变电站管理单元内的主监控部分采用可编程控制器PLC。CPU模块采用80586处理器,主频66MHz，内存2M，并配有存放数据、可调参数和软件的 RAM和FLASH MEMORY。能对CPU及I/O进行自诊断。
电源模块，采用冗余配置。电源采用冗余配置，系统输入两路直流电源，保证系统在1路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，tigao系统的可靠性。通讯模块采用Modbus＋通讯模块。系统结构如图1所示:    

图1     系统结构图 
      间隔层的微机保护装置经过RS-485总线分成几个组，连接到网桥的Modbus通讯口上，通过网桥收集数据并将这些数据通过MB+网络送到主监控单元PLC。
      系统的主监控单元可通过可编程网桥编制不同的规约，满足与不同智能设备之间的接口需要。MODBUS网桥NW-BM85C002 MB+网桥/多路转换器，每台网桥具有4个通讯口与间隔层的智能设备通讯，网桥将MODBUS协议的数据进行协议转化，通过MB+网络与PLC建立网络通讯;同时在中央信号屏中还配有可编程网桥NW-BM85C485，通过MB+网络与PLC连接，每个可编程网桥具有四个通讯协议可编程的RS-485口，在本方案中对其中的两个口进行编程，使之通过IEC-60870-7-101与中央控制中心通讯。
      系统网络通讯层向上通过可编程网桥的RS-422接口采用IEC60870-5-101规约实现与控制中心通讯;向下网络通讯层通过网桥RS-422接口MODBUS标准规约实现与主变电站内的各开关柜或保护屏内的微机综合保护测控单元等智能装置通讯，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的技术要求。通过网桥与智能设备及控制中心通讯，由网桥实现协议转换，降低PLC的CPU模块负荷率，tigao系统的可靠性。
      配置液晶显示器，用于变电所内监控、软件维护，设备调试，站控层操作等人机接口。带有液晶显示器实现站内数据的显示和控制。液晶显示以汉字实时显示所内所有事故、预告信号、所内各微机综合保护测控单元的运行状态。事件变位的内容、时间等。当多个事故信号同时发生时,液晶显示报警装置按新旧次序，在所内时间分辨率的范围内依次显示各种信息,并能存储。操作员通过按钮对显示进行选择,必要时操作员可通过该组操作按钮对开关进行所内集中控制。
      “就地-远方”控制切换装置。为便于系统运行的需要，在中央信号屏内装有“就地-远方”切换开关，实现就地控制和远方控制之间的方式切换和闭锁。在变电站控制上，方便分层控制和管理。
系统的电源采用冗余配置，系统输入两路直流电源，保证系统在一路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，tigao系统的可靠性。

3.2  开放式、宜扩展性设计
      可以与满足相应标准规约(profibus, spabus, modbus等)的其它公司相关的(IED)互联进行信息交换。充分考虑到变电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可根据要求随意配置，变电站层设备设置灵活。
      网络通讯层设计考虑到工业以太网、CAN、422、modbus＋等现场总线的接口设计，能充分满足大liuliang实时数据传送的实时性和可靠性。
3.3  软件设计
PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序。为了完成所有RTU功能，PLC采用循环扫描方式，与各个间隔层保护单元进行通讯。通过Modbus总线，读取各个保护单元的遥测、遥信信息，同时通过总线通讯对各个智能保护装置进行设点操作，实现对开关的遥控功能。本系统采用了Quantum系列PLC配套的concept编程软件中的FBD方式，进行了PLC的组态，实现了变电站自动化的三遥功能。
如图2所示的遥控功能的组态。通过使用合适的功能块的组合，可以实现你所要的功能。其中的功能块有concept软件的FFB libarary 提供的标准功能块，也可以自己定义，自己独特的功能块。
遥信的实现，有两种方式。一种是通讯方式，当变电站设备发生变位时，通过PLC与智能保护装置的通讯，读取变位的信息到PLC中，并将其上送给控制中心。另一种为DI模块方式，通过连接设备的位置继电器，PLC的DI模块能够感知设备的变位信息。

图2     遥控功能的组态
遥测的实现也包含两种方式。一种是通讯方式，PLC通过与智能保护装置的通讯，实时获取保护装置采集的遥测量信息，相当于由保护装置完成现场级的采集功能。另一种为AI模块方式，由PLC自己来完成现场的遥测量采集，并将采集到的数据存放在RAM中。网桥将RAM中的遥测量信息，作为二级数据，实时的与控制中心进行通讯。
网桥中的报文接收分析程序分析控制中心传来的报文，如果分析认为其是遥控报文，对其进行报文解析，将获取的遥控对象信息写入PLC，由PLC程序与智能保护装置通讯，来完成遥控功能。
3.4  系统功能及特点
变电站自动化实施对变电站各种设备进行实时控制和数据采集，实现对各种设备的微机控制、监视、逻辑闭锁、微机测量以及实现所间开关联跳功能。
变电站自动化系统的特点:
(1) 完善的自检功能，除通过通信对各单元进行监控外，各单元中保护和监控模块都具有极强的自检功能，同时二者相互监视，一旦发生异常，及时报警，tigao系统运行可靠性。
(2) 开关、刀闸状态信息采用常开及常闭双位置接点，通过软件判断其合法性。
(3) 监控系统采用PLC代替传统的RTU，各智能模块采集的数据通过现场总线上传到通讯控制器。
(4) 取消了常规光字牌，采用计算机模拟光字牌，并按不同电压等级的分层模式来显示。
(5) 简化防误闭锁设计，重要设备之间用硬接线实现闭锁功能，综合自动化软件具备软件逻辑判别功能，但考虑到已有运行和检修经验，一般不在后台软件中进行闭锁。
(6) 对暂态变位信号，经软件处理，采用自保持方式，未经人工确认信号不会消失。

4  结束语
      在实际运行中，网桥与控制中心的双通道设计，给运营和检修带来了很大的便利。因为是软件自动切换，克服了进口系统手动切换通道的缺点，通道的状态由软件来判断，大大tigao了发现问题的及时性。双通道同时出现故障的概率并不是很高，实际运营中有在备用通道长时间运行的情况，这样就给检修人员预留了充足的时间来检查问题。
      PLC硬件由于应用工业级可靠性设计，因此实际运行中非常可靠，绝少出现死机的情况，可靠性远高于采用bbbbbbs操作系统的通用计算机，很好的满足了供电监控的要求。从交付使用到现在PLC还没有出现过硬件故障，凸显了PLC对地铁的潮湿、高温环境的适应性。模块化的设计也使的系统的检修和更换更为便捷。
需要更改进的方面，就是对通信的改进。由于设计中没有采用光纤通讯模块，各设备对由绝缘检修和线缆破损窜进来的高压电，不能非常有效的隔离，会造成设备的高压击穿，造成不必要的损失，计划在今后的设计中对于高电压的隔离方面加以改进，就可以很好的避免这种问题。

1 引言
      PLC因为体积小、功耗低、、抗干扰能力强、编程使用方便等优点被广泛地应用于工业控制领域。但在实际应用过程中，往往是被控对象的输出点少于输入点，实现控制任务需要检测的点较多，或者操作按钮比较多，这样在选型时PLC的输出点数目可以很容易的满足要求，而对于输入点来说有可能不易满足，针对这样情况通常可以采取如下措施:(1)选取输入点数目比较多的PLC，这样在满足了控制系统对输入点数目的要求同时，增加了输出点数目，使输出点产生冗余而闲置，造成了资源浪费。(2)选择输出点数目满足要求的PLC，通过配置专用的输入模块来增加输入点数目，使输入点数目满足控制系统的要求，这种方法增加了控制系统的成本，降低了系统的性价比。(3)仍然是选择输出点数目满足要求的PLC，但在扩展时增加部分外围电路，这部分电路主要由译码器构成，这样可以大大降低系统的初期投资。(4)采用PLC的软件编程实现，其优点是在PLC输出点数目满足系统要求的前提下，选择输入点数目较少的PLC，不增加额外的硬件，利用这PLC自身固有的资源，通过编码方法实现输入点数目的扩展。本文通过对PLC输入、输出点的组合，介绍了两种基于软件编程方法的输入点扩充方法。
2 基于软件编程方法的输入点扩充方法
      PLC的一个重要的特点就是各组输入、输出点的独立性较强，这一点主要表现在输入、输出点的公共端上。一方面，单独的输入、输出点可以有自己的公共端另一方面，多个输入、输出点可以共用一个公共端，这样输入、输出点相互间的组合就比较容易。通过这些组合，我们可以借用矩阵键盘扫描原理和输入节点组合矩阵的原理来增加输入点数目。
2.1 利用矩阵键盘扫描原理扩展PLC输入点数目
      取PLC的m个输入点作为输入节点矩阵的行回扫线输入端，取PLC的n个输出点作为输入节点矩阵的列选择线输出端，同时将所用输入端的公共端COM和输出端的公共端COM相连，通过内部程序控制n条列选择线的状态，从而实现输入节点矩阵列扫描;通过检测m个输入点的状态，完成输入节点矩阵的行扫描;这样就可以唯一确定输入节点矩阵中某一接点的闭合状态。利用节点矩阵，可以很方便地由m个输入点和n个输出点扩展成m×n个输入点。

图1为采用矩阵键盘扫描原理扩展4×2个输入点的原理图。当PLC的输入、输出动作时必须构成一个闭合回路。下面以输入节点S0和S1说明系统的工作过程:
(1) 当PLC输出点Y0、Y1断开时，输入点I0的回路不通，此时即使输入节点S1、S2闭合，PLC也无法检测到节点的闭合。
(2) 当PLC输出点Y0闭合，Y1断开时，若输入节点S0闭合，可使PLC输入点I0有效;同时，因为Y1断开，S1闭合无效。
(3) 当PLC的输出点Y1闭合，Y0断开时，若输入节点S1闭合，可使PLC输入点I0有效;同时，因为Y0断开，S2闭合无效。
      通过上述分析，可以知道分时控制输出点Y0、Y1的状态，就可以唯一确定输入节点S1、S2的闭合状态，同理也可以将推广到输入节点S2、S3、S4、S5、S6、S7。在使用这种方法时必须确定键盘的扫描时间，而扫描时间的长短取决于PLC的输出点形式。对于晶体管、晶闸管以及固态继电器输出的PLC，在满足控制要求的前提下，可将扫描时间取的短一些;对于继电器输出的PLC，考虑到触点的寿命，扫描时间应适当延长。

2.2 利用输入点组合矩阵方法扩展PLC输入点数目
      利用矩阵键盘扫描原理扩展PLC输入点数目的前提是PLC必须有剩余的输出点。如果没有，这种方案必然不可行，这时必须借助于输入点，下面介绍一种基于输入点组合矩阵的输入点扩展方法。
      取PLC的m个输入点构成m个输入节点组，取PLC的n个输入点构成n个输入节点状态检测端，即每个输入节点组包含有n个节点，这样就可以实现m×n个输入点的扩展。当某一接点闭合时，对应的输入节点组和输入节点检测端都有信号送入PLC，通过输入节点的判断就可以唯一确定输入节点状态。
      图2是利用输入节点组合矩阵扩展3×4个输入点的原理图。图2中包含有3个输入节点组，4个输入状态检测端，即每组包含4个输入节点。图2中二极管的作用是防止节点闭合时相互间的干扰。下面以输入节点S0说明系统的工作过程。
(1) 当输入节点S0断开时，对应的输入节点组输入端X0和输入状态检测端X6均无输入，表明S0断开。
(2) 当输入节点S0闭合时，对应的输入节点组输入端X0和输入状态检测端X6均有信号进入PLC，表明S0闭合。
     通过上述分析，可以得到如下结论:由输入点X0和输入点X6组合的唯一性就可以唯一确定输入节点S0的状态，从而达到扩展输入点数的目的，这一结论可以从附表的真值表得出。附表1中，“1”表示PLC输入点内部触点闭合，“0”表示断开。
      这种方法可方便的扩展PLC输入点数目，与前一种方法相比，对PLC的适用性较强，扫描时间的选择取决于应用程序的扫描时间。
3 结束语
      利用PLC自身的输入点和输出点扩展PLC实际的输入点数目无需增加额外的硬件，tigao了系统的性价比。对于上面提到的2种扩展PLC输入点数的方法，在实验室中进行了验证，简便易懂，运行可靠，具有一定的应用价值

1 引言
      中国石化股份有限公司广州分公司6号罐区监控系统于2001年由常规仪表改造为PLC系统。其中工艺要求在监控系统中对瞬时liuliangFI101进行累积显示。经过对该liuliang累积的运算方法的多次测试，找到了在运算中大限度减少误差的方法，并在逻辑梯形图成功实现累积运算。
2 监控系统简介
      广州石化6#罐区监控系统采用ROCKWELL公司的可编程控制器和人机界面软件，用于实现对该液态烃罐区的24个球罐的各种工艺参数的实时监控、报警、联锁等功能。该系统从2000年10月开始设计，2001年4月系统安装、组态、调试工作全面完工。
      该系统人机界面采用Rockwell software公司开发的RSView32软件。RSView32基于Microsoft bbbbbbs NT和bbbbbbs 95/98平台设计，是一种易用的、可集成的，基于组件的人机对话系统，在编制人机交互界面方面具有极大的灵活性和极强的功能。
      控制器采用ControlNet PLC-5/40C处理器热备系统。ControlNet PLC-5/40C处理器是PLC5系列中的新技术产品，处理器及I/O系统可以通过Redundant ControlNet总线交换数据。6#罐区监控系统将1号PLC和2号PLC配置为冗余控制器。在正常状态下，只有主处理器的输出数据对I/O系统进行控制，主从处理器通过ControlNet交换数据及状态保持同步，如果主处理器出错，从处理器将接替主处理器对网络及对I/O系统进行控制。
      该PLC系统DI点采用1771-IBD开关量输入模块，DO点采用1771-OW16开关量输出模块，AI点采用1771-IFE模拟量输入模块，16点单边输入。采用1785-CHBM作为处理器热备模块，1771-ACNR15为带冗余网口的ControlNet适配器模块。
      本系统有3台上位机，其中2台为操作站，1台为工程师站。每一台上位机都能通过ControlNet单独对PLC进行数据采集和控制。上位机还通过以太网实现文件和其他数据的共享。
ControlNet的组态使用软件RSNetWorx，PLC系统组态及控制逻辑组态使用软件RSLogix5。在ControlNet 网络中，可以组态预定的数据传送操作。这样要实现在处理器和外部设备之间的数据交换，如在1771-IFE卡和处理器之间，主备处理器之间的数据交换，并不需要在逻辑梯形图中使用块传送指令。

图1 6#罐区监控系统结构图概貌

3 FIQ101的累积实
3.1 liuliangFIQ101概述
      广州石化6#罐区需要对进出罐的液化气liuliangFI101进行计量。就地仪表采用Micro Motion质量liuliang计。该liuliang计准确度±0.12%，除了可以就地显示外，同时可以将瞬时liuliang值输出为4-20mA信号。该信号接入PLC系统的1771-IFE模拟量输入模块，经过12bit 的模数转换后转换为0-4095的值。在1771-IFE中，还可以将0-4095的值定标为-9999到+9999的工程单位值。工艺要求在操作室除了可以监视瞬时liuliang值外，还要求有准确的liuliang累积值显示。我们在PLC中用梯形逻辑来实现liuliang累积的运算。
3.2 liuliang累积的原理
如何把瞬时liuliang(又称流率)经过累加运算为总liuliang，一般有如下一个公式:
瞬时liuliang×时间＝总liuliang
我们知道，假设一个liuliang值为5m3/s在1min内不变化，则在这1min内的的总liuliang为:
(5m3/s) * 60s = 300m3
现在假设liuliang变化如下:
4m3/s有 30 s
5m3/s有 10 s
6m3/s有 20 s
则在这1min内的的总liuliang为:
(4m3/s)*30s＋(5m3/s)*10 s＋(6m3/s)*20s=290m3
假设liuliang随时都可能变化，那么就不能用上面的公式来计算总liuliang了。我们可以按一定的时间间隔采样liuliang值，然后计算这些值的总和。liuliang的采样时间越短，计算的结果就越准确。请看图2和图3。
在上面2个例子中，曲线下面的区域就是总liuliang。采样间隔时间越短，计算误差就越小。
      在实际应用中，由于PLC计时器的限制，短的时间间隔只有s。然而采样间隔时间越短，计算次数就越多，这样就增加了PLC的程序扫描时间。

图3 短的采样间隔时间

3.3 在PLC 5/40C中liuliang累积运算的方法
      我们用梯形逻辑来实现liuliang累积的运算时可以采用“可选定时中断子程序”来处理，这样采样间隔时间就是固定的了。但是在PLC 5/40C中只有一个可选定时中断子程序，其定时中断时间一般较难同时满足几种逻辑功能的需要。
      我们也可以计时器指令来来作为采样间隔时间，每次计时器到了设定值就采样一次。计时器的精度不可能高于它的时基，因此每次计时器超时和再次开始计时的时候，都要产生一个时基的正或负的误差。例如，10ms为一个时基的计时器预定计10次，其时间计算将是100ms正或负10ms。
      我们也可以采用一种技巧来减少因计时器精度带来的误差。我们采用长的时间计时来作。例如，10ms为一个时基的计时器预定计30000次(PLC 5/40C的计时器的预置值范围为0-32767)，其时间计算将是300s正或负10ms。在这其中，我们可以预定一个采样间隔时间为10个时基(100ms)以上。每次程序扫描，处理器判断如果自从上次累积运算起，时间间隔超过预定时间(例如:100ms)，就将这段时间乘以当前的瞬时liuliang值作为累加量。在这种算法中，采样间隔时间就不是固定的了。
      另外要考虑的是运算所用到的数据格式。PLC 5/40C数据表按不同的格式和范围来存储不同类型的数据。有两种文件格式可以选择，一是N文件(整数型文件)，值的范围为-32768到+32767，占1个16位字;因为在累积运算过程中，数的乘积和多次累加值一般都会超出+32767，所以我们尽量不用N文件。
另外是F文件(浮点数文件)，值的范围为±1.175494e-38到 3.402823e+38，占1个32位字。浮点数在寄存器中32位的空间表示为:
S xxxxxxxx mmmmm
上面: s=符号 x=指数 m=尾数
      可见用浮点数表示的值的十进制有效位数只有7位。因此，必须考虑有效位数问题。举例如下:
假设A代表计算的总liuliang，F代表计算上一次累加的liuliang，把F加到A上就会计算出一个新的总liuliang。在控制器的存储器中，A和F使用浮点数文件格式，有效数字是7位。一旦A比F大很多时，那么A和F的加数将会产生误差。
请看计算过程:
A＝3.632523E+9
F=4.978E+3
3,632,523,000
+ 4,978
3,632,527,978
因为这个结果只能保留7个有效位，所以舍去后几位数，写成3.632527E+9或3,632,527,000，数值978被丢失。为了避免出现这个问题，我们可以想办法使A和F在整个运算过程中不出现小数，数值不超过7个有效位。
4 结束语
      liuliang累积的运算，要尽量避免计算过程中的误差，一是要选择正确的文件存储格式，二是要避免运算值超出数值范围和有效位数范围，三是尽可能减少采样时间的定时器带来的误差。在上面PLC5/40C的梯形逻辑中，我们按照以上几个原则，经过细致的考虑和计算，使用长预置值的参考定时器，并使所有被用到的浮点数文件的值的有效位数不超出范围，不出现小数，避免了丢失小的数值，从而实现高精度的累积运算，满足了工艺要求。