西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8详细资料

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1  引言
在纸机电气控制系统设计时，考虑到造纸机传动系统的特殊性，所以既要满足纸机传动控制系统的可靠性和良好的控制精度与稳定性，又要降低控制系统造价的原则。因此，我们选择西门子S7-400PLC和ABB—ACS800全数字多功能矢量控制变频器，利用PROFIBUS协议通信格式实现PLC与变频器的通信功能，组成该机的控制系统。  
2 核心技术单元
2.1 ACS 800系列变频器简介
ACS 800系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性。完整的保护功能以及灵活的编程能力。因而，它能够满足绝大多数的工业现场应用。DTC技术是 ACS 800的核心：直接转矩控制对交流传动来说是一个优的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。
2.2 PROFIBUS概述及协议分析
    PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是由德国西门子公司提出的一种现场总线标准，现在已成为了一种国际性的开放式现场总线标准, 即EN50-170欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，应用范围非常广泛。 PROFIBUS以其先进的技术和非凡的可靠性代表了当今现场总线的发展方向。
PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。三个版本，分别用于不同的场合。 
PROFIBUS是一种现场总线，因此可以将数字自动化设备从底级(传感器／执行器)到中间执行级(单元级)分散开来。通信协议按照应用领域进行了优化，故几乎不需要复杂的接口即可实现。参照ISO／OSI参考模型，PROFIBUS只包含第l，2, 和7层。PROFIBUS协议层或子层说明如下：
（1)PROFIBUS第1层。第1层—PHY：第1层规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。PROFIBUS通过采用差分电压输出的RS485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线电缆。树型结构还可能用到中继器。
（2)PROFIBUS第2层。第2层—MAC：第2层的介质存取控制(MAC)子层描述了连接到传输介质的总线存取方法。PROFIBUS采用一种混合访问方法。由于不能使所有设备在同一                                                          
时刻传输，所以在PROFIBUS主设备(masters)之间用令牌的方法。为使PROFIBUS从设备(slave)之间也能传递信息，从设备由主设备循环查询。
    PR0fIBUS第2层FlC：第2层的现场总线链路控制(FLC)子层规定了对低层接口(LLl)有效的第2层服务，提供服务访问点(SAP)的管理和与LLI相关的缓冲器。
    PROFIBUS第2层FMAl／2：第2层的现场总线管理(FMAl／2)完成第2层(MAC)特定的总线参数的设定和第1层(PHY)的设定。FLC和LLI之间的SAPs可以通过FMAl／2激活或撤消。此外，第1层和第2层可能出现的错误事件会被传递到更高层(FMA7)。
（3)PROFIBUS第3—6层。第3—6层在PROFIBUS中没有具体应用，但是这些层要求的任何重要功能都已经集成在“低层接口”(LLI)中。例如，包括连接监控和数据传输的监控。
（4)PROFIBUS第7层。PROFIBUS第7层LLI：低层接口(LLI)将现场总线信息规范(FMS)的服务映射到第2层(FLC)的服务。除了上面已经提到的监控连接或数据传输，LLI还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在LLI中选择不同的连接类型，主／主连接或主／从连接。数据交换既可是循环的也可是非循环的。
    PROFIBUS第7层FMS：第7层的现场总线信息规范(FMS)子层将用于通信管理的应用服务和用于用户的用户数据(变量、域、程序、事件通告)分组。借助于此，才可能访问一个应用过程的通信对象。FMS主要用于协议数据单元(PDU)的编码和译码o
    PROFIBUS第7层fMA7：与第2层类似，第7层也有现场总线管理(FMA7)。FMA7保证FMS和LLI子层的参数化以及总线参数向第2层(FMAl／2)的传递。在某些应用过程中，还可以通过FMA7把各个子层的事件和错误显示给用户。
（5)PROFIBUS ALI。ALI：位于第7层之上的应用层接口(ALI)，构成了到应用过程的接口。ALI的目的是将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是由它在所谓的对象字典(OD)中的特性(数据类型、存取保护、物理地址)所描述的。

3 系统的控制网络组成
要想组成PROFIBUS网络，必须有两个条件。主站的网络组态工具和从站的GSD文件，两者缺一不可。主站的网络组态工具是一个网络组态软件，用来将各个站组成网络，设置网络参数和站的参数，并将已设置好的网络组态传送给主站。GSD文件称为设备数据库文件。对一种设备类型的特征GSD文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。
在组网时，必须先把你所须的从站的GSD文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工具里就有了你所须的从站的选项。用网络组态工具建一个你所需要的网络，并设置网络参数，然后在网络上添加你所须的站，并设置站的参数，后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个PROFIBUS网络。本控制系统结构图如图1所示。
系统选用ABB公司ACS800直接转矩控制（DTC）变频器，以PLC为控制中心， PLC通过PROFIBUS-DP现场总线与变频器构成DCS控制系统。PLC与上位机、现场触摸屏、变频器实行PROFIBUS高速通讯。
传动部下位控制中心为西门子S7-400 PLC，在PROFIBUS现场总线上S7-400 PLC是主站，选用CPU414-2 DP，有强大的通讯功能，自身带有一个PROFIBUS-DP接口，可与变频器及操作现场触摸屏采用PROFIBUS-DP总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能。PLC接受上位机优化控制指令，可以根据纸张生产品种自动调节各分部速度以适应生产需求。同时PLC将各分部运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。 
图中VVVF为ABB变频器、、OP1-OP8为操作台、PG为脉冲编码器、M为传动电机
整个系统全部实现全数字化操作控制，通过PROFIBUS现场总线通讯完成，简化了系统结构，提高系统的抗干扰能力。整个系统采用PROFIBUS现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输。系统中不在有整束的电缆，也省去了成千上万个线路接点。大大提高系统的可靠性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化。彻底杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。

 图1 控制系统结构图
3.1 PLC主要完成功能
（1）、现场控制信号的采集，PLC通过PROFIBUS现场总线检测现场操作台操作信号。
（2）、速度链的控制及计算，PLC根据工艺要求完成速度链的控制处理。调节前一级速度时后一级紧随前一级的速度变化。调节后一级的速度时前一级速度不变。
（3）、速度控制的执行。PLC接受上位机控制指令，通过上位机操作，PLC可以根据纸张生产品种自动调节车速、分部变比以适应生产需求，并通过PROFIBUS现场总线控制各分部变频器的运行速度。
（4）、自动负荷分配控制功能，对与负荷分配点，PLC要完成负荷分配运算及控制。
（5）、PLC与触摸屏实行PROFIBUS现场总线高速通讯，将传动各分部点工作状态实时在触摸屏显示出来；并接受触摸屏上的操作指令，控制各传动执行相应的动作。
3.2 人机工程
本系统配有触摸屏8台，设立在控制现场，触摸屏上设有功能键、操作图形显示及设定值与实际值的显示等。还有变频器的运行状态及故障显示。可以对各传动点实现全部控制功能，具体控制功能如下：
（1） 起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。
（2） 爬行/运行：用于低速调试检修、正常抄纸切换。
（3） 单动/连动：对于要求负荷分配各传动点的单动/连动控制。
（4） 紧急停车：紧急停车功能。当纸机运行过程中出现意外事故，威胁到设备安全及人身安全时才可使用。
（5） 速度微增：用于本传动点的速度微调。
（6） 速度微减：用于本传动点的速度微调。
（7） 紧纸：    用于本传动点的紧纸调节。
（8） 松纸：    用于本传动点的松纸调节。
（9） 负荷分配功能：负荷分配点自动实现分配。
3.3 监测功能
(1） 变频器运行、故障状态显示。
(2） 电机的电流、转矩、分部线速度显示。
    本系统所用的主站是西门子的PLC,从站是ABB的变频器。所以网络组态工具用西门子的STEP7软件内集成的网络组态工具进行组态,组态好后就可以编写控制程序了,从站的地址在主站的程序中可以直接使用,这样通过程序主站就可以对从站进行操作了。网络的通信自动运行,不需要控制程序参与。
4  系统的软件设计与功能实现
4.1控制系统的软件设计原则
(1)程序模块化结构化设计，其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;
(2)程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率;
（3）采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;
（4）必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器，只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可，满足纸机运行的需要。主程序流程图如图2所示。

4.2 速度链设计及速差控制   
速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器数值。如图3所示。
该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。
算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内，我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给驱网、吸移、真压、一压分部，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。
若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图4来体现，由PLC软件实现。
  
图4  纸机速度链结构图
4.3 负荷分配的设计  
负荷分配分三部分(如图五虚线范围内部分)。1）驱网辊与伏辊; 2）吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊;  3）施胶上辊与施胶下辊。
负荷分配的软件实现，首先基于合理的速度链结构,如图5所示。采用主链与子链相结合的结构，使具有负荷分配的传动点组在子链结构上，进行负荷动态调整时不影响其它传动点的状态。
在纸机传动系统中，因为在有机械相联系的传动点由于所处位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量,实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率，进行读取计算、调节。在一组负荷分配传动点中选取包角较大且功率较大的传动点作为主点，其余各点利用PLC通过总线读取电机电流或转矩，分别与主点电流或转矩进行比较，并以PID调节算法，相应调节从点变频器的输出，使其电流或转矩百分比与主点一致，而达到负荷分配的自动分配的目的。       
为了保护机械装置和避免PLC调节过于频繁，在软件中设置上下限幅值。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整。如负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。如果大于不平衡上限幅值，进行停机处理，以防止机械损害发生。

5 结束语
    基于西门子公司PROFIBUS-DP协议的S7-400PLC纸机电气传动三级控制系统，较理想地实现了对该纸机的控制，纸机的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、可靠性都得到了用户的认可和赞许。纸机（为幅宽4200/450,工作车速为550m/min的纸机）在河北香河银象纸业稳定运行已近二年。实践证明，该结构控制方式可应用于大型、高速纸机的电气传动控制。

1 引言
在焦炉炼焦过程中，会有大量的荒煤气产生，荒煤气由集气管收集,通过输气管网由鼓风机送往后续工段处理。由于产气量随结焦时间而变化，集气管中的压力不断改变，特别是在炭化室进行推焦、装煤时会造成集气管压力大幅波动。当炉体内操作形成负压时，空气就会从炉门、炉盖等处进入炉体，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降。进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学反应，导致炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；空气还会促使荒煤气燃烧，使煤气系统温度增高，从而加重了冷却系统的负担,产生不必要的能源消耗。当炉体内的压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成跑烟冒火，污染环境；另一方面降低了荒煤气的回收率，造成能源的浪费[1]。，集气管压力的稳定不但影响焦炭的质量，也关系到焦炉的寿命。所以我们必须对集气管压力进行控制，使其维持在设定的压力范围内，考虑到焦炉集气管压力控制对象的数学模型难以建立，本文以湘钢焦化厂工艺过程控制技术改造项目为研究对象，利用经典控制与智能控制相结合进行集气管压力的控制。
2 工艺分析
2.1 工艺流程
目前湘钢焦化厂现有四座焦炉、三台初冷器（2开1备）以及四台鼓风机（2开2备）。由于中间的闸阀都关死了，整个系统可以看成两套独立的系统Ⅰ和系统Ⅱ。系统Ⅰ包括1#初冷器、1#和2#鼓风机（1开1备），连接1#和2#焦炉；系统Ⅱ包括3#初冷器、3#和4#鼓风机（1开1备），连接3#和4#焦炉，系统Ⅰ和系统Ⅱ鼓风机输出端合并，2#初冷器备用。焦炉煤气从各炭化室通过上升管，并在上升管被循环氨气冷却到80~90°C，然后进入集气管。在气液分离器与焦油、氨水分离，进入初冷器，在初冷器冷却到35~40°C，然后通过鼓风机送往下道工序。如图1所示。

2.2 影响集气管压力的因素
通过分析，影响焦炉集气管压力的因素[2]：①炭化室内间歇地装煤和推焦对集气管压力产生较大的冲击；②各焦炉之间的相互耦合，在器前吸力稳定的情况下，任一焦炉压力的波动，都会影响另一焦炉压力；③器前吸力变化的影响，在鼓风机抽力不变的情况下，机后设备的阻力发生变化或煤气用户的用量发生变化时，都会引起机后压力的变化，进而引起器前吸力的变化，在煤气发生量稳定的情况下，该吸力势必引起集气管压力的波动；④结焦时间的变更和加热制度的变化使得产气量存在明显波动；煤的成分、装煤量的变化以及实际推焦时间的变化也会影响到集气管的压力变化；⑤循环氨水流量和温度的变化，荒煤气冷却系统是否畅通、阻力大小也影响压力的稳定及气量传输的动态特性，鼓风机入口排液系统、鼓风机后管线是否畅通直接影响压力系统的稳定；⑥荒煤气的温度高低直接影响输气系统正常运行，过高时风机负荷加重且易发生危险，过低时则会导致冷却系统结萘；⑦炉门、炉盖密封不严引起集气管压力降低；⑧氨水量的变化形成瀑布，从而增加荒煤气的流动阻力。
2.3 原有系统的情况
经过很长一段时间对原有系统的观察，发现湘钢焦化厂的原有控制系统存在如下情况：①集气管压力波动大，在焦炉加高压氨水或者机后压力很大的时候，压力有时能达到400Pa左右，焦炉严重冒烟,有时煤气发生量小或者机后压力很小的时候，压力能达到-300Pa左右；②初冷器前吸力经常达到大值，并且经常出现急剧上升和下降的现象；③当集气管处于高压或者低压，并且长时间不能下来或者上去时，操作人员不得不开大或者关小机前闸阀，这种情况在每个班都要出现好多次，特别是夜班更多。④1#和2#，3#和4#集气管压力耦合现象严重。如图2、图3所示。

 
图2 原有系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线
 
图3 原有系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
3 控制策略
不管是系统Ⅰ还是系统Ⅱ，首先我们要稳定的是初冷器前的吸力，只有这个吸力大致稳定了，集气管的压力才能得到很好的控制。因此，我们制定了下列的控制策略。本次改造工程中采用西门子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)与西门子SIMOVERT MV变频器作为控制核心，PLC和变频器之间通过Profibus-DP通讯，上位机监控软件采用杰控的FameView。
3.1 器前吸力的控制
对于系统Ⅰ，以初冷器前吸力为被调量，以横管上蝶阀的开度为控制量组成单回路的闭环控制系统，采用常规PID控制算法来控制蝶阀达到稳定器前吸力的目的。对于系统Ⅱ，采用了变频器组成单回路的闭环，也是以初冷器前吸力为被控对象，通过改变频率进而改变鼓风机的转速达到稳定初冷器前吸力的目的（此时横管上的蝶阀手动处于全开状态），也是采用的常规PID算法。
3.2 集气管压力的控制
对于四个集气管压力，都是以集气管压力为被调量，以集气管上的蝶阀的开度为控制量组成单回路闭环控制系统，采用变参数PID控制算法；鉴于压力在正常范围波动时，固定参数PID控制能取得很好的效果，但是当压力很高或者很低时，调节就显得力不从心，本应该快速地开大阀门或者本应该快速关小阀门，这时候却做不到这些。因此，我们将压力分段考虑，压力在不同的区段用不同的P值，通过改变P值来做到快速的调节阀门开度来脱离高压或者低压状态。
4 专家系统控制
尽管采用上述的控制策略能应付大多数情况，但是当集气管的阀位为全开而压力依然很高或者当集气管的阀位为全关而压力依然很低时常规PID算法的收敛速度难以满足调节要求，这时候采用专家系统就显得很有效。专家系统总的思想是通过对集气管压力和阀位的考虑来改变初冷器前吸力的设定值，让集气管压力快速地脱离极限状况。
对于系统Ⅰ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〉P1max, 1#焦炉集气管阀位V1〉V1max, 2#焦炉集气管压力P2〉P2max；②2#焦炉集气管压力P2〉P2max, 2#焦炉集气管阀位V2〉V2max，1#焦炉集气管压力P1〉P1max。在下面两种情况减小器初冷前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〈P1min, 1#焦炉集气管阀位V1对于系统Ⅱ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〉P3max, 3#焦炉集气管阀位V3〉V3max, 4#焦炉集气管压力P4〉P4max；②4#焦炉集气管压力P4〉P4max, 4#焦炉集气管阀位V4〉V4max，3#焦炉集气管压力P3〉P3max。在下面两种情况减小初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〈P3min, 1#焦炉集气管阀位V35 改造后系统运行效果
系统改造后，对于系统Ⅱ来说，由于变频器调节能力很强，器前吸力波动很小，集气管压力基本能控制在80±20Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在很短时间内恢复正常。对于系统Ⅰ来说，横管上蝶阀的调节能力远远不如变频器那么强，初冷器前吸力相对波动比较大，集气管压力能基本控制在80±50Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在较短时间内恢复正常。如图4、图5所示。
 
图4 改造后系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线
 
图5 改造后系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
6 改造后系统依然存在的问题
对于系统Ⅱ来说，基本不存在什么问题，但对于系统Ⅰ，在煤气发生量很小或者机后压力很高时，横管上的蝶阀处于较低开度或者较高开度阀位时，蝶阀对初冷器前吸力的调节能力显得很弱，有时甚至吸力不可控，这种情况下也造成集气管压力处于很低或者很高的状况，并且很长时间也不能恢复，现场的操作人员不得不去把机前的闸阀关一点或者开一点，每个班发生这种情况一到两次，这种现象可能与蝶阀本身工作方式有关。
7 结束语
实践表明，本文提出的一些控制策略在湘钢焦化厂的此次焦炉集气管压力自动控制系统改造中是很有效的，改造是成功的，得到了湘钢焦化厂的一致认可。另外，系统Ⅱ所用的变频器是湘钢焦化厂使用的台变频器，起初他们是不认同变频器的，但系统Ⅱ后达到如此好的控制效果改变他们起初对变频器的观点。