西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0详细资料

西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0详细资料

一、 设备概述

    随着我国城市化水平的提高，城市人口急剧增加，居民小区不断建设且楼房层数越来越高，使原来自来水管网压力出现不足，很多城市普遍存在着用水高峰期高层楼房上不去水的现象，导致高层居民用水难。目前，一般的解决办法是修建水池或水箱，通过水泵二次加压供水。

    为解决此类问题，当前均采用先进的全自动无负压供水设备，此供水设备可直接与自来水管网串接，通过负压消除器和稳压平衡器保护自来水管网不形成负压，避免了修建混凝土蓄水池或设水箱的麻烦。此设备充分利用了自来水管网的原有压力，在原有压力的基础上叠加一部分压力，差多少，补多少，使二次加压设备的选型减小，节省投资，同时在使用过程中也可大大节能，是目前先进新的二次供水方式。

二、 设备应用范围

1、 流量范围：1.5-1600吨/小时；
2、 扬程范围：21.6-225米;
3、 稳流罐：0.5立方-50立方；
4、 压力范围 0 ～ 2.5MPA
5、 压力调节精度：±0.01兆帕；
6、 环境温度：0-40℃.
7、 相对湿度 90 % 以下（电控部分）
8、 电源 380v（1 ± 10 % ） ；50HZ ± 2HZ
9、 控制方式 单台，恒压

三、 设备方案：

    本设备主要由变频控制柜、稳流调节器、负压抑制器、水泵机组、仪表、阀门及管路等组成。

    1、在本自动控制系统中，变频器我们采用了美国艾默生，同时，为方便用户进行实时监控设备运行状态以及便于维修，我们采用了人机界面触摸屏，控制器采用了艾默生EC20，由于它具有两个通讯端口，并且可任意选择通讯协议，组网方式如下：

    2、EC20控制器通过COM0端口与人机界面通讯，人机界面作为主站，通过EMERSON PROTOCOL 协议与可编程通讯，控制器为从站，通过MODBUS协议通讯。通过COM1端口与变频器通讯，可编程控制器此时作为主站，变频器为从站，采用的是自由口通讯协议。

    3、通过此种组网方式，用户对于压力设定、输出频率、辅泵频率、PID数值、切换时间、 延时时间、超压设定、压力反馈等数十种参数可在触摸屏上显示、 设置、修改，方便操作。对水泵工作状态、变频器工作状态 和系统水位等多个参数，实现了即时跟踪。满足远距离监测、监控及控制功能。

    同时，还可方便监测设备故障，方便维修。具有故障实时记忆功能。

四、 控制部分：

    1、本设备具有手动和自动两种控制方式。

    2、在自动运行中无水停机、有水自动开机，两台泵循环运行，先启先停，定期切换。

    3、PID调节：PID闭环调节实现水泵恒压运行。采用EC20的PID指令，由于本设备直接连于自来水管网，当自来水压力低于用户所需要的设定压力时，微机控制水泵启动运行，直到管路的实际压力等于设定压力，此时变频器控制的水泵以一恒定转速运行，保持管网压力为设定值。自来水压力越高，变频器转速越低，自来水压力越低，变频器转速越高。当自来水压力达到设定值时，设备停止运行。充分利用自来水管网压力，又确保用户所需的恒定压力。

    4、零流量停机控制功能：不论是在一台还是两台泵运行时，自来水满足要求压力时，设备就停止工作，由自来水直供，变频器处于休眠状态。自来水压力不足时，设备工作，此方式充分利用自来水管道原有的压力差多少，补多少，节能效果极其显著，可达20％- 70％以上。

五、 PLC程序要点

    1、压力调节：通过CONTROLSTAR编程软件中PID指令向导，自动生成PID_SET和PID_EXE 2个子程序，其中PID_SET是参数设置程序，PID_EXE是PID调用，见下图：

    2、 变频器控制

    CONTROLSTAR编程软件有专门的变频器指令，可实现EC20和艾默生变频器的无缝连接。

    2.1 通过系统块界面设置EC20的通讯端口1的自由口协议参数，包括波特率、奇偶校验、数据位、停止位、帧间超时时间等。用户不需要复杂的编程。

    2.2 通过“变频器连接表”可方便列出挂在端口1网络上的变频器设备。包括站号、型号、协议等。

    2.3 通过集成在CONTROLSTAR编程软件中的专用变频器指令,包括FRQ（给定频率）、FWD（正转）、GET（读变频器频率、电流、转速）、REV（反转）、STP（停止），可以方便实现变频器的启停、读写频率

六、 总结：

    在本案例中，我们采用艾默生高性能变频器以及先进的可编程控制器，满足了用户在无负压供水中的应用。

    1、智能化程度高 微机控制全自动运行，性能稳定可靠，泵房可实现无人职守。

    2、恒压：PLC的PID闭环调节，恒压精度高，将水泵的运行严格遵照高效曲线执行，从而使得系统在接近理想状态下工作，压力输出值精度有效保证在±0.01兆帕范围内。在水压波动下，具有过载、短路、过流等各种自动、保护功能。

    3、节能 变频器的零流量停机功能，使设备在管网压力达到设定值后，停机，处于休眠状态，待压力不足时，重新启动。真正实现节能功能。

    4、良好的通讯方式，方便用户远距离监控、监测及控制设备和变频器等。同时利用通讯功能，不需再使用模拟量模块，安装维护方便，进一步节约成本。

概述   
    随着时代的发展和科学技术水平不断的提高，工业工程逐渐走向大规模化、集成化。同时，越来越多的各具功能的工业产品充斥在我们设计人员的周围，如何更好的利用这些多如繁星的产品，做到工程的优化，是设计人员一直努力的目标。本文结合实际，谈谈PLC在工程项目中的如何与其他产品巧搭配，使得整个系统更经济、高效、可靠。

2．项目背景
    在中海石油炼化公司惠州项目离心鼓风机配套电自控系统中，系统配置如下：就地安置的低压电控柜六套，用来完成各自风机子系统的启停等功能；PLC远地自控机柜一套，选用西门子S7-300系列，采集整个风机系统的温度、流量、油压等模拟量后通过上位机输出显示、报警。风机系统的温度采集点有很多，本项目中每套风机各有3个电机定子温度、2个电机支撑轴承的温度、风机的2个支撑轴承的温度和1个止推轴承的温度，温度点共计48个。若选择西门子8点模拟量输入模块，则共需要6块。（如图1）再加上轴震动度、油管压力、出口风压等模拟量输入，需要选用的PLC的模拟量输入模块的数量太多，成本高、安装难。那么，如何在保证甚至提高系统性能的前提下尽可能的减少扩展模块呢？

3．提出新思路   
    西门子的S7-300系列PLC的部分CPU配备了PROFIBUS DP主站/从站接口，所以我们可以利用PROFIBUS总线传输协议来批量的获取现场温度信号。PROFIBUS –DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
    我们知道，温度信号可以通过巡检的方式集中采集，所以根据实际情况，我选择陕西工业自动化工程公司研制生产的SS7-16型16路温度巡检仪共3台。但这种型号的温度巡检仪采用Modbus RTU协议（RS485口）进行通信，Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它作为一种通用工业标准，已经广泛应用在不同厂商生产的控制设备所组成的工业网络中，实现集中监控。

图1 模拟量输入模块采集温度结构示意图

图2 主—从传输形式采集温度信号结构示意图

    两示意图分别是使用模拟量扩展模块和温度巡检仪采集温度信号的示意图，直观的比较两图不难发现，主—从站的结构形式具有以下优势：
    1、节省硬件数量与投资。
    2、节省安装费用。
    3、节省维护开销。
    4、用户具有高度的系统集成主动权。
    5、提高了系统的准确性与可靠性。 
    既然这种思路有很大的优势，那么我们就可以抛弃模拟量输入模块，用温度巡检仪取而代之，下面我们对其更深入的进行分析。

4．列出两种方案    
    针对两种设备采用两种协议的情况，下位机需要增加一个设备来完成Modbus RTU协议转POFIBUS协议的工作。虽然改变了选型思路给我们带来了新问题，但工控市场上琳琅满目的产品能帮我们轻松的解决。针对Modbus RTU协议转POFIBUS协议的问题，容易想到两种方案。
方案一：利用西门子公司的CP341通信模块。
    CP341模块是西门子S7—3001400系列PLC中的串行通讯模块。该模块具有1个可选的串行通讯口（本项目选为RS485口）CP341模块可以同时与多台串行通讯设备进行通讯，如同时连接多个变频器、巡检仪等。其处理器可以特别方便和简单地进行参数化。如果采用RS422／485 Modbus RTU通讯方式，需要在发送的数据包中包括站号、数据区、读写指令等信息。供CP341模块所连接的从站设备鉴别数据包是发给哪个站的。以及该数据包是对那个数据区进行的读或写的功能。
 

方案一的通信硬件选择表

    使用CP341的好处在于这种通信模块与CPU同厂家，兼容性和可靠性好。缺点在于此模块需要另付软件和硬狗的费用，对小型项目来说成本不低。

方案二：利用协议转换器进行协议转换
    协议转换器就是网桥，或称工业网关，用于在链路层完成LAN之间或LAN与WAN之间数据包的存储和转发及不同物理接口之间的转换。如果以太网的网络类型不同（比如以太网以及令牌环），因为彼此不识别对方的帧格式传输方法，所以单纯依靠数据链路层协议是无法实现两个网络的相互连接因此这个问题在网络层上进行解决：方法是在不同的网络类型中分别置两个网关，网络与网络之间通过网关相连，因此网关起到协议转换的作用 。
    近年来协议转换器产品的品质、性能日趋成熟，品牌也多种多样，功能也十分强大，我们拿瑞典的“Anybus”为例说明如何在项目中使用。
    根据本项目的要求，我们可以选择Profibus-DP Serial Gateway系列产品，通过配套的软件可以选择不同类型的串口（RS232/422/485/） Anybus Communicator提供了一种Modbus RTU主站模式。在这种模式下网关轮询一个或多个Modbus从设备并将从设备中获取的数据映射到网关内部存储区。用户可以选择使用预定义的标准Modbus命令，也可以利用网关的数据处理功能来定义通讯报文，这样网关和现场总线主站之间交换的仅仅是所选择的数据。这种功能很适合将温度巡检仪作为从站，然后利用网关依次对其采集到的数据进行读取。
 

方案二的通信硬件选择表

    比较两种方案，前者由于通信模块与CPU同一厂家，系统较为可靠稳定。但由于需要购买软件和加密狗，使得成本偏高；而后者更为经济，而且协议转换器体积小巧、使用简便，更适合应用在某些特殊的场合。另外，在项目要求宽泛的情况下，我们可以采用与PLC同协议的从站设备，这样省去了协议转换这一程序，让系统更加优化。

5．结束语
    选择产品、设备的目的是使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。五花八门的硬件、模块就像一块块七巧板，不同的搭配组合会产成不同的效果。所以，当我们在拿到一个项目并开始考虑选择硬件时，可以多换几种思路，并将每一种方案思路落实在图纸上便于更加清晰的比较、推敲。科技的进步有目共睹，产品的功能日新月异，在工业设计中已没有一成不变的方法，作为工业控制的一名技术设计人员，我们应该勤动脑、开阔思路，多快好省的解决问题。