西门子6ES7223-1BL22-0XA8详细解读

西门子6ES7223-1BL22-0XA8详细解读

一、 概述
    按照新一轮城市建设和经济发展规划，城市建设和经济发展对优化城市能源结构提出了更高的要求。而推行热电联产、城市集中供热，是解决城市能源结构和环境污染问题的有效措施，充分体现节约能源、保护环境，提高能源利用效率、企业经济效益和社会效益的佳途径。所以既有利于节约能源，又有利于提高热电企业的经济效益和社会环境效益，给热电企业的发展创造了更加广阔的前景。
随着热用户的不断增加，热用量不断的加大，而怎样才能更好，更有效的对整个热网管道，热用户计量进行管理呢？利用远程监测，对整个热网管道，仪表进行跟踪监控，不仅可以全面掌握整个热网管线供热状态，还能快速、准确地反映仪表故障报警信息，方便维护人员及时查修，这样不仅节省大量的人力、物力，而且极大的提高了热网的现代化管理水平。城市热网监控作为数字化城市的一个方面，已显示出越来越重要的作用。
二、 需求：
    将下属的16个分站的数据传递到中央数据中心，由于数据中心与各分站之间已经建立了 ADSL视频网络，因此针对本项目，借用原有的ADSL网络进行数据通讯是具性价比的方式。同时，由于系统以后需要根据需求扩展，要求对系统的开放性、可维护性和扩展性给予充分考虑。
三、 系统设计原则
1．安全可靠稳定性原则
    系统的安全可靠运行起着十分关键的作用，因此在系统建设过程中，将系统的安全可靠性稳定性作为设计的原则
2．开放性原则
   坚持开放行原则，为今后系统的升级扩展维护和二次开放过程提供较大的灵活性
3．技术先进性原则
   保证系统的先进性，只有这样，系统才能经受实际的考验，保证不会被淘汰
4．经济性原则
   经济性原则不仅体现在设计过程中，而且会为系统今后的维护降低成本
5．操作维护简单原则
   系统不仅要功能完善，而且应该操作简单，维护方便，这会为使用人员带来很多操作的方便性
6．可扩展性原则
   为了使系统具有一定的应变能力，可以方便的修改和灵活的扩充，应使系统保证一定的可伸缩性
四、 系统概述
    系统主要由力控监控软件、MOXA串口联网服务器和凯迪恩 PLC构成，这种方式的主要特点是结构分散、开放性好、稳定性强、并且扩展容易。力控软件主要负责数据采集、通讯处理、人机界面和WEB发布等工作；串口联网服务器负责将PLC的串口通讯转为以太网通讯，并将数据通过ADSL网络传递给力控软件；凯迪恩 PLC负责现场仪表和设备的通讯及数据采集和控制。主要工作方式：力控软件设在中央数据中心，数据中心有一个固定的外网IP，力控软件采用典型的C/S和B/S结构，B/S方式是作为WEB服务器，将实时数据和画面通过WEB进行发布，远端用户经过授权，无须安装任何插件，使用标准的浏览器通过固定IP或域名绑定进行访问即可在远程进行监视。C/S方式是力控软件作为标准服务器端与各分站的多个客户端（MOXA串口联网服务器）进行通讯，建立连接时由串口联网服务器主动向拥有固定IP的服务器端发出连接请求，服务器进行应答，建立网络连接之后，由力控软件主动向下位的凯迪恩 PLC发出请求，通过标准MODBUS协议与凯迪恩PLC进行通讯，MOXA串口联网服务器在中间起到透明转发的作用。整个通讯系统的拓扑结构如下图：

                                      
五、系统简介
（1）上位系统
   上位系统服务器选用力控PCAUTO? WWW服务器版软件，以VC++或VB编程平台为辅助，使得数据中心监控软件具备良好的人机界面，操作直观，简便并且灵活性强等特点，可实现主要功能有：
　　1．24小时在线运行，实时采集各热用户子站的温度、压力、流量和其他运行参数，实时监测每个采集计量仪表的运行情况，而现场采集计量仪表出现故障也可以在短时间内发现，并将故障时间纪录备案，避免计量方面的损失；杜绝了用户偷汽的想法；
　　2．显示供热管网地理信息（GIS）；
3．进行整个热网数据的运行分析，具有强大的统计和数据库查询功能，可以查询任意用户任意时段内的用汽情况；实时有效的分析管线的管损情况；
4．对热用户端市电断电、采集参数异常的情况，进行报警，并记录备查；
5．根据需要自动生成结算帐单（日报表、月报表和年报表），并可以直接打印输出；
6．图表曲线功能，可以直观的反映出各个用户的用汽情况；
7．网络化设计，支持远程访问功能；
8．支持模拟屏或投影仪显示；
9．实时数据库与关系型数据库的结合使用保证了数据的稳定性和安全性。

主要特点：
1、驱动连接
    PCAuto拥有丰富的I/O驱动程序，支持多种硬件设备和通信协议，可以和人机界面、实时数据库分离，充当通讯管理服务器。一台运行力控PCAuto的计算机可同时连接多种I/O设备。目前支持的设备包括：霍尼维尔、横河、福克斯波罗、费希尔等厂家的DCS通讯；凯迪恩、AB、GE、Omron、Modicon、Siemens、松下、三菱等厂家生产的PLC；Honeywell、虹润等厂家生产的调节器以及其它流行的智能仪表、智能终端；研华、研祥、中泰、康拓等厂家生产的板卡及相关的智能模块；不同厂家的变频器如SIEMENS、三菱、富士等；各种不同的UPS设备、空调设备等；支持PROFIBUS、 Can、LonWorks、MODBUS、Opto22等标准的总线设备。
2、实时数据库和力控服务器
    服务器上安装力控的实时数据库作为服务器。实时数据库系统是一个分布式数据库系统，通过计算机网络实现分散控制、集中管理，力控?的分布式数据库系统可以方便的构成这种网络架构。力控?的实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。服务器分别处理各个监控对象的数据采集、历史数据保存、报警处理。
3、组态监视
   集成化的开发环境：Pcauto提供集成化的开发环境和丰富的图形工具使得系统开发简便、快捷
    面向对象的图形/图形工具：丰富的图形元素丰富的图形元素及超级子图精灵图库集，提供子图精灵开发工具，用户可以方便地生成自己的图库；力控?优化设计的图库，提供了丰富的子图和“子图精灵”，任意拖拽不变形，使您的工程画面精益求精。
* 脚本编辑功能：力控在动作脚本中提供丰富的函数，同时触发方式多样，具备自定义函数功能
* 安全管理：力控PCauto提供了系统的安全级管理，增强了bbbbbbs操作系统的安全性。在力控中，操作画面的显示，过程数据的写入等操作都赋予了权限管理。
* 监控功能：Pcauto能准确地监视和控制所有现场过程，根据现场产品特性要求，及时、快捷地调整设备和原材料，响应现场需求。jingque的现场分析和及时的响应减少了浪费。
* 先进的报警功能：力控Pcauto方便、灵活、可靠、易于扩展的报警系统，报告系统活动及系统潜在的问题，保障系统安全运行。力控的报警可按区管理、报警优先级以及在运行时自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件，作为非关键性报警信息。
* 数据管理：提供了多种数据管理功能，包括：数据的采集和管理，历史数据的存储，导出数据库及生成各种数据报表，保证系统处于佳的运行状态
* 历史数据存储功能：力控Pcauto自动的采集、存储、显示历史数据，分析过程趋势，为将来查询提供了文档依据。
* 强大的趋势功能：Pcauto中包括实时趋势和历史趋势图，并且可以为每个图分配多个笔，趋势图中有丰富的对象颜色和属性选择，X、Y轴还可以单独组态定义，而且可以在运行环境下调整他们的属性。
* 数据报表功能：包括：历史报表--方便快速的历史报表生成工具，能进行日报、月报、季报、年报的生成，对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定，并可以根据存储的时间进行查询历史数据，组态时在力控的绘画菜单内进行历史报表的选取。
内嵌多功能报表--灵活的报表生成方式，可以任意设置报表格式，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。可以在报表上同时显示实时数据和任意时刻的历史数据，并加以统计处理，例如取行平均、列平均，统计出大小值。内嵌多功能报表提供了相应的报表函数，可以制作各种报表
模板，实现多次使用，以免重复工作，组态时 在力控的子图内。
* 内置数据表--内置数据表是力控开发人员总结关系数据库的特点开发出的内置实时关系数据表，利用报表模板可以将力控实时数据库的变量和报表字段进行任意绑定，可以对任意的数据进行插入、删除、遍历、存盘，内置的报表过滤器可以任意设定不同情况下的查询条件，根据查询条件对所查出的记录进行选取来参与数据处理。
* 冗余及双机热备：力控PCauto数据库目前支持双机热备式冗余。即可以指定一台机器为主机，另一台作为从机，从机内容与主机内容实时同步，从机实时监视主机状态，一旦发现主机停止响应，便接管控制。I/O设备只从主机接受控制指令，以免造成控制时序错乱，在这种情况下，从机不做任何组态，同步信息包括：时钟同步、实时数据库信息同步、历史数据同步。
* 全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、等标准：可以作为DDE和OPC的客户端，OPC客户端同时可连接不同厂家的OPC服务器，支持报警和事件，同时也可以作为DDE和OPC的服务器，可以和各种关系数据库通过ODBC/SQL进行实时历史数据向关系数据库的转储.

4．WWW功能
　 Web页面与过程画面的高度同步
　　用户往往会担心在客户端浏览器上看到的Web页面与工程组态的过程画面能否完全一致，会不会对某些图形或动画效果进行限制。而PCAUTO实现了服务器端与客户端画面的高度同步。在服务器端直接浏览的效果与在客户端用浏览器上看到的图形效果完全相同。
　　快速的数据更新
　　采用COM/DCOM技术实现底层数据通信。与其它采用JAVA虚拟机进行通信的方式相比，由于减少了解释运行的环节，因而具有更快的运行与数据更新速度。
　　多文档
　　采用独到的多文档技术。在客户端的浏览器上可以同时浏览多个过程画面。
　　企业级Web服务器
　　专为构建企业级Web服务器而设计，具备高容量的数据吞吐能力和良好的健壮性。介于现场监控层和Internet/Intranet之间，通过Web服务器管理所有的访问请求，因此不会由于多个用户请求访问而影响整个SCADA系统的功能，保证系统的可靠平稳运行。pWebView支持多达500的客户端的同时访问。
　　完全瘦客户端
　　在客户端只需要Microsoft Internet Explorer 5.0或以上版本的浏览器，就可以对现场的各种事务进行浏览、控制。无需购买其它软件或增加软件成本。
　　完善的安全机制
　　提供完善的安全管理机制。只有授权的用户才能修改过程参数。使用WEB发布时，管理员尽可安心，不必担心非法或未授权的修改。
　　简便的系统开发和维护
　　使用简便，只需在服务器上进行前期的组态和后期的维护，在客户端无需任何工作。大大的减少了系统开发和维护的工作量。易于扩展，可以有效地控制系统预算开支。
（2） 通讯服务器
每个分站的通讯服务器采用MOXA串口联网服务器产品。特点如下：
立即使您的串口设备联网
点对点连接模式，可在不使用PC的情况下经由网络连接两个串口设备
可利用简单易用的bbbbbbs Utility执行大量安装
自动侦测10/100 Mbps Ethernet
所有串口信号皆内建15 KV ESD突波保护
支持SNMP MIB-II网管功能
可通过网络/bbbnet/控制器端口进行配置
配置工具可在网络上自动寻找设备联网服务器

（3） 下位系统
PLC选用凯迪恩KDN PLC 产品，KDN-K3系列小型一体化可编程控制器是用于工厂自动化领域中机器控制和小规模过程控制的先进PLC产品，与市场众多的同类产品相比它是后来者，但却跨越了PLC发展的初级阶段，将多种先进技术和功能集成到逻辑控制器中，因此广泛适用于以下控制应用：包装机械、纺织机械、建材机械、食品机械、塑料机械、数控机床、印刷机械、中央空调、环保设备以及单一过程控制装置。
　 按国际通用分类规则，KDN-K3属于小型PLC系统，由于采用高性能处理器芯片和软件优化设计，布尔指令执行速度优于0.5μs/步。K3系列共有6款CPU模块，控制点数、内存容量、内部资源、扩展能力等依次增强，开关量控制点数从14～280点，模拟量大40点。通过二十多种扩展I/O和扩展功能模块灵活组合，可以满足大部分该领域应用的要求。
　编程软件符合IEC61131-3标准
大控制点数开关量280点，模拟量40点
DIO通道可自由设置输入输出功能
多种通讯方式真正实现开放性
全部自主开发，拥有知识产权
易学易用，符合国人编程及使用习惯
PLC系统集成了一些传统产品不具备的功能，这些功能也使得PLC不再仅仅是逻辑控制器，而能够胜任更复杂的控制任务。
高速计数和脉冲输出：
　　在CPU本体上集成了4路高速计数输入（30kHz）和2路高速脉冲输出（20kHz），用于jingque定位和控制步进/伺服驱动装置
PID算法：
　　内置PID算法
DIO模块原理介绍：
　　DIO模块（KDN-K323-08DTX）的每一个点既可以设置成DI，又可以设置成DO，只要按手册的说明以不同形式接线即可，CPU内部为此模块分配一个输入字节和一个输出字节地址
顶调电位器
CPU模块带两个8位分辨率的顶调电位器，设定值被送入CPU内部寄存器供程序调用。
实时时钟功能
系统时钟可以设定和读取年、月、日、时、分、秒、星期
提供24V负载电源
　为方便使用，CPU模块上设计了DC24V电源输出端，用于晶体管输入点的电流源，其容量可以供100个DI点同时输入，多数情况下客户不用单独配置输入负载电源。

1 前言 
　　连续准确地对回转窑和分解炉进行喂煤，是降低煤耗，提高熟料质量，保证设备安全和连续稳定运转的关键因素。因此，喂煤计量控制装置必须具有稳定、准确、动作迅速等特性。
　　原来我公司采用由德国KHD成套设备公司提供的冲击式固体流量计,由于该流量计容易受到外界的干扰，计量波动大，引起喂煤量的波动, 影响了窑的工况。喂煤装置分隔轮是由直流电机拖动，直流电机的换向器和电刷的故障率较高，维护量很大。公司经过调研论证，决定进行技术改造，将其替换成2套由合肥水泥设计院生产的科氏力秤煤粉定量给料系统。该秤依据科里奥利原理设计，实现对窑尾分解炉和窑头喂煤的计量及控制。
　　2　科里奥利原理 
　　质量微粒m在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量这个力，可测得质量m，这就是科里奥利原理，如图1所示。 

图1　科里奥利原理示意
　　测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的旋转测量圆盘(测轮)，其基本结构如图1所示。由电机拖动的测轮被叶片分成数个导流槽，散状物料由测轮中心上方进入测轮，经过锥形的转向装置后，形成散料流，进入导向叶片之间的导流槽中，并被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，物料因离心力FZ的作用而向测轮外边缘运动，直至离开测轮被抛出。通过对物料所受科里奥利力FC的测量可得到物料的流量，工程中是通过测量FC对测轮的反作用力矩而测得物料流量的，这个力矩由测轮的驱动电机来补偿(离心力FZ和摩擦力FR都不能在测轮径向上产生力矩)。其计算式为：M=mωR2 
　　　式中：M──测轮所受力矩，N·m； 
　　　　　　m──物料流量，t/h； 
　　　　　　ω──测轮角速度，1/s； 
　　　　　　R──测轮半径，m。 

图2　测轮的基本结构示意

　　3 科氏力煤粉秤组成及工艺流程：
　　科氏称中的主要设备有由煤粉称重仓、水平回转式稳流给料机（以下简称给料机）、科里奥利质量流量计（以下简称流量计）、螺旋输送泵、回转空压机等组成。
主要工艺流程是：从煤磨制备出来的煤粉进入煤粉仓,对煤粉进行称重计量，要求达到一个合理料位，保证下煤稳定。煤粉仓底部与给料机连接，给料机按水平方向旋转，煤粉就由给料机喂入流量计，在流量计中经过前文所述的处理后，进入螺旋输送泵，与回转空压机中的压缩风混合后，一起到达窑头及分解炉(如图3所示)。流量计仅作为计量设备，而给料机作为预给料设备。

图3　煤粉喂料系统工艺流程简图

　　4　科氏力喂煤计量控制系统自控部分简介 
　　2套设备控制部分的原理相同，主要由1台西门子的S7-200 PLC（扩展了1个模拟量输入模块EM231和1个模拟量输出模块EM232）。1台西门子的触摸屏TP170A，2台ABB变频器，还有称重传感器,力距传感器，速度传感器等组成。如图4所示，图中M1为给料机，M2为流量计。

图4 科氏力控制系统示意图
　　PLC的型号为CPU222，属于小型PLC, 但其指令功能非常丰富，能完成各种复杂控制功能。它具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3编程软件开发。
　　触摸屏作为人机对话窗口，用于修改系统的工作参数，监控系统的工作过程。它防护等级高（IP65）,可用于恶劣的工作环境。触摸屏的使用省去了复杂的控制面板和仪表显示 。TP170A通过Protool/Pro cs V6.0为其组态。以通讯的方式读取PLC内部相应寄存器上的数据、状态及工作参数。
　　本控制方案中主要作用是从现场启动设备，整定内部参数，显示瞬时流量、累计流量，输入参数的设定，上下限报警值的设定，流量实时趋势曲线，在调试变频器时，也可以通过趋势来观察效果。TP170A与CPU222通过9针电缆进行通讯。
　　当所有设备处于正常工作状态，测得的仓重信号经过变送器处理后，送入DCS和EM231。流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭矩与转速信号经过变送器，由EM231模块输入至PLC，计算出实际流量，并且与设定值进行比较，经过PID调节后，通过EM232，控制变频器的频率从而改变给料机转速，实现流量控制。
　　窑头喂煤大流量13t/h，窑尾喂煤大流量15t/h。两套喂煤的给料机及流量计所配电机功率相同分别是：5.5kW和1.1kW。
　　5 变频器的选择：
　　每套科氏力秤喂煤系统配有2台变频器,一台拖动流量计中的测轮旋转，另一台控制给料机。变频器要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的产品。后确定4台变频器都使用ABB公司的Comp-AC变频器。为确保现场的快速调试，Comp-AC变频器预置了多种应用宏。宏是一组事先预先定义参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量降至少。选择一个宏，所有参数和控制方式即自行改变。典型的应用宏包括：工厂应用宏，ABB标准宏，交变应用宏， PID应用宏，手动自动应用宏等。这些应用宏为用户提供了方便的使用性能。
　　3.1 流量计变频器
　　两台流量计的原理相同，为了保证计量精度，要求测轮启动后能够稳定恒速运转。厂家依照电机和传动比计算出频率应设定在45Hz，两台流量计的转速相同,采用的变频器也相同是 ACS 400系列。
　　3．2窑尾给料机变频器
　　当回转窑因故障停机时，分解炉要立刻停止喂煤。工艺上没有其他特殊的要求，选择具有V/F控制方式的变频器即可，我们也选用了ACS400系列。
　　3．3窑头给料机变频器
　　当回转窑因故障停机时，窑头要少量喂煤，用于窑的保温，喂煤量只有大流量的1／8左右，为了保证在如此低流量状态下喂煤的jingque性，选用的是具有矢量控制功能的变频器，型号是ACS550 系列。ACS550是新推出的智能性变频器，具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于简单的电机运转，也可以同时满足普通负载和重载工作。　
　　6 变频器的安装调试：
　　每套系统均带有1个控制柜，为了减少变频器对传感器的干扰，除了控制信号（包括模拟信号和数字信号）需要使用屏蔽电缆，变频器到电机的强电线也必须采用屏蔽电缆。
　　为防止煤粉易结露、起拱后，导致不下料情况的发生。给料机设计成能够正反向转动。用一个拨动开关控制它的转动方向。将系统电源过开关后，接入到DI2,得电正转，失电反转。
　　应用不同的宏，手册里有相对应的接线方式。基本可以按图接线。
　　做好变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关，由此可见，合理正确设置参数很重要。
参数的定义过程：
　　1） 起动数据。是将电动机的主要参数输入到变频器，包括电机的额定电压、额定电流、功率、转速等。
　　2） 输入输出端子的定义。根据设计好的接线图用参数的方式定义数字量的输入输出和模拟量的输入输出。
　　3） 其他参数的定义，上述两项定义好后，变频器就可以使用了。为了更好的发挥变频器的功能，还要定义一些其他参数。
表1 调试后修改的参数表

表1 变频器参数表

　　窑头、窑尾给料机变频器型号不同，但参数基本一致，只是窑头的ACS550中起动数据组中多了一个参数电机控制模式9904，设置值为1，含义为无传感器矢量控制模式。
　　7 使用效果
　　自去年3月份科氏力称喂煤系统投入使用后，因其抗外界干扰能力强，计量精度高，通过触摸屏观察到的长期、短期趋势都比较稳定。对窑内热工制度的有利。变频调速和交流电机的应用使日常维护的工作量大大减少，因此造成的停机时间很少。这次技改项目非常成功