西门子6ES7223-1PM22-0XA8详细解读

西门子6ES7223-1PM22-0XA8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：

                                        图1系统拓扑图

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
力控?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。一台运行三维力控?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. 概述

    变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。

    成都市自来水公司六厂日产水量60万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自1996年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得我厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，我厂使用一台泵同时向郫县供水和提供我厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如消毒环节中的水射器）能正常工作，我厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法。根据我们对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大（见后图5），如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的安全可靠性。

    2. 控制系统构成

    整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行。控制系统构成如图1所示。

图1 控制系统构成图

    PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器，变频泵选用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为0~1.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为4~20mA的电流信号，送到PLC子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出4~20mA的电流控制变频泵的运行。

    3. 控制原理及功能实现

    3.1 PLC控制系统简介

    我厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话。RSView工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。控制界面如图2。

图2 变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）

    3.2 恒压供水的控制原理

    SAMI STAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。LOCAL操作方式下，通过LOCAL START/STOP开关启停变频器，通过f REF LOCAL bbbbb0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTE START/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过f REF REMOTE bbbbb0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0~50Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE bbbbb0、4~20mA信号输入）；X11-15/16（输出4~20mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出4~20mA变频泵运行电流信号）。变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。
为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图3：

图3 闭环控制原理图

图4 PID流程图

    PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。PID程序段流程如图4。PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD尽量设置得较小；SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算结果作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。

    3.3 相关控制功能实现

    为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站））；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过RSView设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。

    同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。

    4. 运行效果分析

    4.1 有效保证郫县供水和我厂自用水压力稳定，提高我厂供水安全可靠性

    图5为数据库采集的2001年某日我厂恒压变频泵出水压力、频率变化以及郫县供水和自用水流量、管网压力数据关系图。

图5 变频恒压控制频率、压力、供水量关系图

    从图中数据可看出郫县小时供水量变化很大，如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节我厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然我厂自用水秒流量变化不大，但由于我厂自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，我厂自用水压力基本恒定不变。这样保证了我厂加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的消毒工艺流程，从而保证我厂出厂水水质，提高我厂供水的安全可靠性。

    4.2 高效节能

    通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。

    在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。

    4.3 提高自动化水平

    根据我厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了我厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。