西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8详细解读

西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8详细解读水泥厂自动化技术的迅速发展，对水泥厂主要设备磨机的自控系统提出了更高要求，因此磨机自动控制系统的可靠性、安全性，不仅影响磨机自身的各个参数，而且还对上位机监控系统，整条生产线的产量产生重大影响。磨机系统由主辅传动电机、主减速机、进出料端轴承、筒体及对应各部分润滑系统组成。电控系统不仅要求对磨机各润滑站的油压、油温、油流、液位、主电机定子温度、轴承温度，主减速机油温、轴承温度、进出料端轴瓦温度进行监控，而且要对磨机起动装置——液体变阻器和动静压轴承系统进行智能化控制，需控制的开关量、模拟量达200余点（路），显然采用常规的继电器逻辑控制和仪表控制不能完全满足系统要求，且系统开关元件多，故障率高，而采用PLC可满足磨机系统要求。
 1　PLC功能简介 　　
　　本系统采用日本光阳公司SU－6B型PLC，模块化结构，其电源模块供电电压AC85～132V／170～264V，环境温度0～60℃，整机绝缘等级、耐压、耐震动、耐冲击性、抗干扰性等均适合工业现场的恶劣环境；程序语言为梯形图／级式并用，指令数191种，程序存储采用UVPROM和EEPROM存储器盒，输入输出可扩展大至512点，其中输人320点，输出320点，内部继电器1024个，定时器256个，计数器128个，还有许多特殊功能继电器，无论在硬件上、软件上均能满足磨机电控系统的要求。此外程序编制调试完毕以后，再输入密码，可对程序加密，防止非人员改动，保证系统可靠的运行。 
2　液体变阻器的控制 　　
　　磨机起动采用液体变阻器，控制系统硬件配置见图1。测量极板限位选用四个金属接近开关，型号SA－2105B－110V，测温元件选用WTZ－288双接点温度计，液位继电器选用UQK－02～110V，性能可靠的一次元件为程序的运行提供了可靠的保障。当系统液位、温度正常，且检测到主机运转信号后，液体变阻器极板开始下降，此时开始计时，若定时器时间到，而极板还未接触到下限位开关，因而转子接触器没有闭合，则说明系统异常，自动地发出系统异常信号，停止主电机。若在定时器设定的时间范围之内，变阻器极板下降到下限位，接近开关发出信号，则转子接触器合闸，将转子电阻切除，主电机正常运转。然后极板又自动地上升到上限位开关位置处停止，为下次起动做好准备。液体变阻器控制软件流程见图2。
 　  
图1　液体变阻器控制系统硬件配置图 
1LS1极板上限开关；1LS2上极限开关；2LS1极板下限开关；2LS2下极限开关； GC1主电机定子合闸开关；ST液箱温度高；SL液箱温度低；GC2主电机转子短接开关； Q1极板电机控制开关；Q2液泵电机控制开关；1KM1控制极板上升接触器； 1KM2控制极板下降接触器；2KM1控制液泵电机运转接触器；KM3切除液体变阻器的接触器； KM4液体变阻器系统正常；H1极板上升或上限指示；H2极板下降或下限指示； H3液箱状态（包括液温、液位等）指示 
　 
图2　液体变阻器控制软件流程图 　 　
　液体变阻器同频敏变阻器相比，由于液体变阻器属于无感电阻，且变化平滑，比其他变阻器波动小，因此功率因数高，可使电机的起动电流控制在1．3Ie以下，增大了起动转矩。当电网电压发生波动，低于额定电压时也能正常起动。但是若在起动过程中，上、下限位开关触点接触不良或在正常运转过程中转子短接接触器触头损坏不通，均会使液体变阻箱在极短时间内发生“开锅”现象，损坏其内部绝缘套筒及绝缘套管，使变阻器不能工作，严重时会使其机械传动机构也损坏。由于转子侧电流较大，这种故障发生时间即使很短，也会造成重大损失，且不易被操作监护人员发觉。通过温度检测，利用PLC丰富的软硬件资源进行优化设计，可对变阻器起到保护作用。
 3　动静压轴承润滑控制系统 　
　　为了减少轴瓦磨损，提高轴瓦寿命，大型磨机进出料端润滑系统均采用动静压控制。动压系统是保证轴瓦润滑；静压系统的作用是，当磨机起动前，中控系统发出静压系统起动信号I20＝1，根据转换开关的状态，相应的高压泵工作，若在设定的时间内压力达不到正常值，或此泵出现故障，备用泵立即投入运行，两泵互为备用工作方式，当压力达到正常值时，磨机筒体即被顶起，处于“悬浮”状态，大大减小了起动矩，此时并向系统发出允许主电机合闸信号，使磨机起动。当磨机故障或正常停机时，静压系统立即投入运转，使磨机在“悬浮”状态下平稳停机。 　　磨机静压控制系统硬件配置及软件控制流程与图1、2类同，在此不赘述。 
4　结论 　　
　　利用PLC将磨机的各个润滑系统、液体上阻器等检测点的温度、压力等信号分别送入PLC的A／D模块和DI模块，使整个系统减少了大量的内外部连线，省掉了许多常规元件，系统可靠性大大提高，且操作简单，通过模拟盘可随时查找任何点的故障。这种系统已在苏州扬子水泥公司3台ф3．4m×7．5m＋1.8m烘干磨，4台ф3．5m×11m水泥磨，苏州天平集团2台ф3m×11m水泥磨中投入使用，在几年的运行中均没出现问题，大大地提高了系统的自动化水平和设备的安全性。 　

1引言

    在绝大多数变频器调速工程应用领域，都需要外围辅助机电联控系统实现变频器的自动化运行。外围机电联控系统随着调速对象的不同要求千变万化，有时可以是相当的复杂，例如常见的机电一体化运动系统，所以工程上变频器经常与PLC集成联控运行。

    台达VFD-E（图1）系列变频器在内部集成嵌入可编程控制器。VFD-E为机电一体化等 复杂调速系统开创精简型整体解决方案时代。

图1台达VFD-E系列变频器

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2VFD-E变频器内置PLC简介

·PLC逐行扫描标准运行方式。

·丰富的编程语言：指令语句；梯形图；SFC。

·丰富的指令语句：45个指令种类，包括28个基本指令，17个应用指令。

·350步长程序容量。

·uS级基本指令的处理速度。

·结束再生的输入/输出控制方式（当执行END指令时输入输出有立即刷新指令）。

·8点基本I/O配置：6个输入点（X）,2个输出点（Y）。

·I/O模块扩展功能：通过I/O卡可以配置9个输入点，4个输出点。

·通用辅助继电器M：160点。（M0-M159,特殊用继电器共32点M1000-M1031）

·定时器：16只。T0～T15（100ms）。

·计数器：8个16位（C0～C7）；1个32（C235）。

·通用内部寄存器D：30点（D0～D29）

·特殊寄存器D：45点。（D1000~D1044）。主要作为存放系统状态、错误信息、监控。

·通过RS485编程。

3VFD-E变频器的PLC程序执行方式

    PLC程序的上传和下载通过PLC2编程页面执行。首先按MODE键到“PLC0”页面，然后按上键切换到“PLC2”，接着按下“ENTER”,成功会显示“END”,然后会跳回“PLC2”.在没有下载程序到变频器里面之前，如果出现警告可以不理会。注意在上传和下载程序前变频器是在停止状态下。

    执行VFD-E变频器内部PLC程序有三种方式：

种方式：在PLC1编程页面下，自动执行PLC程序；

第二种方式：在PLC2编程页面下，经过WPL由通讯监控PLC程序运行（执行/停止）；

第三种方式：端子运行方式。当为外部多功能输入端子（MI3-MI9）设定为“RUN/STOPPLC(99)”后，端子接点导通(close)时，在PLC页面会显示PLC1,执行PLC程序。端子接点断路（open）时PLC页面会显示PLC0,停止PLC程序。

4内置PLC的特殊功能装置配置说明

    限于篇幅，本文中只是把常用的特殊继电器和寄存器等说明一下，详细的可以见到中达电通股份有限公司的网站上下载VFD-E系列的说明书。

4.1特殊继电器说明

    M1000运转监视常开接点（a接点）。RUN中常时On，a接点。RUN的状态下，此接点On

    M1001运转监视常闭接点（b接点）。RUN中常时Off，b接点。RUN的状态下，此接点Off

    M1005变频器故障指示

    M1006输出频率为零

    M1007变频器运转方向FWD(0)/REV(1)

    M1025变频器RUN(ON)/STOP(OFF)

    M1026变频器运转方向FWD(OFF)/REV(ON)

    M1028高速计数功能开启(ON)/关闭(OFF)

4.2特殊寄存器功能说明

    D1025高速计数器现在值(低位)

    D1025高速计数器现在值(高位)

4.3变频器特殊指令

    1DHSCS高速计数功能说明：

    DHSCSS1S2S3（S1:比较值；S2:高速计数器编号；S3:比较结果。）

·高速脉冲计数功能需要借助PG卡来实现外部脉冲输入。

·由设置DHSCS指令所需要的目标值，并且把M1028(特殊功能继电器，功能是变频器高速计数功能开启ON/OFF)打开，将自动进行计数。如果要清除计数器的数值，需要将M1029(特殊功能继电器，功能是清除高速计数值)设置为ON。

·高速计数器有3种运动控制模式，可以通过特殊寄存器D1044来设定。

种模式是“A-B相脉冲”的模式。使用可以通过输入A相和B相的脉冲来做计数器的输入，需要和GND连接。

第二种模式是“脉冲＋符号”的模式。使用者可以利用脉冲的输入以及通过符号来做上数或着下数。定义A相来做脉冲，B相来做符号，需要和GND短接。

第三种模式是“脉冲＋标志位”模式。在计数方式中，可以通过标志位M1030来判断上数或下数，所以使用者知需要连接A相就可以了，需要和GND短接。

    2FPID变频器PID控制。

    FPIDS1S2S3S4

    其中：S1:PID参考目标的输入端子选择（0～4）；

          S2:PID比例增益P(0~100)；

          S3:PID积分时间I（0～10000）；

          S4:PID微分时间D（0～10000）。

    3FREQ变频器运转控制。

    FREQS1S2S3

其中：S1:设定频率；S2:加速时间；S3:减速时间。

例如：FREQK5000K200K100

则：设定目标频率为50HZ,加速时间是20S,减速时间是10S

4RPR变频器参数读取。

RPRS1S2

其中：S1:参数字地址；S2：把读取的参数保存到S2中。

5WPR变频器参数写入。

WPRS1S2

其中：S2为参数的地址,把参数数值S1写到参数S2中。

1、引言

    在煤矿采煤生产中，空气压缩机(简称：空压机)主要负责向矿井大量的风动机械提供动力，其工作的可靠性和安全性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。目前大部分空压机组存在着控制方式落后、操作不方便的问题。控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人员24小时值守，值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机，并且定时巡检、记录运行状况。另外，空压机组耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较高。因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集中监控系统，对空压机组进行监控和保护，提高空压机组的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着重要的现实意义。
   
    2、监控系统的构成

    本项目空压机房有五台CompAir L250型喷油螺杆式空压机，主电机功率为250kW，供电电压为6000V， 转速为1485rpm，自由排气量为42.7m3/min、大排气压力为7.5×105Pa。每台空压机都配有本体控制器Delcos3100，通过Delcos3100控制器的操作面板，操作人员可以就地控制单台空压机的启停、查看运行状况、设置运行参数等。另外，Delcos3100控制器留有一个RS-485通信接口，支持Modbus RTU协议，为实现空压机组的集中监控提供了条件。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

    2.1 PLC配置设计

    系统选用西门子公司的S7-300 PLC实现集中监控。S7-300 PLC为模块化结构，具有模块齐全、扩充方便、通信能力强、运行稳定可靠等优点，特别适合用于工业环境及电气干扰环境。根据系统控制要求并考虑留有一定的裕量，PLC的硬件配置如下：

    （1）电源模块PS307：输入电压为220VAC，输出电压为24VDC，输出电流为5A，向其他PLC模块供电。

    （2）CPU模块CPU315-2DP：系统中信息的运算和处理的核心，内有48KB随机存储器和80KB装载存储器，每执行1000条指令约需0.3ms，大可扩展1024点数字量或128个模拟量通道。它有一个MPI通讯口和一个DP通讯口，MPI口用于连接触摸屏，DP口用作调试程序时监视PLC程序的运行以及下载程序；并留作将来系统扩展时使用。

    （3）数字量输入模块SM321:配置3块型号为DI16×24VDC的SM321模块，采集向空压机供电的五台高压开关柜的状态信号(如：高压允许、高压故障、合闸反馈、分闸反馈、小车就位等)、与五台空压机相对应的五个手自动转换开关和五个紧急停止按钮的状态信号。

    （4）数字量输出模块SM322:配置2块型号为DO16×24VDC/0.5A REL的SM322模块，输出PLC的控制信号如启动、停止、加载、卸荷、急停等，控制空压机运行。

    （5）通信模快CP341：CP341模块是串行通讯处理器模块，硬件接口可采用RS-232C或TTY或RS-422/485方式，集成了3964(R)、RK512、ASCII通讯协议，并且支持用户加载协议。系统选用接口为RS-485标准的CP341模块，并在CP341通讯模块中插入Modbus主站Dongle模块加载Modbus协议，使CP341模块成为Modbus主站。CP341模块利用基于RS-485总线的Modbus协议，与五个作为Modbus从站的Delcos3100控制器进行通讯，采集Delcos3100控制器中存储的空压机运行状态信息。

    （6）通信模快CP343-1：CP343-1是用于连接工业以太网的通讯处理器模块，将PLC系统接入以太网，负责PLC和上位机之间的通讯。

    2.2 触摸屏配置设计

    系统采用西门子TP270-10型触摸屏作为车间级的集中监控站。它是基于标准操作系统Microsoft bbbbbbs CE的多功能人机交互界面，具有强大的数据采集和管理功能，稳定可靠，界面友好，图形显示，操作和管理方便。操作人员可以通过图形和菜单的方式查看空压机的运行状态及实时数据，设定空压机的压力、时间等运行参数，查看系统的历史数据、故障报警信息，并可设置是否允许上位机远程控制空压机。触摸屏直观显示了空压机组的运行状况，操作方便快捷，避免了定时巡检记录的烦琐工作，大大提高了工作效率和管理水平。

    2.3 上位机配置设计

    系统采用PC机作为上位机远程监控站。通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来；在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。

    其他元件包括手自动转换开关、紧急停止按钮、声光报警器等。

    3、通讯系统的构成

    系统中的通讯包括三个部分。

    3.1 现场设备通讯

    PLC和Delcos3100控制器之间的通讯[4]采用控制方便、设计简单的RS-485接口标准作为物理通信标准。RS-485标准要求采用两线制差分方式发送和接收数据，因此能够有效克服共模干扰、抑制线路噪声。根据实际情况，通信协议采用单主站多从站结构的Modbus协议，选用Modbus的RTU通讯模式。RS-485标准是总线的物理层标准，负责完成电平转换和数据收发；Modbus协议则构成了总线的数据链路层协议，规定了总线上传输的数据帧格式，为主站和从站之间传递数据提供通信规约，保证有效数据在主站和从站之间可靠传递，两者共同构成了RS-485总线。

    CP341模块设置为总线的主站，五个Delcos3100控制器设置为总线的从站，每个从站分配唯一的地址，主站和从站的通讯速率统一设定为76.8kbps。工作时采用命令/应答的通讯方式，每一种命令帧都对应着一种应答帧，Modbus协议为命令帧定义了许多功能码，不同的功能码要求从站进行不同的响应。系统中用到的功能码为0x03，即读取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模块发出功能码为0x03的命令帧，地址匹配的Delcos3100控制器就会做出响应，将存储在寄存器中的空压机运行信息（压力、压差、温度、电压、电流、载荷状态、运行时间、故障信息等）组成应答帧发出至CP341模块。重复上述过程，CP341模块即可实现轮循采集空压机组的运行信息。

    CP341模块下发的命令帧格式如图2所示。

图2 命令帧格式

    在命令帧中，寄存器起始地址是告诉Delcos3100控制器，CP341模块要读取的寄存器的起始地址；寄存器数是指从起始地址开始连续读取的寄存器值的个数；CRC校验是指对从站地址及其以后部分在命令帧中所占的字节数进行CRC-16校验所生成的校验码。

    Delcos3100控制器上传的应答帧格式如图3所示。

图3 应答帧格式

在应答帧中，字节数是指主站要求从站发送的内部寄存器数据的字节数，寄存器1、2…n是指发送的各寄存器的内容，CRC校验与命令帧中的含义相同。

    后需要说明的是，RS-485总线仅用作数据采集，控制信号由PLC的数字量输出模块SM322输出，经过信号线传输到空压机自身的控制继电器，这是由现场的实时性要求决定的。如果控制信号也由CP341模块发出，就需要经过RS-485总线传输到Delcos3100控制器，再由Delcos3100控制器控制空压机的控制继电器；而采用硬接线的方式直接传送控制信号到空压机的控制继电器，就大大缩短了系统的控制响应时间；同时，RS-485总线能够以更快的速度采集实时数据。

    3.2 触摸屏通讯

    PLC和触摸屏之间的通讯二者均为西门子的产品，通过MPI电缆连接PLC的MPI通信口和触摸屏的RS-485通信口.组态时对相关通讯参数如所要连接CPU的MPI地址和槽号等进行定义，选择接口类型为MPI，将波特率设置为187.5kbps进行简单的组态操作即可实现通讯。

    3.3 上位机通讯

    在PLC和上位机之间的通讯中，PLC通过以太网模块CP343-1接入工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型为工业Ethernet，通信速率为100Mbps，设置PLC和上位机的IP地址。

    4、软件设计

    系统的控制要求如下：手自动转换开关为手动状态的空压机，仅受其Delcos3100控制器控制，以方便机器检修和维护，此时PLC只能采集该Delcos3100控制器中的数据而不能控制空压机；手自动转换开关为自动状态且远程控制无效的空压机，将由PLC进行集中监制，PLC根据风压的变化来决定投入运行的空压机台数，维持风压能够满足井下用风的需要，并且依据空压机运行时间的长短使它们轮换工作；当触摸屏上的远程控制设置无效时，上位机只能监测到空压机的运行状况而没有控制权限，当远程控制有效且手自动转换开关为自动状态时，空压机将只受上位机远程控制。

    4.1 PLC监控程序设计

    开发环境为SIMATIC STEP7 V5.3 SP2编程软件包，它采用结构化程序设计，程序可读性强，调试和维护方便。单台空压机的主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

    PLC控制程序主要具有以下功能：

    （1）自动轮换运行。PLC根据总线采集的信号进行综合判断，然后发出启动、停机、加载、卸荷、报警等控制指令，监控空压机组自动运行，使得总管压力维持在设定的压力下限值和压力上限值之间。若风压低于压力下限值就增加空压机运行的台数，若风压高于压力上限值则减少空压机运行的台数，达到既满足井下用风需要、又可以降耗节能的目的。

    空压机连续运行8小时后机身温度会很高，需要停机休息，用于散发自身的热量，以保证机器不受损伤。因此，空压机需要进行轮换工作，以保证空压机安全可靠运行，延长设备使用寿命。PLC根据运行时间将受控于PLC的空压机进行排序，建立开机序列和停机序列，当需要增加空压机的运行台数时，PLC将启动总运行时间短的空压机；当需要减少空压机的运行台数时，PLC将停止本次运行时间长的空压机。

    （2）延时启动和延时停机。PLC自身具有较强的抗干扰能力，但由于现场条件、电网、用风量等各种复杂因素的影响，电机电流、电机电压等受到干扰将产生误报警；如果总管压力的扰动发生在压力下限值或者压力上限值附近，将它们作为一般工状处理就会出现频繁启动、停机现象，影响设备的可靠性和使用寿命。因此，需要对发出动作指令的起因信号作适当的延时处理，以消除扰动，防止误动作。

    （3）智能保护。空压机主电机在启动时，启动电流为额定电流的5～7倍，对电网和其他用电设备冲击很大，同时也会影响空压机的使用寿命，所以，空压机不宜频繁启动。为了使系统能够对用风状况进行准确判断，并据此控制空压机的启动，在井下用风高峰期空压机启动较频繁，当两次启动时间间隔小于预先设定的值时，将保持空压机持续运转而不停机，当连续两次加载间隔时间较长时，可认为用风高峰期已过，空压机投入间断运行状态。另外，对电机电流、电机电压、排气压力、进气负压、运行温度、油温、油滤压差等重要参数进行实时监控，出现异常及时进行故障报警，并作出处理。

    4.2 触摸屏人机界面设计

    选用与触摸屏TP270配套的组态软件Protool/pro设计界面。画面包括：（1）主画面：空压机组的运行状态以及主要参数的显示。（2）数据报表：实时数据汇总显示，并可查询历史数据和总管压力曲线。（3）运行设置：设置启动远程控制是否有效；设置自动启动、停机、加载、卸荷的压力阈值；设置时间参数、报警参数等。（4）报警查询：查询报警详细信息。（5）系统管理。

    4.3 上位机监控程序设计

    上位机监控软件选用西门子公司基于bbbbbbs环境的组态软件WinCC6.0版。主要由监控画面、实时报表、历史数据、报警查询、远程控制和系统管理界面组成，监控画面如图5所示。

图5 监控画面

    5、结束语

    S7-300 PLC具有较高的性价比，但与现场设备支持的通信协议不兼容，系统采用CP341模块作为Modbus主站的方案具有一定的实际意义。现场调试和运行表明，该系统运行稳定，安全可靠，提高了空压机组的运行效率，实现了监控和管理的自动化。该系统不仅可以应用于煤矿的空压机组监控，而且可以推广到其他场合。