基于PROFIBUS和MODBUS的高爐渣?；瘋鲃颖O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計碩士學(xué)位中期報告

1、.碩士學(xué)位論文中期報告論文題目：基于PROFIBUS和MODBUS的高爐渣粒化傳動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計201002443 趙德琦學(xué) 號：_控制工程姓 名：_專 業(yè) 名 稱：_ 指 導(dǎo) 教 師： 田海 2011年12月01日1 緒論1.1高爐渣處理技術(shù)研究背景國家“ 十一五” 規(guī)劃提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的戰(zhàn)略目標(biāo)，并將節(jié)能和減排作為約 束性指標(biāo)執(zhí)行。鋼鐵行業(yè)作為國家建設(shè)基礎(chǔ)行業(yè)和 能耗大戶，將同時面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中，高爐煉鐵工序能耗約占鋼鐵工業(yè)總能耗60，是鋼鐵工業(yè)的能耗大戶，其節(jié)能減排潛力巨大。高爐熔渣由于自身溫度高，含熱量豐富，對能源工業(yè)來說是一種很好的二次能源。通常，高

2、爐渣的處理方式為水力沖渣，在處理過程中不僅浪費、消耗大量的能源、水源，同時也排出大量的有害物質(zhì)。因此，開展高爐渣顯熱回收利用的研究十分必要。高爐渣的主要成分是氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅，屬于硅酸鹽質(zhì)材料。在急冷處理 過程中，熔態(tài)爐渣中的絕大部分物質(zhì)沒能形成穩(wěn)定 的化合物晶體，而是以無定形體或玻璃體的狀態(tài)將 沒能釋放的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，從而具有潛在的化學(xué)活性，是優(yōu)良的水泥摻和料。因此，在高效回收高爐熔渣顯熱的同時，還要保證處理后的爐渣可用為水泥原料。1.1.1國內(nèi)外高爐渣處理工藝現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外在生產(chǎn)中應(yīng)用的高爐渣處理工藝主要是水淬?；に嚭透稍幚砉に嘓0。由于后者環(huán)境污染較

3、嚴(yán)重，且資源利用率低，現(xiàn)在已很少使用，一般只在事故處理時，設(shè)置干渣坑或渣罐出渣。現(xiàn)主要采用水淬?；に嚕褪菍⑷廴跔顟B(tài)的高爐渣置于水中急速冷卻，限制其結(jié)晶，并使其在熱應(yīng)力作用下發(fā)生?；?。水淬后得到的?；?水渣) 絕大部分為非晶態(tài)，其含量超過95 ，可用作生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥的原料。按脫水方式可分為：1) 轉(zhuǎn)鼓脫水法。經(jīng)水淬或機(jī)械?；蟮乃魅朕D(zhuǎn)鼓 脫水器進(jìn)行脫水， 前者為因巴( INBA)法，后者為圖拉( rrYNA)法，2)渣池過濾法。渣水混合物流入沉渣池，用抓斗吊車抓渣，池內(nèi)的水則通過渣池底部或側(cè)部的過濾層排出，一般稱底濾(OCP) 法。3)脫水槽法。水淬后的渣漿經(jīng)渣漿泵輸送到脫水槽內(nèi)脫

4、水，稱為拉薩(RASA)法。4)提升脫水法。水渣由傾斜放置的螺旋輸送機(jī)向上輸送，靠重力實現(xiàn)水和渣的分離，稱為明特克(MTC)法。1、因巴法因巴法是20世紀(jì)80年代初由比利時西德瑪公司與盧森堡 P&W公司共同開發(fā)的爐渣處理工藝。于l981年在西德瑪公司運行，我國首次引進(jìn)用于寶鋼2號高爐(4063m)，于 1991年投產(chǎn)運行。因巴法工藝流程為：高爐熔渣由熔渣溝流人沖制箱，經(jīng)沖制箱內(nèi)的壓力水沖成水渣進(jìn)入水渣溝，然后經(jīng)滾筒過濾器脫水排出。因巴法分為熱因巴、冷因巴和環(huán)保型因巴，三種因巴法的爐渣粒化、脫水的方法相同，都是使用水淬?；?，采用轉(zhuǎn)鼓脫水器脫水，不同之處在于水系統(tǒng)。熱因巴只有粒化水系統(tǒng)，粒

5、化水直接循環(huán)；冷因巴粒化水系統(tǒng)設(shè)有冷卻塔，?；鋮s后循環(huán)使用；環(huán)保型因巴水系統(tǒng)分粒化水和冷凝水兩個系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)主要用來吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氫。與冷、熱因巴比較，環(huán)保型因巴最大的優(yōu)點是硫排放量很低，它把硫大部分轉(zhuǎn)移到循環(huán)水系統(tǒng)中。 2、圖拉法圖拉法水渣處理技術(shù)是由俄羅斯國立冶金工廠設(shè)計院研制，在俄羅斯圖拉廠 2000 m 高爐上首次應(yīng)用。該法與其他水淬法不同，在渣溝下面增加了?；唽崿F(xiàn)機(jī)械?；?，?；蟮臓t渣顆粒被水冷卻、水淬，產(chǎn)生的氣體通過煙囪排出。該法最顯著的特點是徹底解決了傳統(tǒng)水淬渣易爆的問題。熔渣處理在封閉狀態(tài)下進(jìn)行，環(huán)境好、循環(huán)水量少、動力能耗低、成品渣質(zhì)量好。 3、底濾法底濾

6、法是在沖制箱內(nèi)用多孔噴頭噴射的高壓水對高爐熔渣進(jìn)行水淬?；缓筮M(jìn)入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣場繼續(xù)脫水，沉渣池內(nèi)的水及懸浮物由分配渠流入過濾池，過濾池內(nèi)設(shè)有礫石過濾層，過濾后的沖渣水經(jīng)集水管由泵加壓送入冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，水量損失由新水補(bǔ)充。底濾法沖渣水的壓力一般為0.30 .4 M P a ，渣水比為 1：l 01：l 5，水渣含水率為1015，作業(yè)率100，出鐵場附近可不設(shè)干渣坑。4、明特克法 明特克法爐渣處理工藝是由首鋼與北京明特克冶金爐技術(shù)有限公司聯(lián)合研制、開發(fā)，整套系統(tǒng)于2002年7月在首鋼 3號高爐上投入運行。明特克法核心設(shè)備是通過特殊設(shè)計和制造的一臺螺旋輸送機(jī)

7、和一臺過濾器組成。螺旋輸送機(jī)呈20度傾角安裝 在水渣池內(nèi)，隨著螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)動，其螺旋葉片將水渣池底部的水渣向上輸送，水則靠重力和渣的翻動擠壓雙重作用向下回流，從而實現(xiàn)渣水分離和脫水的目的。水渣經(jīng)脫水離開螺旋輸送機(jī)的u型槽后，通過皮帶系統(tǒng)輸送至水渣堆場；沖渣水經(jīng)濁水渣池溢流日進(jìn)入過濾器過濾成干凈水后進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)使用。1.1.2 高爐渣處理技術(shù)的發(fā)展趨勢在目前鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，高爐渣的處理主要是采用水淬法進(jìn)行，水淬處理后的爐渣作為水泥生產(chǎn)的摻合料。但是水淬法渣處理工藝也存在一些缺點，比如水淬法渣處理工藝的耗水量大，對我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展來說，水資源的短缺成為除鐵礦資源短缺外的另一制約因素。高爐

8、熔渣含有豐富的熱量，而水淬渣產(chǎn)生大量的低溫蒸汽，除少數(shù)鋼鐵企業(yè)用于冬季取暖外，其余全部白白浪費。水淬處理后的爐渣含水率可達(dá)10，在做水泥原料使用時必須進(jìn)行干燥處理，仍要消耗一定的能源。此外,對水淬渣系統(tǒng)而言，電耗和維護(hù)工作量大；水沖渣產(chǎn)生的二氧化硫和硫化氫等氣態(tài)硫化物還帶來空氣污染。因此，開發(fā)能高效回收高爐渣顯熱、更環(huán)保的爐渣處理技術(shù)迫在眉睫。這些技術(shù)包括干式?；に嚭突瘜W(xué)粒化工藝。高爐渣處理是煉鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，從目前來說，水淬法處理工藝安全性能最高，技術(shù)上最為成熟，應(yīng)用也最廣。但在能源日益短缺的今天，水淬法存在的浪費能源、污染環(huán)境等弊端顯得尤為嚴(yán)重，急冷干式粒化工藝能有效解決這些困難，具有

9、更好的發(fā)展前景，與水淬法?；に囅啾葍?yōu)勢明顯：水資源消耗少；爐渣顯熱回收率高；污染物排放少，可減少環(huán)境污染；工藝操作簡單；成渣質(zhì)量高，滿足水泥摻合料的要求等。雖然干式?；に囘€沒有達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的程度，但符合我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大趨勢，因此開發(fā)新型急冷干式粒化工藝來替代傳統(tǒng)的渣處理工藝迫在眉睫。1.2課題來源及研究意義本文以包鋼煉鐵廠的高爐水沖渣系統(tǒng)作為背景，借用先進(jìn)的可編程控制器技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)技術(shù)對現(xiàn)有的高爐渣?；瘋鲃颖O(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，以達(dá)到實現(xiàn)提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、提高安全可靠性和完成全自動化的目的?，F(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前控制和自動化領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快、最為活躍的一項新技術(shù)

10、，集合了自動控制、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、智能傳感器等多項技術(shù)的最新成果。我們采用現(xiàn)場總線技術(shù)對已有的生產(chǎn)線進(jìn)行改造是有意義和能創(chuàng)造社會價值的。1.3 本論文主要研究內(nèi)容論文以包鋼煉鐵高爐水沖渣傳動系統(tǒng)的改造工作為背景，采用現(xiàn)場總線技術(shù)全面深入的探討了基于Profibus和Modbus的煉鐵高爐水沖渣傳動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究，著重研究了系統(tǒng)控制的方案設(shè)計、硬件的選型與設(shè)計、Profibus總線技術(shù)、Modbus總線技術(shù)，PLC的Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、編寫PLC控制程序、PLC通信及上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC的界面設(shè)計。2 現(xiàn)場總線技術(shù)對高爐渣?；瘋鲃颖O(jiān)控系統(tǒng)的改造2.1 工藝流程介紹原來生產(chǎn)

11、線采用傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)。原系統(tǒng)采用S7-300PLC作為主控原件，現(xiàn)場的傳動設(shè)備、傳感器與PLC之間仍然是采用I/O硬線傳輸方式，電纜數(shù)量多，信號的信號的傳送過程中的干擾問題仍然很突出。整條生產(chǎn)線由一個PLC控制，生產(chǎn)效率低。下圖為高爐渣?；に嚵鞒虉D圖2-1 高爐渣工藝流程圖注：PGR12?；?、PCC13冷卻泵、PDR13排污泵、PRC12回流泵、PSL12倒渣泵、PRY回收泵、PBO增壓泵如上圖，此工藝流程為高爐渣粒化的整體過程。主要設(shè)備是兩個冷卻塔、南北?；靡约稗D(zhuǎn)鼓塔。首先，由冷卻泵向南北?；槿±鋮s水，?；肞GR1和PGR2互為備用。同時，煉鐵過程中產(chǎn)生的高爐渣也進(jìn)入南北?；?/p>

12、塔。冷卻水和高爐渣在?；袥_洗產(chǎn)生?；蟮母郀t渣，形態(tài)和普通建筑用黃沙類似。然后，?；蟮母郀t渣進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓塔，由于北粒化爐距離轉(zhuǎn)鼓塔一定距離，要有倒渣泵PSL1和PSL2將粒化后的高爐渣打入轉(zhuǎn)鼓塔。轉(zhuǎn)鼓塔中有轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)和轉(zhuǎn)鼓輔電機(jī)，轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)由變頻器驅(qū)動，使進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓塔的?；郀t渣做離心運動，目的是使水和沙粒分離，離心運動產(chǎn)生出來的水進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓塔下方的水池。此水池由三層嵌套，產(chǎn)生的濁水逐層沉淀凈化。同時，由于沙粒中可能摻雜沒有完全?；母郀t渣，故由一二層水池的沉淀物經(jīng)回流泵PRC1和PRC2向南?；癄t重新填入?；?，此過程循環(huán)進(jìn)行。經(jīng)轉(zhuǎn)鼓電機(jī)分離出來的干粒經(jīng)皮帶卷揚機(jī)送入渣倉，待卡車運走。接著，由轉(zhuǎn)

13、鼓塔下第三層水池過濾后的凈水經(jīng)冷卻泵PCC1/2/3向冷卻塔回收經(jīng)冷卻塔風(fēng)扇對回收的水進(jìn)行冷卻，以備循環(huán)使用。轉(zhuǎn)鼓塔下的水池中的水向向下方的排水池排水，排水池中的水經(jīng)排污泵PDR1向集水池注水。集水池中的水經(jīng)回收泵PRY回收進(jìn)冷卻塔1.集水池附近的數(shù)個回收池是為了平衡水位防止集水池中水位過高而設(shè)計的。其中，若冷卻塔水位過高，可經(jīng)排污泵PDR2向排水池排水。最后，在工藝圖的最下方，分別有從外部進(jìn)入系統(tǒng)的沖洗水及補(bǔ)水。沖洗水經(jīng)增壓泵PBO進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓塔，定期對轉(zhuǎn)鼓塔進(jìn)行沖洗，另外沖洗水也可對系統(tǒng)各個管道及冷卻泵、?；M(jìn)行沖洗。補(bǔ)水的作用是在于經(jīng)一定時期運行后，整個系統(tǒng)的水難免流失造成水量不足，此時可

14、打開補(bǔ)水進(jìn)水電動閥VE5103對冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)水。2.2 改造方案設(shè)計2.2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用利用Profibus和Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)，我們可以對將設(shè)備層的各個生產(chǎn)設(shè)備連到現(xiàn)場總線電纜上，大大節(jié)省電纜費用，并且控制功能分散到現(xiàn)場儀表中，實現(xiàn)了徹底的分散，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，借用現(xiàn)場總線技術(shù)可對PLC之間進(jìn)行組網(wǎng)和通信，傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。2.2.1 組態(tài)軟件的使用利用組態(tài)軟件WinCC對整個生產(chǎn)線實時監(jiān)控，能及時觸發(fā)報警并將重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，提高整條生產(chǎn)線的自動化程度。2.3 Profibus總線技術(shù)概述2.3.1 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線是應(yīng)用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間

15、的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線一詞的定義為:現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。其本質(zhì)含義包括以下6個方面：1、現(xiàn)場通信網(wǎng)路。是一種用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或儀表互聯(lián)通信網(wǎng)路。2、現(xiàn)場設(shè)備互連?，F(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連。傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纖或電源線。3、互操作性。現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一個生產(chǎn)商能夠提一個控制系統(tǒng)所需的全部現(xiàn)場設(shè)備。將不同廠家提供的設(shè)備按照最佳性價比的則實現(xiàn)“即接即用

16、”，從而構(gòu)成控制回路，這就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作性的含義，即由第三方提供的現(xiàn)場設(shè)備自由地集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS。4、分散功能模塊。FCS 廢棄了分布式控制系統(tǒng)（DCS）的輸入/輸出單元和控站，把 DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補(bǔ)償和累加輸入模塊，而且還有比例、積分微分（PID）控制和運算功能塊，并具有自診斷功能。由于功能模塊分散在多臺現(xiàn)場設(shè)備中，并且可以同一組態(tài)，可以靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。5、總線供電。總線供電方式允許現(xiàn)場儀表或設(shè)備直接從總線上獲取能量。對于要求有本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表可采用這種供電

17、方式，如煤礦、化工、等對安全性要求較高的行業(yè)。6、開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和國內(nèi)功能模塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的。2.3.2 Profibus-DP技術(shù)Profibus-DP 用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP 還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。1、Profibus-DP的基本功能（1）傳

18、輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。（2）總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。總線上最多站點（主-從設(shè)備）數(shù)為126。（3）通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。（4）運行模式：運行、清除、停止。（5）同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。（6）功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的可動態(tài)激活。DP從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過

19、總線對DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。（7）可靠性和保護(hù)機(jī)制:所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。（8）設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC，PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。2、Profibus-DP基本特征（1）速率：在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對所有站點傳送512 bit

20、/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時只需1毫秒。（2）診斷功能：經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：a.本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。b.模塊診斷操作：一個站點的某具體I/O模塊故障。c.通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。3、Profibus-DP設(shè)備類型和系統(tǒng)配置（1）1類DP主站1類DP主站（DPM 1）是系統(tǒng)的中央控制器，DMP 1在預(yù)定的周期內(nèi)與分布式的站（如DP從站）循環(huán)地交換信息，并對總線通信進(jìn)行控制和管理。DPM1可以發(fā)送參數(shù)給從站，讀取DP從站的診斷

21、信息，用Global Control（全局控制）命令將它的運行狀態(tài)告知給各DP從站。此外，還可以將控制命令發(fā)送給個別從站或從站組，以實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)的同步。下列設(shè)備可以做1類DP主站：a.集成了DP接口的PLC，如CPU315-2DP和CPU313C-2DP等。b.沒有集成DP接口的CPU加上DP主站功能的通信處理器（CP）。c.插有PROFIBUS網(wǎng)卡的PC，如WinAC控制器，用軟件功能選擇PC做1類主站或是做編程監(jiān)控的2類主站，可以使用CP5411，CP5511和CP5611等網(wǎng)卡。d.IE/PB鏈路模塊。e.ET200/ETZOOX的主站模塊。（2）2類DP主站2類DP主站（DP

22、M2）是DP網(wǎng)絡(luò)中的編程、診斷和管理設(shè)備。DPM2除了具有1類主站的功能外，在與I類DP主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時，可以讀取DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)和當(dāng)前的組態(tài)數(shù)據(jù)，可以給DP從站分配新的總線地址。下列設(shè)備可以做DPM2。a.以PC為硬件平臺的2類主站。PC加PROFIBUS網(wǎng)卡可做2類主站。西門子公司為其自動化產(chǎn)品設(shè)計了專用的編程設(shè)備。不過現(xiàn)在一般都用通用的PC和STEP 7編程軟件來做編程設(shè)備，用PC和WinCC組態(tài)軟件做監(jiān)控操作站。b.操作員面板/觸摸屏（OP/TP）。操作員面板用于操作人員對系統(tǒng)的控制和操作，如參數(shù)的設(shè)置與修改、設(shè)備的啟動和停機(jī)及在線監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)等。有觸摸按鍵的操作員

23、面板俗稱觸摸屏，它們在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。西門子公司提供了不同大小和功能的TP和OP供用戶選用。（3）DP從站DP從站是進(jìn)行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，可以向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。a.分布式I/O。分布式I/O（非智能型I/O）沒有程序儲存和程序執(zhí)行功能。通信適配器用來接收主站的指令，按主站指令驅(qū)動I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。通常分布式I/O由主站統(tǒng)一編址，對主站編程時使用分布式I/O與使用主站的I/O沒有什么區(qū)別。ET200是西門子的分布式I/O，有ET200M/B/L/X/S/is/eco/R等多種類型

24、。它們都有PROFIBUS-DP通信接口，可以做DP網(wǎng)絡(luò)的從站。b.PLC智能DP從站（I從站）。PLC（智能型I/O）可做PROFIBUS的從站。PLC的CPU通過用戶程序驅(qū)動I/O，在PLC的存儲器中有一片特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站通過通信間接控制從站PLC的I/O。c.具有PROFIBUS-DP接口的其他現(xiàn)場設(shè)備。西門子的SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)SITRANS現(xiàn)場儀表、MicroMaster變頻器、SIMOREGDC-MASTER直流傳動裝置都有PROFIBUS-DP接口或可選的DP接口，可以做DP從站。其它公司支持DP接口的輸入/輸出、傳感器、執(zhí)行器或其他智能設(shè)備，也可

25、以接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。在有些網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，除了上述三種獨立的設(shè)備外，還可以將它們組合在一個設(shè)備中，形成一個DP組合設(shè)備。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中還有一些用于通信的部件必不可少，比如通信介質(zhì)（電纜）、總線部件（總線連接器、中繼器、耦合器、鏈路）和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器，后者包括PROFIBUS與串行通信、以太網(wǎng)、AS-1和EIB通信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接器。2.4 Modbus總線技術(shù)概述Modbus作為一個通信協(xié)議是由MODICON公司在1979年首次提出的，它是一個標(biāo)準(zhǔn)的、真正開放的、在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。SCADA和HMI軟件可以通過Modbus協(xié)議非常方便地與串行設(shè)備集成到

26、一起ModbusTCP協(xié)議被開發(fā)出來，以容許Intemet用戶訪問以太網(wǎng)設(shè)備。這樣，現(xiàn)在的Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議包括了2個部分，分別是基于串行鏈路的Modbus協(xié)議以及基于TCP協(xié)議的ModbusTCP協(xié)議。2.4.1 Modbus的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)Modbus端口是使用一個RS232兼容的串行接口，定義了連接器，接線電纜，信號等級，傳輸波特率，和奇偶校驗，控制器可直接或通過調(diào)制解調(diào)器(以后簡稱Medems)接入總線(網(wǎng)絡(luò))。控制器通訊使用主從技術(shù)，即主機(jī)能起動數(shù)據(jù)傳輸，稱查詢。而其它設(shè)備(從機(jī))應(yīng)返回對查詢作出的響應(yīng)，或處理查詢所要求的動作。典型的主機(jī)設(shè)備應(yīng)包括主處理器和編程器，典型的從機(jī)

27、包括可編程控制器。主機(jī)可對各從機(jī)尋址，發(fā)出廣播信息，從機(jī)返回信息作為對查詢的響應(yīng)。從機(jī)對于主機(jī)的廣播查詢，無響應(yīng)返回Modbus協(xié)議報據(jù)的設(shè)備地址，請求功能代碼，發(fā)送數(shù)據(jù)，錯誤校驗碼，作的代碼，建立了主機(jī)查詢格式，從機(jī)的響應(yīng)信息也用Modbus協(xié)議組織，它包括確認(rèn)動返回數(shù)據(jù)和錯誤校驗碼。動作時，從機(jī)會組織一個錯誤信息，若在接收信息時出現(xiàn)一個錯誤或從機(jī)不能執(zhí)行要求的并向主機(jī)發(fā)送作為響應(yīng)。在信息級，盡管網(wǎng)絡(luò)通訊方法是對等的，但Modbus協(xié)議仍采用主從方式，若一臺控制器作為主機(jī)設(shè)備發(fā)送一個信息，則可從一臺從機(jī)設(shè)備返回一個響應(yīng)，類似，當(dāng)一臺控制器接受信息時，它就組織一個從機(jī)設(shè)備的響應(yīng)信息，并返回至原

28、發(fā)送信息的控制器。其查詢響應(yīng)周期如下圖所示：圖2-2 查詢響應(yīng)周期查詢中的功能代碼為被尋址的從機(jī)設(shè)備應(yīng)執(zhí)行的動作類型。數(shù)據(jù)字節(jié)中包含從機(jī)須執(zhí)行功能的各附加信息，如功能代碼03將查詢從機(jī)，并讀保持寄存器。并用寄存器的內(nèi)容作響應(yīng)。該數(shù)據(jù)區(qū)必須含有告之從機(jī)讀取寄存器的起始地址及數(shù)量，錯誤校驗區(qū)的一些信息，為從機(jī)提供一種校驗方法，以保證信息內(nèi)容的完整性。從機(jī)正常響應(yīng)時，響應(yīng)功能碼是查詢功能碼的應(yīng)答，數(shù)據(jù)字節(jié)包含從機(jī)采集的數(shù)據(jù)，如寄存器值或狀態(tài)。如出現(xiàn)錯誤，則修改功能碼，指明為錯誤響應(yīng)，并在數(shù)據(jù)字節(jié)中含有一個代碼，來說明錯誤，錯誤檢查區(qū)允許主機(jī)確認(rèn)有效的信息內(nèi)容。2.4.2 Modbus的兩種串行傳輸模

29、式控制器可使用ASCll或RTU通訊模式，在標(biāo)準(zhǔn)Modbus上通訊。在配置每臺控制器時，用戶須選擇通訊:模式以及串行口的通訊參數(shù)(波特率，奇偶校驗等)。在Modbus總線上的所有設(shè)備應(yīng)具有相同的通訊模式和串行通訊參數(shù)。選擇ASCll或RTU模式用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus總線。它定義了總線上串行傳輸信息區(qū)的“位”的含義，決定信息打包及解碼方法。如在MAP和Modbus+，總線上時，Medbus信息以幀的方式出現(xiàn)，并與串行傳輸無關(guān)，如請求讀保持寄存器可以在Medbus+上的兩個控制器之間處理，而與使用的控制器的Modbus端口無關(guān)。2.4.3 Modbus信息幀不論是ASCn模式還是RTU模式，Mod

30、buS信息以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結(jié)束點，使接收設(shè)備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設(shè)備(廣播時對全部設(shè)備)，以及信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間?？蓹z測部分信息，錯誤可作為一種結(jié)果設(shè)定。對MAP或Modbus+協(xié)議可對信息幀的起始和結(jié)束點標(biāo)記進(jìn)行處理，也可管理發(fā)送至目的地的信息，此時，信息傳輸中Modbus數(shù)據(jù)幀內(nèi)的目的地址已無關(guān)緊要，因為Modbus+地址已由發(fā)送者或它的網(wǎng)絡(luò)適配器把它轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址和路由。基于Moudbus協(xié)議的系統(tǒng)一般都采用主一從模式，網(wǎng)絡(luò)中只有一個主機(jī)，通信采用查詢一回答的方式進(jìn)行，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送消息，從機(jī)正確接收消息后響應(yīng)主機(jī)的查詢或根據(jù)主機(jī)的消息做出響應(yīng)的

31、動作，而且也只能由主機(jī)初始化系統(tǒng)通信設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)中通信數(shù)據(jù)傳輸是一幀為單位，報文由起始位、設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗、結(jié)束符按相應(yīng)格式組成一個消息幀。在ASCll模式中，以(:)號(ASCll3AH)表示信息開始，以回撤一換行鍵 (CRLF)(ASCllOD)和OAH)表示信息結(jié)束。對其它的區(qū)，允許發(fā)送的字符為16進(jìn)制字符0-9，A-F。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備連續(xù)檢測并接收一個冒號(:)時，每臺設(shè)備對地址區(qū)解碼，找出要尋址的設(shè)備。字符之間的最大間隔為15，若大于15，則接收設(shè)備認(rèn)為出現(xiàn)了一個錯誤。典型的ASCll信息幀見下表：表1開始地址功能數(shù)據(jù)縱向冗余校驗結(jié)束1字符2字符2字符n字符2字符2字符R

32、TU模式中，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據(jù)使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間(如下表中的TlT3T4)。接著，個區(qū)的數(shù)據(jù)為設(shè)備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進(jìn)制的0一9，A一F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時間。當(dāng)接收第一個地址數(shù)據(jù)時，每臺設(shè)備立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后，也有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設(shè)備刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個地址數(shù)據(jù)。同樣一個信息后，立即發(fā)送的一個新信息，(若無3.5個字符的靜止時間)這

33、將會產(chǎn)生一個錯誤。是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產(chǎn)生的錯誤。典型的RTU信息幀見下表：表2開始地址功能數(shù)據(jù)校驗終止T1-T1-T3-T48bits8bitsn*8bits16bitsT1-T2-T3-T4Moudbus從功能上說包括24種命令，每一個功能碼都對應(yīng)一種功能。其中基本的功能主要包括AFAO、DFDO的數(shù)據(jù)傳送。消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符(ASCll)或SBitS(RTU)?？赡艿拇a范圍是十進(jìn)制的1到255。全部的功能代碼含義可查閱Moudbus協(xié)議詳細(xì)說明。如常用的“03H”，代碼表示主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器的值。Moudbus定義的標(biāo)準(zhǔn)的通信功能碼如下表所

34、示：表3功能碼hex功能01H讀取內(nèi)部數(shù)字量保持線圈02H讀取外部輸入數(shù)字量線圈狀態(tài)03H讀取內(nèi)部模擬量保持寄存器04H讀取外部輸入模擬量存儲器05H設(shè)置單一內(nèi)部數(shù)字量保持線圈狀態(tài)06H設(shè)置單一內(nèi)部模擬量保持寄存器07H讀取內(nèi)部特定線圈狀態(tài)08H通訊系統(tǒng)自檢測09H設(shè)置一組內(nèi)部數(shù)字量保持線圈狀態(tài)10H設(shè)置一組內(nèi)部模擬量保持存儲器Moudbus除了定義了較為完善的通信功能碼，它一個重要特點是還定義了較全面的出錯碼，以便主站根據(jù)返回的錯誤碼采取相應(yīng)的糾錯工作，這樣保證了整個系統(tǒng)通信的可靠性。Moudbus定義的出錯信息主要包括:指定的數(shù)據(jù)量出錯、無法應(yīng)答請求或執(zhí)行指令、從站自身出錯、指定的地址錯誤

35、、從站無暇處理主站發(fā)送的通信請求指令等。相應(yīng)的獵誤碼就代表了相對應(yīng)的錯誤信息，具體的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：表4出錯碼hex出錯內(nèi)容01H功能碼出錯02H指定地址出錯03H指定的數(shù)據(jù)量出錯04H從站自身原因無法應(yīng)答05H、06H其他原因3.1 生產(chǎn)線的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1 控制方案簡介下圖為控制網(wǎng)絡(luò)圖：圖3-1 控制網(wǎng)絡(luò)圖本設(shè)計采用的控制方法是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制和I/O硬線控制相結(jié)。其中主控制器是西門子公司的S7-300 PLC，上位機(jī)插CP5611板卡，利用WINCC組態(tài)監(jiān)控軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)中的各個設(shè)備由于是采用智能控制也就是網(wǎng)絡(luò)控制，它們的通訊接口協(xié)議是不同的，例如，驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)

36、的變頻器是西門子公司的MM440變頻器，此變頻器可用的通訊協(xié)議是ProfibusDP,而驅(qū)動倒渣泵以及?；玫淖冾l器是AB公司的PowerFlex 400型號的變頻器，它支持的通訊協(xié)議只有Modbus。例外其他設(shè)備如：電機(jī)軟啟動器和電機(jī)保護(hù)器等它們支持的通訊協(xié)議也是Modbus。因此，在本次設(shè)計中采用的一個關(guān)鍵設(shè)備，由北京鼎實公司生產(chǎn)的PB-B-MODBUS 總線橋可以將Modbus通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為Profibus-DP協(xié)議，我們選用的產(chǎn)品型號是PB -B -MODBUS/232/485 / V3x。它在網(wǎng)絡(luò)中即是DP網(wǎng)的從站，又是Modbus網(wǎng)的主站。因此可以將支持不用的通訊協(xié)議的設(shè)備整合到一

37、個網(wǎng)絡(luò)上。最后，一些電動閥門的開合由I/O硬線進(jìn)行控制，將其連接到S7-300的遠(yuǎn)程I/O模塊（ET-200）上。3.1.2 控制過程簡介系統(tǒng)上電運行后，可由S7-300 PLC對系統(tǒng)的開啟、停止、報警、急停以及各個環(huán)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制。通過對系統(tǒng)各部分的流量壓力以及溫度的采集可對各個電動閥門和變頻器進(jìn)行閉環(huán)控制。另外，在轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)運行過程中，很難對離心運動的過程量進(jìn)行采集，故只能通過對轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)的轉(zhuǎn)速力矩的采集，由S7-300 PLC對MM440變頻器形成開環(huán)控制。在閉環(huán)控制中，可采用PID控制，使各個部分的流量壓力以及溫度保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。3.1.3 控制最終目的本次設(shè)計的最終目的是搭建

38、整個系統(tǒng)，使其安全有效平穩(wěn)地運行，可由上位機(jī)通過WINCC組態(tài)軟件對系統(tǒng)各部分進(jìn)行監(jiān)測及控制。3.2 硬件選型3.2.1 PLC的機(jī)型選擇隨著PLC的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類和數(shù)量越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從美國、口本、德國等國引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個系列，上百種型號。PLC 的品種繁多，其結(jié)構(gòu)型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有不同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的功能價格比。在選擇PLC機(jī)型的時候

39、，主要需要考慮的性能指標(biāo)有以下三個方面：（1）CPU能力：CPU能力是PLC最重要的性能指標(biāo)，也是機(jī)型選擇時首要考慮的問題。（2）存儲器容量：PLC系統(tǒng)的存儲器是由兩部分組成的，即存放程序及其所需數(shù)據(jù)的存儲器。前者多由EPROM組成，后者用RAM構(gòu)成。存放系統(tǒng)程序的存儲器（ROM）在機(jī)器形成時由生產(chǎn)廠家已將程序?qū)懭?，用戶無法改變也不能訪問。它們的容量大小也都已確定，不再變動。后者是隨用戶生產(chǎn)復(fù)雜情況而變的。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)機(jī)器時，己按照機(jī)器型號的大小設(shè)置了一定存儲容量的存儲器。（3）掃描速度。在CPU選擇方面，本文作出如下處理：基于在滿足使用的情況下，減少主站的數(shù)量，縮短通信時間，提高通信速度，

40、我們將選擇能力比較強(qiáng)的CPU處理第一層原料輸送層，第三層包裝的設(shè)備，使得大部分閥門，傳感器的狀態(tài)通過CPU掃描即得到，減少通信次數(shù)和時間。程序大小約20MB。這里我們選擇S7-300系列里面的CPU 315-2 DP。SIMATIC S7-300系列PLC是針對大中型控制系統(tǒng)而設(shè)計的中型PLC，采用模塊化及無風(fēng)扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴(kuò)展和廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)，以及用戶友好的操作使 SIMATIC S7-300成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。多種級別（功能逐步升級）的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更

41、加復(fù)雜時，不必投入很多費用。任何時候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要。CPU315-2DP，擁有1MB高速RAM，提高運算速度，集成1個DP接口和1個MPI接口，與上位機(jī)組成DP網(wǎng)絡(luò)。3.2.2 變頻器及其他傳動設(shè)備的類型選擇本設(shè)計中的轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)、粒化泵PGR1/PGR2電機(jī)、倒渣泵PSL1/PSL2均用變頻器控制。1、正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適

42、。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及使用不當(dāng)，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點：（1）控制電機(jī)的啟動電流；（2）降低電力線路的電壓波動；（3）啟動時需要的功率更低；（4）可控的加速功能；（5）可調(diào)的運行速度；（6）可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；（7）受控的停止方式；（8）節(jié)能；（9）可逆運行控制；（10）減少機(jī)械傳動部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM440控制轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)，并且變

43、頻器遵循Profibus-DP通信協(xié)議。羅克韋爾公司生產(chǎn)的AB-PF400變頻器控制?；靡约暗乖秒姍C(jī)。變頻器遵循Modbus通信協(xié)議。2、軟起動器是一種集電機(jī)軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國外稱為Soft Starter。軟啟器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機(jī)時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時，啟動過程結(jié)束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)

44、的晶閘管，為電動機(jī)正常運轉(zhuǎn)提供額 定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。軟起動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處是：（1）無沖擊電流。軟起動器在起動電機(jī)時，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)起動電流從零線性上升至設(shè)定值。對電機(jī)無沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)起動，減少對負(fù)載機(jī)械的沖擊轉(zhuǎn)矩，延長機(jī)器使用壽命。（2）有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機(jī)，它可以克服瞬間斷電停機(jī)的弊病，減輕對重載機(jī)械的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)，減少設(shè)備損

45、壞。（3）起動參數(shù)可調(diào)，根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳的起動電流。本文中選用國產(chǎn)雷諾爾JJR-5000智能軟啟動器作為轉(zhuǎn)鼓輔電機(jī)、冷卻泵PCC1/2/3電機(jī)啟動器。軟啟動器遵循Modbus通訊協(xié)議。3、對于設(shè)計中其余電機(jī)及電動閥門均采用上海神引雙華公司生產(chǎn)的MC-205+智能電機(jī)保護(hù)器對其保護(hù)啟動。電機(jī)保護(hù)器遵循Modbus通訊協(xié)議。3.3 系統(tǒng)硬件組態(tài)本系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計分為PLC的軟件設(shè)計、工控機(jī)的軟件設(shè)計和系統(tǒng)通訊，使用的軟件分別為西門子公司的STEP7和WinCC。3.3.1 編程軟件STEP7的簡介SIMATIC STEP7 是用于SIMATIC S7-3

46、00/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)、編程和維護(hù)的項目管理工具。STEP7軟件己是第5代，它完全符合IEC 1131-3國際標(biāo)準(zhǔn)。通過STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、在線診斷PLC硬件配置狀態(tài)、控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。在生成一項目后，先插入站，然后可以組態(tài)硬件。在組態(tài)硬件時，可以借助于模板樣本對可編程控制器中的CPU及各模板進(jìn)行定義，通過雙擊站來啟動硬件組態(tài)的應(yīng)用程序。一旦存儲并退出硬件組態(tài)，對于在組態(tài)中生成的每一個可編程模板，都會自動生成S7/M7程序及空的連接表。連接表可用來定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。硬

47、件組態(tài)完成后就可為編程模板生成軟件。為可編程模板編制的軟件存儲在對象文件夾中。對該對象文件夾稱作“S7-program”在子菜單中，可以選擇想要生成的塊的類型(如:數(shù)據(jù)塊，用戶定義的數(shù)據(jù)類型，功能，功能塊，組織塊或變量表)。打開一個空的塊，然后用語句表，梯形圖或功能圖輸入程序。在完成組態(tài)，參數(shù)賦值，程序創(chuàng)建和建立在線連接后，可以下載整個用戶程序或個別塊到一個可編程序控制器。在下載完整的或部分用戶程序到CPU之前，把工作方式從RIJN模式置到STOP模式?？梢酝ㄟ^在線連接下載各個塊或整個用戶程序到RAM。當(dāng)電源關(guān)斷后和CPU復(fù)位時，保存在他們上面的數(shù)據(jù)將被保留。另外，可以從可編程控制器中上載一個

48、工作站，或從一個S7CPU中上載塊到PG用C。這樣，當(dāng)出現(xiàn)故障而不能訪問到程序文檔的符號或注釋時，就可以在PG用C中編輯它。用于S7-300的編程語言有：梯形圖（LAD）、語句表(STL)、和功能塊圖(FBD) LAD是STEP7編程語言的圖形表達(dá)方式。它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似:當(dāng)電信號通過各個觸點復(fù)合元件以及輸出線圈時，梯形圖可以讓你追蹤電信號在電源示意線之間的流動。STL是STEP7編程語言的文本表達(dá)方式，與機(jī)器碼相似，CPU執(zhí)行程序時按每一條指令一步一步地執(zhí)行。FBD是S花P7編程語言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達(dá)邏輯。在STEP7軟件中，結(jié)構(gòu)化的用戶程

49、序是以“塊”的形式實現(xiàn)的。塊是一些獨立的程序或者數(shù)據(jù)單元，主要有以下幾種：(l)組織塊OB在CPU中，用戶程序由啟動程序、主程序和各種中斷響應(yīng)程序等不同的程序模塊構(gòu)成，這些模塊在STEP中的實現(xiàn)形式就是OB，OB是直接被操作系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序塊。0BI是對應(yīng)于循環(huán)執(zhí)行的主程序的程序塊，它是STEP7程序的主干。(2)功能FC和功能塊FBFC和FB都是由用戶自己編寫的程序模塊，可以被其他程序塊(OB、FC和FB)調(diào)用。與其他編程語言中的函數(shù)相似，F(xiàn)C/B也帶有參數(shù)，以名稱的方式給出的參數(shù)稱作形式參數(shù)，在調(diào)用時給形式參數(shù)賦的值就是實際參數(shù)，例如:將實參“I0.0”賦給形參“START”。FC與FB

50、的根本區(qū)別在于，F(xiàn)C不具備自己的存儲區(qū)，而FB擁有自己的存儲區(qū)背景DB，在調(diào)用任何一個FB時，都必須指定一個背景DB。(3)系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFBSFC和SFB是預(yù)先編寫好的可供用戶程序調(diào)用的FC和FB，它們已經(jīng)固化在S7的CPU中，因此稱為“系統(tǒng)功能”和“系統(tǒng)功能塊”。通常SFC和SFB提供一些系統(tǒng)級的功能調(diào)用，例如通訊功能等。(4)背景DB和共享DBDB分為背景DB和共享DB兩種類型。背景DB是和FB相關(guān)聯(lián)的，因此在創(chuàng)建背景DB時，必須指定它所屬的FB，而且該FB必須是已經(jīng)存在的。背景DB和共享DB沒有本質(zhì)的區(qū)別，主要區(qū)別在于使用的目的:背景DB的用途或者目的是為某一個FB提供數(shù)

51、據(jù)，因此其數(shù)據(jù)格式必須與該FB的變量聲明一致;共享DB的主要目的是為用戶程序提供一個可保存的數(shù)據(jù)區(qū)，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不依賴于特定的程序塊。STEP7的調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：圖3-2 STEP7的調(diào)用結(jié)構(gòu)3.3.2 主從通信的硬件組態(tài)Configuration在西門子控制系統(tǒng)中表示組態(tài)的含義。在STEP7軟件中的硬件組態(tài)功能是一個非常實用的功能。通過硬件組態(tài)可以模擬實際PLC的硬件聯(lián)系，也可以對各種模塊的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和更改。(l)系統(tǒng)組態(tài)要完成系統(tǒng)組態(tài)，首先是在要組態(tài)的實際項目中拖選與本控制系統(tǒng)相匹配的機(jī)架(RACK)，然后根據(jù)實際項目中所實用的模塊情況，比如所使用模塊的點數(shù)，所使用模塊的型

52、號等信息，將各自對應(yīng)的模塊拖至機(jī)架中的相應(yīng)位置上，這就完成了系統(tǒng)的框架，也就是硬件組態(tài)。(2)CPU的參數(shù)設(shè)置CPU中PLC進(jìn)行控制的核心，由于PLC中的CPU具有非常多的參數(shù)選項，這些參數(shù)都應(yīng)該在硬件組態(tài)中進(jìn)行設(shè)置，也可以在任何時候?qū)λO(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如可以設(shè)置CPU進(jìn)行循環(huán)掃描的時間，也可以把數(shù)據(jù)設(shè)置為保存在CPU中或者把數(shù)據(jù)設(shè)置在保存在專門的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，這都對軟件部分的實現(xiàn)非常重要。(3)其他模塊的參數(shù)設(shè)置不僅CPU中需要對參數(shù)進(jìn)行賦值和設(shè)置，而且其他模塊同樣需要對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比如說輸入輸出模塊，就可以在硬件組態(tài)中對輸入和輸出的地址進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成以后的地址就可以在編寫程序時

53、使用這些設(shè)定好的地址。本控制系統(tǒng)采用了總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個設(shè)備都可以通過總線連接器將自己掛接到Profius-DP現(xiàn)場總線之上。但是Profibus現(xiàn)場總線的兩端應(yīng)該將總線連接器上的終端電阻打到ON狀態(tài)，其它連接到現(xiàn)場總線上的從站都應(yīng)該將終端電阻打到OFF狀態(tài)。西門子可編程邏輯控制器給用戶提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能，將利于網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能實現(xiàn)各個子站與中央控制主站之間的數(shù)據(jù)交換功能。光纜護(hù)套生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)示意圖如圖3-3所示：圖3-3 硬件組態(tài)在本控制系統(tǒng)中使用西門子公司的S7-315-2DP PLC作為一類主站，上位機(jī)PC作為二類主站其余各站設(shè)置為從站。根據(jù)Profibus-DP配置的基本

54、原則，主站和從站的站地址不能相同。主機(jī)S7-315-2DP默認(rèn)的Profibus-DP地址就是2。除了主站使用的站地址2以外，從站的站地址可以從1到126任意配置。配置完成以后要將相應(yīng)硬件模塊上設(shè)置DP站地址的撥碼開關(guān)撥至與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時配置的一樣，這樣才能夠完成硬件和軟件上的統(tǒng)一。本控制系統(tǒng)中的Profibud-DP站地址分配如表5所示：表5 控制系統(tǒng)中Profibus-DP地址分配站點Profibus-DP地址分配上位機(jī)PC0（主站）中央控制單元S7-300 PLC2（主站）PB-M總線橋（1）3（從站）西門子MM440變頻器4（從站）PB-M總線橋（2）5（從站）遠(yuǎn)程I/O ET-200M（

55、1）6（從站）遠(yuǎn)程I/O ET-200M（2）7（從站）3.3.3控制程序設(shè)計3.4 通信與控制設(shè)計3.4.1 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)中上位機(jī)WinCC與下位機(jī)S7-300 PLC采用Profibus-DP進(jìn)行連接，下位機(jī)S7-300 PLC與現(xiàn)場設(shè)備同樣采用Profibus-DP進(jìn)行連接通信。Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊方式為主從結(jié)構(gòu)，主站可以得到令牌輪詢掃描從站。這里從站是現(xiàn)場的被控設(shè)備以及傳感器等，主站是PLC和PC。只有一個主從網(wǎng)絡(luò)。在從站設(shè)備中PB-M網(wǎng)橋是連接Modbus網(wǎng)絡(luò)與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，PB-M網(wǎng)橋是從站；對

56、于Modbus網(wǎng)絡(luò)，它又是主站。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示圖3-4 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.4.2 主站S7-300 PLC對西門子MM440變頻器的控制與通信1、MM440變頻器的控制方式在本傳動系統(tǒng)中，與DP網(wǎng)絡(luò)直接連接的傳動設(shè)備只有MM440變頻器，在設(shè)計中，MM440變頻器控制的是轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)。電氣原理圖與控制回路圖如下圖所示：圖3-5 轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)電氣原理圖圖3-6 轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)控制回路圖根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)采用變頻器控制，控制方式未現(xiàn)場總線控制和機(jī)旁操作且網(wǎng)絡(luò)控制和機(jī)旁控制均可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。為在上位機(jī)中監(jiān)控轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)電流，采用電流變送器將電流信號送到PLC。為實現(xiàn)控制，變頻器

57、需輸出轉(zhuǎn)矩信號到PLC，PLC要輸出速度給定信號到變頻器。因此，實現(xiàn)的是開環(huán)控制，控制框圖如下圖所示：圖3-7 轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)變頻開環(huán)控制因為轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)在工藝中是將?；^的高爐渣與其中的水分離開來。所做的是離心運動。其機(jī)械特性曲線如下圖所示：圖3-8 轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)機(jī)械特性曲線如上如所示，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入速度之間的函數(shù)關(guān)系是二次方率形式，即T正比于速度的平方。例如在n0點的輸入轉(zhuǎn)速送至PLC，通過現(xiàn)場總線送至MM440變頻器，經(jīng)過變頻器內(nèi)部計算輸出給轉(zhuǎn)鼓主電機(jī)。通過輸出轉(zhuǎn)矩的采樣，校正電機(jī)輸出的速度。MM440變頻器有多中控制方式。通常常用的有：恒磁通（V/f）控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。 本次設(shè)計中采用的是矢量控制方式，同 V/f控制相比，矢量控制有如下優(yōu)點：（1）在負(fù)載和給定值改變期間的穩(wěn)定性；（2）對于給定值改變有很短上升時間(較好的控制性能