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西门子S7-400HPLC在PROFIBUS网络系统中的应用

文中用西门子S7-400HPLC完成联锁功能，构成PROFIBUS-DP/MPI分布式网络系统，这样整个联锁系统安全可靠。通过介绍DP/MPI网的概念和实现，结合唐山钢铁公司焦化站联锁实例，着重阐明用PLC实现DP/MPI网络，以解决该联锁系统中分布式输入输出等。经现场调试、安装，整个网络运行良好，安全可靠地实现和完成车站信号联锁系统的联锁功能，应用前景很好。

引言

车站联锁系统是铁路信号系统中的一个重要组成部分，它的主要任务是控制车站中的信号机和道岔，并且对信号灯状态进行处理和对进路进行选择等。随着铁路信号系统的信息化发展，微机联锁系统必然取代旧式的电气联锁系统。

就国内外现状来看，大多采用上、下位机的办法来实现对车站信号的控制；有些微机联锁系统中，下位机主要实现数据的采集、命令发送、数据输出等，而把主要的联锁功能置于上位机，这样一来，上位机负担太重，一旦上位机产生故障，不能保证系统的安全性、可靠性。如果能够将联锁功能块置于下位机，下位机安全性、可靠性比较高，那么整个系统

的安全性、可靠性就能够得到有效保证。

在以前的微机联锁系统中，用工业控制机作为下位机，实现联锁功能，但不能保证系统冗余，这样就不能保证整个系统的安全性、可靠性。就要不断更新和研究，寻求更完善的、更可靠的硬件、软件环境，以提高系统性能和安全系数。用西门子PLC完成联锁功能，构成PROFIBUS-DP/MPI分布式网络系统，这样整个联锁系统安全可靠。

PROFIBUS现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，是由德国组织开发的工业现场总线协议标准——PROFIBUS现场总线标准(DIN19254)。

PROFIBUS是近年来上为流行的现场总线，也是目前数据传输率快的一种现场总线(传输率可达12M波特)，在很多领域内广泛应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接换信息。

PROFIBUS-DP(DistributedI/OS-分布系统)是一种经过优化的模块，有比较高的数据传输率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为适合。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求比较高的自动化场合。

笔者将以S7-400HPLC为例，结合其在铁路信号中的应用，探讨实现PROFIBUS-DP/MPI网络系统原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI网的性质和特点

PROFIBUS-DP适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。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理等。

DP网的协议结构

PROFIBUS定义了各种数据设备连接的串行现场总线的技术和功能特性，这些数据设备可以从底层(如传感器、执行器层)到中间层(如车间层)广泛分布。

PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成。主站一般要复杂些；从站为简单的外围设备，典型的从站为传感器、执行器及变送器，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予回答，或者主站发出请求时回送给主站相应信息。从站只需要协议的一小部分，实现起来非常方便。

PROFIBUS协议结构是根据ISO7498标准，以开放式系统互联网络(Open SystemInterconnection，OSI)作为参考模型，该模型共有7层，PROFIBUS-DP定义了其中的、二层和用户接口。第3到7层未加描述。

图1为ISO/OSI参考模型与PROFIBUS体系结构比较。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。物理层采用EIARS-485双绞线或光纤，连接器采用RS-485标准的9针D型插座。数据链路层提供了介质存取控制功能、数据的完整性检查以及传输执行的协议，在PROFIBUS中称第2层为现场总线数据链路(FDL)(包括介质访问存取控制(MAC)子层、现场总线链路控制(FLC)子层、现场总线管理(FMA1/2)子层)，采用混合介质存取协议，对应于DIN(E)19245，支持单主或多主系统，主或从设备，大站数为126。它包括主站之间的数据传输的令牌环方式和从站之间的主-从方式。PROFIBUS第7层包括底层接口(LLI)、现场总线信息规范(FMS)和现场总线管理(FMA7)。

图1　ISO/OSI参考模型与PROFIBUS体系结构比较

图2为PROFIBUS-DP数据传输示意图，即主站发送请求，访问DP从站，其中包括帧格式；从站收到请求信息后，立即响应主站，并回送响应帧。

图2　PROFIBUS-DP用户数据传输

S7-1200和S7-1500指令的比较

下图是博途的STEP7V12帮助中的指令概览。可以看出，S7-1200和S7-1500的指令是兼容的，S7-1200的指令是S7-1500的指令的子集。可以认为S7-1200是精简版的S7-1500。如果暂时没有条件使用S7-1500，可以先使用S7-1200，为今后使用S7-1500打下基础。

1．可用的编程语言

S7-1500和S7-1200都能使用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和结构化控制语言（SCL）语言。为了和S7-300/400兼容，S7-1500还可以使用STL语言。

2．指令的比较

1）S7-1500的基本指令比S7-1200多9条指令。

2）扩展指令中只有S7-1500有PROFIenergy（使用 PROFINET进行能源管理）指令。S7-1500比S7-1200多11条指令。

3）“技术"类指令S7-1500比S7-1200多5条高速计数器指令。

4）“通信"类指令S7-1200比S7-1500多3条发送电子邮件的指令。

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直流母线进电适配器

直流母线进线适配器，用于宽度50至100 mm的模块

直流母线进线适配器，用于宽度150至300mm的模块如果没有使用电机模块内部的直流母线母排，就必须通过一个直流母线进线适配器从外部提供直流母线电压，例如书本型模块和装机装柜型模块需要通过一个外部直流母排耦合相连。直流母线进线适配器安装在电机模块的直流母线母排上。直流母线电缆从上方走线。

直流母线适配器

直流母线适配器（多排结构），适用于所有宽度的模块针对电机模块的多排结构，提供了连接两组驱动的直流母线的适配器。直流母线适配器安装在电机模块的直流母线母排的侧面。安装可在电机模块的右侧或左侧进行。直流母线适配器上的极性标记（DCN和DCP）与所选安装侧相匹配。直流母线电缆从后方走线。直流母线适配器（多排结构）无法与用于宽度≤ 100 mm的电机模块的增强型直流母线母排一同使用。直流母线适配器2件一套进行供货。

由于助燃空气用量较大.当环境温差较大时对温度控制将产生非常明显的影响.为此我们利用余热从碹顶引来热空气.自动控制冷、热空气进入助燃风机的阀门开度.使得助燃风温度稳定在一定范围内。为窑炉温度控制创造了一定有利的条件。对于上述任何控制回路.根据需要可以随时实现定值控制，增加了控制系统的灵活性。

熔化池压力控制系统炉压控制系统一般由测压装置、控制器和调压机构组成。测压装置通常由窑炉后部两侧的胸墙上插入炉内取压.两个压力管道连接后从中间部位引一管到差压变送器高压侧.同样在炉内取压管附近取一窑炉外部气压信号送至变送器低压侧，得到的信号传送给PID控制器.PID输出去调节烟道上的调节阀的开度.利用简单的负反馈回路把窑炉的压力稳定控制在规定的范同内。

为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是基本和重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。 
1. 电源系统引入的干扰
电网的干扰，频率的波动，将直接影响到plc系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
(1) 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。
设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。
(2) 分离供电系统
      PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图1所示。

图1 分离供电系统图
2.抑制接地系统引入的干扰
    PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式好，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。
3. 抑制输入输出电路引入的干扰
     为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的有效措施之一。光电耦合器具有以下特点:由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。
(1)光电耦合输入电路如图2所示。其中图2(a)、图2(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图2(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的优越性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100~200m，图2(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，加接一级晶体管作为功率放大，需要注意的是图中发光二极管和光敏三极管应分别由两个电源供电，电阻值视电压高低选取。

图2 光电耦合输入电路
(2)光电耦合输出电路如图3所示。为了得到和输入同相的信号，可以采用图3(a)形式。若要求输出和输入反相，可以接成图3(b)形式。当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，其接法如图3(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。 

图3 光电耦合输出电路
以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。