西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8技术介绍

3.5组态软件,具有良好的系统兼容性和人机界面。实践证明，tigao了自动化控制水平，降低了工作人员的劳动强度，保证了石灰石粉磨的安全可靠运行，取得了良好的经济和社会效益。前言
       
       　　由于国家对环保的日益重视，对企业达标排放监管力度的加强，从而促进了工业烟气采用湿式脱硫技术的广泛应用。而湿式脱硫的原料是石灰石粉，对石灰石粉的品质和产量要求越来越高，这样就需要具有先进水平、可靠性高的控制系统。
       
       　　当前的可编程序控制器（PLC），是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为控制系统中应用广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，扩容方便。
       
        1、石灰石粉磨工艺简介
       
       　　石灰石粉磨是制备石灰石粉保证石灰石粉品质为关键的工艺设备。它由磨辊、磨盘、减速机、选粉机、主电机、辅传电机、密封风机、张紧结构、液压润滑站、冷却水组成。
       
       　　整个生产过程中包括各关键点的数据采集和记录、工艺流程的切换、冷却水泵的切换控制、选粉机的转速控制、液压润滑站的压力控制、石灰石粉磨内的温度、差压及料位控制、生产设备运行状态的监控等，如此多的设备和复杂的工艺运行操作，需要复杂的自动化控制。如下图：（目前#1线已投入生产，#2线正在筹备中）
       
        
       
        图1
       
       2、石灰石粉磨生产监控系统的运行环境
       
        　　（1）在该生产过程中，有大量的物理量，如温度、压力、料位、liuliang等模拟量参数，需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。
       
        　　（2）整个生产过程的模拟量自动控制和故障诊断。
       
        　　（3）整个流程的顺序控制和实时报警、联锁保护停机。
       
        3、控制系统结构
       
       　　石灰石粉磨的控制系统采用Modicon公司生产的Quantum系列可编程序控制器。该系统由4台工业PC机与PLC通过网络交换机（冗余配置）构成物理结构为10BASE-T的局域网，工业PC机与PLC之间通过以太网进行数据通讯，数据传输率为10Mbp/s。整个控制系统由主系统和扩展系统组成，负责与现场测量和控制部分之间的数据传输，肩负着全部生产运行工艺、流程的逻辑控制、报警、联锁等。4台工业PC机均运行bbbbbbs2000Professional操作平台，分为两台上位机操作员站，运行ifix3.5组态软件,实现监视、操作、报表打印、事故分析等功能；一台为工程师站，运行Quantum系列的Concept2.6组态软件，实现逻辑控制、逻辑与参数的修改、在线监视等功能；还有一台为通讯接口站，通过485电缆完成与6Kv高压综合保护的数据传输。配置结构采用双以太网的形式，保证了自动化控制系统运行的连续性，tigao了设备运行的可靠性，保证了安全生产。其系统配置如下图所示。
       
        
       
        图2
       
        4、配 置
       
       　　（1）为了满足工艺过程的控制要求，控制中心采用了研华的工业控制计算机，其配置为：
       
        　　CPU InbbbPⅣ2.4GB，内存256MB，硬盘80GB，软驱3.5in，光驱52X，彩显PHILIPS 21纯平，101键盘光电鼠标。
       
        　　（2）ModiconQuantum系列CPU-434-12
       
        　　（3）ModiconQuantum系列8通道模拟量输入模块11块（包括热偶、热电阻）
       
        　　（4）ModiconQuantum系列8通道模拟量输出模块2块
       
        　　（5）ModiconQuantum系列32通道数字量输入模块7块
       
        　　（6）ModiconQuantum系列32通道数字量输出模块3块
       
        　　（7）ModiconQuantum系列以太网通讯模块2块
       
        　　（8）ModiconQuantum系列远程I/0通讯模块3块（主1，从2）
       
        　　（9）ModiconQuantum系列电源模块6块
       
       　　组态的主要工作是完成硬件型号参数设置、I/O地址的分配、传输方式等。使用ModiconQuantum系列PLC的专用编程软件Concept2.6进行组态。具体过程是：打开Concept2.6→File→Newproject，双击PLC Selection选CPU型号→OK，双击Config Extensions→双击SelectExtensisns→双击Select Extensisns，在出现的对话框TCP/IP处选择以太网网络数目→OK。双击I/OMap，点击Headsetup按钮→选择RIO数，这个数为主I/O通讯模块在主站背板所占用的槽号（从I/O通讯模块在扩展柜中根据自己的意愿随意放置）→OK。
       
       　　一般情况下，1和16槽放置电源模块；2槽放置CPU模块；3槽防止主I/O通讯模块；4和5槽放置冗余的以太网通讯模块；6至15槽放置I/O模块。
       
        　　硬件组态图如下：
       
        
       
        图3
       
        5、软件组态
       
       　　在该系统中，上位机采用ifix3.5组态软件，下位机采用ModiconQuantum系列的Concept2.6编程软件。
       
        　　1）人机界面组态
       
       　　（1）工艺流程图：该画面通过编程实现动态模拟显示整个石灰石粉制备的过程——从上料、进磨到出粉再到仓储。实现整个生产过程中各个运行设备的程控启停以及各个运行设备的单体操作，并对故障进行实时诊断。
       
       　　（2）系统操作功能：它有自动和手动两种工作方式，正常运行时采用自动方式，故障和调试时采用手动方式。它由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的jingque控制，以达到期望值。
       
       　　（3）报警记录：实时地发出所有发生故障的参数的声光报警，提醒值班人员采取相应的措施。
       
       　　（4）实时曲线：在线监视所有重要参数的实时变化，以便提前采取维持正常参数的措施和手段。
       
       　　（5）历史曲线：检查过去的数据记录，以便发生故障时，分析出故障原因。
       
       　　（6）报表打印：按不同的时间段实现统计与计量。
       
        　　2）PLC控制程序设计
       
        　　PLC采用ModiconQuantum系列Concept2.6编程软件。Concept适用与所有的bbbbbbs操作系统，强大的梯形图面向用户，其电路图符号和表达式与继电器电路原理图非常接近，控制过程形象、直观、易于掌握、易于修改。有实用的功能块和在线仿真功能，并且不需要停止CPU运行，就可以下载修改的配置与逻辑。丰富的功能可以满足系统的各种要求。下图是冷却水泵的启动/停止逻辑：
       
        
       
        图4
       
       　　冷却水系统由两台冷却水泵及冷却水泵出口电动门组成。两台冷却水泵一用一备，当启动其中的一台冷却水泵后，必须投入另一台冷却水泵备用，以保证这台冷却水泵故障停泵时另一台冷却水泵自启，也就保证了冷却水系统的正常运行，进而保证了石灰石粉磨系统的安全、可靠、稳定的运行。冷却水泵与冷却水泵出口电动门之间联锁，冷却水泵出口电动门在关闭位置才允许启动冷却水泵。在联锁解除时，可以单体操作冷却水泵，实现冷却水泵的检修调试。
       
        6、系统通讯功能
       
        　　ModiconQuantum系列PLC可编程序控制器利用其先进灵活的通信方式，方便地组成了PLC处理器与就地控制柜、远程控制柜、计算机工作站及其电子设备之间的通讯，其通讯方式是多渠道、多方式的。
       
        结束语
       
       　　本控制系统功能全面，可靠性高，操作简单实用，tigao了劳动生产率，避免了由于操作人员操作失误而造成的事故，改善了现场操作人员的劳动条件，对tigao石灰石粉磨管理水平，保证设备安全稳定运行起到了很好的促进作用。并已在生产上得到实际应用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8技术介绍

随着Internet的发展，数据业务成为通信服务的主流。在这一背景之下，PLC的优势才真正为人们所认识，成为通信研究的新热点。本文介绍了基于PLC技术的远程电表，给出了硬件、软件的模块划分和具体实现，给出了与远程抄表软件的通信接口和简单的模拟抄表系统。系统初步实现了电力线通信，PLC远程电表的模拟抄表通信可靠。
       
        1 引 言
       
       
       
        低压电力线是为传输50Hz的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（PLC）逐步从实验室走向实用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。本文给出了基于PLC技术的远程单相复费率电表（简称基于PLC技术的远程电表）的设计与实现。
       
        2 硬件总体设计
       
        如图1所示，基于PLC 技术的远程电表硬件部分包含MCF5271主控板、电量采集板和PLC调制解调器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中电量采集板负责采集电量，MCF5271主控板通过SPI、I2C 等接口与电量采集板进行数据传输，通过符合IEEE802.3 规范的MII 接口与PLC调制解调器进行以太帧数据传输，PLC 调制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。
       
        
       
        图1 基于PLC 技术的远程电表模块图
       
        3 MCF5271主控板设计
       
       MCF5271主控板的设计参考了Freescale公司的MCF5271评估开发板的设计原理MCF5271评估开发板使用的ColdFire微处理器为196引脚的BGA封装，焊接比较困难，160引脚QFP封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能易于焊接，故使用QFP160封装的芯片做主控板。主控板与PLC调制解调器接口的主要部分为MII接口，略去了主控板与PLC调制解调器接口的介绍，而代以介绍MCF5271微处理器与INT5500之间的通过MII接口的连接。
       
         1、MCF5271主控板板的存储器扩展
       
       
       
       MCF5271具有外部总线接口，数据总线宽度为32位D[31∶0]，寻址范围可以达到32位，与外界存储器相连的地址总线宽度为24位A。MCF5271主控板中扩展了一片1M×16位的Flash存储芯片AM29LV160DB，地址总线为20位，连接MCF5271的地址总线A[20∶1]，数据总线为16位，连接D[31∶16]。两片8M字节的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，两片芯片使用共同的地址总线A[21∶15]和控制信号，数据总线分别连接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
       
        2、MCF5271与INT5500的连接
       
           INT5500工作在PHY模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有MII接口的MCU相连。图2所示为MCF5271与INT5500连接方式。由于此时INT5500工作在PHY模式下，MII接口的信号方向与Host/DTE模式下的方向
       
        
       
        图2 MCF5271与INT5500连接图
       
       MCF5271芯片MII接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线EMDIO和EMDC；反映介质状态的信号线ECOL和ECRS；其余为接收/发送信号线。
       
       EMDIO为双向信号，在INT5500和MCF5271之间传输控制信息和状态信息。控制信息由MCF5271发给INT5500，状态信息由INT5500反馈给MCF5271。EMDC为输出信号，作为EMDIO数据传输的参考时钟。
       
       ECOL为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。ECRS为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状态，可以进行传输。
       
       ERXD[0-3]用来接收INT5500发送的4位数据；ERXDV用来表示从INT5500接收到的数据是否有效，高电平为有效；ERXCLK为INT5500提供给MCF5271的数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的25%；ERXER为输入信号，该信号有效时表示检测到当前在INT5500上传输的帧出错。
       
       ETXD[0-3]用来向INT5500发送4位数据；ETXEN为输出信号，该信号有效时表示MII总线上有数据，可以启动发送操作。ETXCLK为输出信号，作为数据发送的参考时钟信号。
       
        4 电量采集板
       
       
       
       电量采集板电路包括电量采集电路、ADE7756与主控芯片的通信接口、实时时钟芯片PCF8563的工作电路与对外通信接口。
       
          1、电量采集电路
       
       
       
       图3所示为电量采集电路，其中CT为电流互感器，电量采集芯片为ADE7756。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通电力线中的电流经过电流互感器CT后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成电压信号，再经过R1与C4、R10与C6组成的滤波电路滤波后进入ADE7756的差分信号输入引脚V1P和V1N。电力线的220V电压信号经过R7、R6和R8分压及R8与C8组成的滤波电路滤波后转换为250mV的电压信号，作为AED7756的V2P的输入。
       
        
       
        图3 电量采集模块
       
         2、ADE7756与MCF5271主控板的接口模块
       
       
       
       ADE7756与MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反馈信号。如图4所示，图中使用两片7404芯片对输入输出信号进行电压转换。7404芯片内部含有6路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的4路缓冲器，7404芯片为漏极开路输出，从主控芯片方输入的5V/3.3V信号经过7404后都可以转换为5V信号。向主控芯片方输出的信号可以转换为3.3V信号。
       
        
       
        图4 ADE7756与MCU的接口部分
       
        图中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS和OUT_DOUT引脚为SPI接口的引脚；IN_RESET为从主控芯片方输入的复位控制信号；OUT_IRQ为ADE7756的中断请求输出信号；OUT_ZX为通道2的电压波形过零输出引脚，用于对电力线进行过零检测；OUT_SAG为电力线电压过低和5V工作电压过低检测输出信号。
       
           3、实时时钟模块
       
       图5为实时时钟模块，PCFB_563通过纽扣电池供电，MCF5271主控板通过I2C接口与PCF8563进行通信，SCL为主控芯片发送的时钟信号，SDA为数据双向数据通信引脚。主控芯片可以设置PCF8563当前时间和读取PCF8563当前时间。
       
        
       
        图5 实时时钟模块
       
        5 系统软件设计
       
       基于PLC技术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与后端软件的接口，两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能：
       
       （1）定时电量采集：与ADE7756通信，通过SPI接口读取电量数据；
       
       （2）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到的电量数据按照时段进行相应存储；
       
       （3）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和发送应答数据包；并完成命令数据的解密和应答数据的加密；
       
       （4）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应；
       
       （5）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。
       
       后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接口设计的比较合理，则对于后端软件的开发人员来说相当方便。
       
       根据以上功能分析，软件共划分为5个模块：电量采集和存储模块、数据加密解密模块、嵌入式以太网模块、掉电处理模块和命令响应模块。
       
       电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能；
       
       数据加密解密模块用来对后端软件的命令解密和本地应答数据的加密；
       
        嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与PLC调制解调器的通信的底层驱动程序，包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能；
       
       掉电处理模块完成检测到电力线电压低于阈值时对重要数据的存储；
       
        命令响应模块对后端软件的命令进行响应。
       
       本文作者创新点：本文设计了基于PLC技术的远程电表方案，并完成了基于PLC技术的远程电表软硬件设计和实现，并编写了远程电表电量读取的PC方模拟程序。

3.5组态软件,具有良好的系统兼容性和人机界面。实践证明，tigao了自动化控制水平，降低了工作人员的劳动强度，保证了石灰石粉磨的安全可靠运行，取得了良好的经济和社会效益。前言
       
       　　由于国家对环保的日益重视，对企业达标排放监管力度的加强，从而促进了工业烟气采用湿式脱硫技术的广泛应用。而湿式脱硫的原料是石灰石粉，对石灰石粉的品质和产量要求越来越高，这样就需要具有先进水平、可靠性高的控制系统。
       
       　　当前的可编程序控制器（PLC），是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为控制系统中应用广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，扩容方便。
       
        1、石灰石粉磨工艺简介
       
       　　石灰石粉磨是制备石灰石粉保证石灰石粉品质为关键的工艺设备。它由磨辊、磨盘、减速机、选粉机、主电机、辅传电机、密封风机、张紧结构、液压润滑站、冷却水组成。
       
       　　整个生产过程中包括各关键点的数据采集和记录、工艺流程的切换、冷却水泵的切换控制、选粉机的转速控制、液压润滑站的压力控制、石灰石粉磨内的温度、差压及料位控制、生产设备运行状态的监控等，如此多的设备和复杂的工艺运行操作，需要复杂的自动化控制。如下图：（目前#1线已投入生产，#2线正在筹备中）
       
        
       
        图1
       
       2、石灰石粉磨生产监控系统的运行环境
       
        　　（1）在该生产过程中，有大量的物理量，如温度、压力、料位、liuliang等模拟量参数，需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。
       
        　　（2）整个生产过程的模拟量自动控制和故障诊断。
       
        　　（3）整个流程的顺序控制和实时报警、联锁保护停机。
       
        3、控制系统结构
       
       　　石灰石粉磨的控制系统采用Modicon公司生产的Quantum系列可编程序控制器。该系统由4台工业PC机与PLC通过网络交换机（冗余配置）构成物理结构为10BASE-T的局域网，工业PC机与PLC之间通过以太网进行数据通讯，数据传输率为10Mbp/s。整个控制系统由主系统和扩展系统组成，负责与现场测量和控制部分之间的数据传输，肩负着全部生产运行工艺、流程的逻辑控制、报警、联锁等。4台工业PC机均运行bbbbbbs2000Professional操作平台，分为两台上位机操作员站，运行ifix3.5组态软件,实现监视、操作、报表打印、事故分析等功能；一台为工程师站，运行Quantum系列的Concept2.6组态软件，实现逻辑控制、逻辑与参数的修改、在线监视等功能；还有一台为通讯接口站，通过485电缆完成与6Kv高压综合保护的数据传输。配置结构采用双以太网的形式，保证了自动化控制系统运行的连续性，tigao了设备运行的可靠性，保证了安全生产。其系统配置如下图所示。
       
        
       
        图2
       
        4、配 置
       
       　　（1）为了满足工艺过程的控制要求，控制中心采用了研华的工业控制计算机，其配置为：
       
        　　CPU InbbbPⅣ2.4GB，内存256MB，硬盘80GB，软驱3.5in，光驱52X，彩显PHILIPS 21纯平，101键盘光电鼠标。
       
        　　（2）ModiconQuantum系列CPU-434-12
       
        　　（3）ModiconQuantum系列8通道模拟量输入模块11块（包括热偶、热电阻）
       
        　　（4）ModiconQuantum系列8通道模拟量输出模块2块
       
        　　（5）ModiconQuantum系列32通道数字量输入模块7块
       
        　　（6）ModiconQuantum系列32通道数字量输出模块3块
       
        　　（7）ModiconQuantum系列以太网通讯模块2块
       
        　　（8）ModiconQuantum系列远程I/0通讯模块3块（主1，从2）
       
        　　（9）ModiconQuantum系列电源模块6块
       
       　　组态的主要工作是完成硬件型号参数设置、I/O地址的分配、传输方式等。使用ModiconQuantum系列PLC的专用编程软件Concept2.6进行组态。具体过程是：打开Concept2.6→File→Newproject，双击PLC Selection选CPU型号→OK，双击Config Extensions→双击SelectExtensisns→双击Select Extensisns，在出现的对话框TCP/IP处选择以太网网络数目→OK。双击I/OMap，点击Headsetup按钮→选择RIO数，这个数为主I/O通讯模块在主站背板所占用的槽号（从I/O通讯模块在扩展柜中根据自己的意愿随意放置）→OK。
       
       　　一般情况下，1和16槽放置电源模块；2槽放置CPU模块；3槽防止主I/O通讯模块；4和5槽放置冗余的以太网通讯模块；6至15槽放置I/O模块。
       
        　　硬件组态图如下：
       
        
       
        图3
       
        5、软件组态
       
       　　在该系统中，上位机采用ifix3.5组态软件，下位机采用ModiconQuantum系列的Concept2.6编程软件。
       
        　　1）人机界面组态
       
       　　（1）工艺流程图：该画面通过编程实现动态模拟显示整个石灰石粉制备的过程——从上料、进磨到出粉再到仓储。实现整个生产过程中各个运行设备的程控启停以及各个运行设备的单体操作，并对故障进行实时诊断。
       
       　　（2）系统操作功能：它有自动和手动两种工作方式，正常运行时采用自动方式，故障和调试时采用手动方式。它由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的jingque控制，以达到期望值。
       
       　　（3）报警记录：实时地发出所有发生故障的参数的声光报警，提醒值班人员采取相应的措施。
       
       　　（4）实时曲线：在线监视所有重要参数的实时变化，以便提前采取维持正常参数的措施和手段。
       
       　　（5）历史曲线：检查过去的数据记录，以便发生故障时，分析出故障原因。
       
       　　（6）报表打印：按不同的时间段实现统计与计量。
       
        　　2）PLC控制程序设计
       
        　　PLC采用ModiconQuantum系列Concept2.6编程软件。Concept适用与所有的bbbbbbs操作系统，强大的梯形图面向用户，其电路图符号和表达式与继电器电路原理图非常接近，控制过程形象、直观、易于掌握、易于修改。有实用的功能块和在线仿真功能，并且不需要停止CPU运行，就可以下载修改的配置与逻辑。丰富的功能可以满足系统的各种要求。下图是冷却水泵的启动/停止逻辑：
       
        
       
        图4
       
       　　冷却水系统由两台冷却水泵及冷却水泵出口电动门组成。两台冷却水泵一用一备，当启动其中的一台冷却水泵后，必须投入另一台冷却水泵备用，以保证这台冷却水泵故障停泵时另一台冷却水泵自启，也就保证了冷却水系统的正常运行，进而保证了石灰石粉磨系统的安全、可靠、稳定的运行。冷却水泵与冷却水泵出口电动门之间联锁，冷却水泵出口电动门在关闭位置才允许启动冷却水泵。在联锁解除时，可以单体操作冷却水泵，实现冷却水泵的检修调试。
       
        6、系统通讯功能
       
        　　ModiconQuantum系列PLC可编程序控制器利用其先进灵活的通信方式，方便地组成了PLC处理器与就地控制柜、远程控制柜、计算机工作站及其电子设备之间的通讯，其通讯方式是多渠道、多方式的。
       
        结束语
       
       　　本控制系统功能全面，可靠性高，操作简单实用，tigao了劳动生产率，避免了由于操作人员操作失误而造成的事故，改善了现场操作人员的劳动条件，对tigao石灰石粉磨管理水平，保证设备安全稳定运行起到了很好的促进作用。并已在生产上得到实际应用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。