6ES7222-1BD22-0XA0参数规格

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PLC自动控制系统；质谱炉气分析系统；在线分析；反吹
0 引言

对于在线过程分析系统，其可靠性、稳定性极为重要。基于PLC自动控制系统的稳定可靠，本文研究将PLC自动控制系统应用于质谱炉气分析系统，通过PLC及其上位机的自动和手动的控制，实现了自动采集样气、自动反吹再生、手动调试、时间参数修改、各加热元件及储气罐压力状态显示、本地状态指示灯显示、故障预警及上位机和PLC的信号连锁等功能，提高了质谱炉气分析系统控制的安全性和可靠性。本系统应用在莱钢4号转炉上，自2004年2月投入在线运行以来，一直保持良好的工作状态。
1 系统组成
1．1 硬件组成
质谱炉气分析系统由取样探头、初级过滤单元、反吹再生单元、样气处理单元、喷射泵、PLC自动控制单元以及飞行时间质谱仪组成。工作站(ControlStation)即为PLC的上位机(HMI)，可显示质谱炉气分析系统的工作状态、控制整套系统的运行和显示样气成分的分析曲线，其系统组成见图1。

在PLC自动控制系统的控制下，冶炼或燃烧过程中的样气经喷射泵抽汲后，通过一个取样探头，经初级过滤单元过滤除去85％以上的粉尘，再经过样气处理单元的旋风除尘器和精过滤器进行除尘和除水获取干燥洁净的样气，通过引导管进入飞行时间质谱仪进行分析，得到的分析数据经网络实时传输给工作站进行显示并存储，以便指导现场工人的操作。反吹再生单元在PLC自动控制系统的控制下，按照一定的时序对另一个取样探头进行反吹再生，当前一取样探头快结束取样时，经过既定的时间后，对切换至反吹再生完的探头进行取样，而前一取样探头亦进行反吹再生，如此反复切换两个取样探头，对样气进行连续不断地采集。此既定的时间可以通过PLC上位机的时间参数界面，按照不同的操作工艺在一定的时间范围内进行设定，从而使得两取样探头相互切换时所采集的样气趋于连续、一致且均匀。
1．2软件组成
根据系统的需要，采用西门子的S7-226型PIE自动控制系统。本机集成24输入／16输出共40个数字量I／O点；可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I／O点或35路模拟量I／O点；具有2个RS485通信／编程口，并具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。本系统共有16个输入点和10个输出点，PLC采用PPI通信协议与工作站直接通信，选择S7-226型西门子PLC完全可以满足本系统的需要。
2系统功能实现
2．1 PLC自动控制单元
本系统按照转炉炼钢生产工艺，编制质谱炉气分析系统的自动取样和反吹再生时序，即熔炼过程的Starting时序和不熔炼过程的Waiting时序。将此时序按一定逻辑关系编写成PLC程序，通过上位机集成到PLC自动控制单元上，为10个电磁阀及各显示状态的节点分配地址，实现PLC自动控制单元对质谱炉气分析系统中10个电磁阀的自动／手动开关及各节点工作状态的显示。
2．2 PLC上位机(HMI)
PLC上位机为用户提供更加直观的工作状态显示和便捷的操作。通过PLC上位机登录本系统有两种方式：普通级和。普通级针对用户，针对技术人员。当系统处于正常工作状态时，按照PLC控制单元分配的地址，启动各节点的工作，通过上位机的用户界面可显示和控制PLC控制单元的运行。工业现场的开关信号使能并被PLC自动控制单元接收后，当上位机自动运行工作时，启动PLC内置的Starting时序，控制10个电磁阀的自动开关，从而控制自动采集样气、反吹再生以及启动质谱分析界面并实时记录分析数据。工业现场的开关信号非使能时，系统启动PIE内置的Waiting时序，按照Waiting时序对系统的探头及管路进行反吹再生，以便在下一生产过程中使用。当通过验证后，可进人手动调试界面，按下手动调试按钮，且PLC的转换开关转向调试挡，可手动控制各电磁阀的动作。在时间参数修改界面，可以修改两探头在相互切换时的交叉时间。
2．2．1 自动运行
启动工作站的质谱炉气分析软件，通过登录界面，进入功能选择界面。点击功能选择界面内的“自动运行”按钮，进入自动运行界面，如图2所示。图2显示的是系统应用于转炉冶炼的情况，为转炉正在熔炼状态。当系统自动运行时，一路采集转炉炉气，并将其送人质谱仪进行分析，另一路反吹再生，即内外反吹探头和管路，等待切换采集样气。图中，处于工作状态即有气流的管路实时直观地用绿色且较粗的气路来标明。加热元件的红色指示灯表示该加热元件处于不加热状态，正常加热状态时指示灯呈绿色。加热是通断式的，由温度传感器控制，加热时间可由温度传感器上的电位器来调节，防止样气中水蒸气冷凝。储气罐内的氮气压力正常与否，同样可由界面上的压力指示灯来判断，压力大于0.4MPa时指示灯呈绿色，视为反吹压力正常。

2．2．2 手动调试
输入别的用户名和密码，通过验证后，选择功能选择界面下的“手动调试”按钮，进人手动调试界面，其结构与自动运行界面相似，仅多了10个电磁阀对应的手动按钮，用来手动控制10个电磁阀的开／关。
手动调试界面专为技术人员设计。由于手动调试的信号在PLC的上位机和PLC主机之间是连锁的，仅在PLC主机的转换开关扳向调试挡，且PLC上位机的手动调试开时，才可通过PLC手动开关箱上倒扳开关来手动控制(硬件控制)10个电磁阀的开／关，亦可通过上位机的手动调试界面上的10个电磁阀对应的10个按钮来进行手动控制(软件控制)，从而对系统的电磁阀、继电器、气路和接头处的气密性进行检查，为此保证系统的安全性。如果系统有一气路出现故障，即可手动控制另一气路进行样气采集并分析，排除此气路的故障。待故障排除后，可手动控制反吹电磁阀的开／关来对此气路取样探头及气路进行反吹再生，保证在气路出现故障时不影响样气的采集和分析。
2．2．3 时间参数修改

2．2本地状态显示
PLC自动控制单元内的指示灯以及上位机人机界面内不同颜色的变换指示，显示系统当前工作状态，可为生产和维护人员提供状态信息，方便及时地判断故障所在。
3 系统性能测试
系统自2004年2月在莱钢4转炉生产现场运行至今，工作状态一直良好，并且能指导现场工人的操作，在避免出现氧枪漏水爆炸事故和减少补吹次数方面取得了初步成效。经现场测试，其样气预处理装置的响应时间为13s，飞行时间质谱仪的份析时间仅为0.1s,可见非常适合流程的转合短流程的转炉练钢工艺使用。经720h稳定性测试，本系统在PLC自动控制系统下，没有发生任何故障。

一．功能介绍

英威腾CHV系列矢量变频器内置的MODBUS（从站）通讯协议，配合CHV系列变频器专用通讯卡，可非常方便的实现远程通讯控制功能。通讯卡上提供RS232及RS485两种物理通讯端口，用户可通过设置卡上的跳线选择。

下面以西门子S7-200系列PLC为例，介绍PLC与CHV矢量变频器建立通讯并实现对变频器起停、频率给定、监控等功能的控制。

变频器作为MODBUS协议从站接收来自CPU224 PLC的通讯指令，。

CHV系列矢量变频器在与CPU224通讯前须做好以下预备工作：

1．确认已安装好CHV系列矢量变频器的通讯卡，并将卡上的端口跳线置于RS485端；

2．用一根带9针阳性插头的串口通讯电缆连接在CPU224 PLC的自由通讯口端，电缆另一真个第5、3、8线分别接在CHV变频器RS485通讯卡的GND、485+、485－端子上，其余线屏蔽不用；

3．预先设置变频器以下参数：

PC0.0=1                  //变频器通讯地址为1

PC0.1=3                  //通讯波特率9.6K

PC0.2=1                  //通讯数据偶校验

P0.01=2                  //变频器的运行指令采用通讯方式

P0.03=7                  //变频器的A频率设定采用通讯方式

二．PLC内存使用说明

西门子S7-200系列PLC的自由通讯端口编程必定会用到两个指令，即XMT(发送)指令和RCV（接收）指令。编写程序时需要为这两个指令指定数据缓冲区，一般以低位数为0的地址作为数据缓冲区的起始地址。

    1．发送指令XMT缓冲区(写/读)

VB100     //xmt指令要发送的字节个数

VB101     //变频器通讯地址(01)

VB102     //modbus功能码(06/03)

VB103     //变频器被写地址高位/变频器被读起始地址高位

VB104     //变频器被写地址低位/变频器被读起始地址低位

VB105     //被写数据高位/被读数据字个数高位

VB106     //被写数据低位/被读数据字个数低位

VB107     //被发送数据CRC低位

VB108     //被发送数据CRC高位

2．接收指令RCV缓冲区

VB200     //rcv指令要接收的字节个数

VB201     //变频器地址(01)

VB202     //modbus功能码(06/03)

VB203     //变频器被写地址高位/被读数据字节个数高位

VB204     //变频器被写地址低位/被读数据字节个数低位

VB205     //被写数据高位/被读数据高位

VB206     //被写数据低位/被读数据低位

VB207     //被接收数据CRC低位

VB208     //被接收数据CRC高位

VB217       //被接收数据CRC验算低位

VB218       //被接收数据CRC验算高位

2．CRC校验子程序（SBR0）

英威腾CHV系列矢量变频器内置的MODBUS协议采用RTU传输格式，该格式使用CRC校验方式对每次发出或接收的数据帧进行校验。该子程序使用了多个局部变量，以方便其它子程序调用。

在西门子STEP 7-Micro/Win 编程环境下（如图一），需要在该子程序的局部变量表中预先设定以下局部变量：

（1）输进型局部变量（VAR_bbbbb）

1d_0:DWORD; // 待发送数据地址指针变量

lw_4:WORD;  // 待发送数据字节个数变量

（2）输出型局部变量（VAR_OUTPUT）

lb_6:BYTE;  // CRC校验值高位变量

lb_7:BYTE;  // CRC校验值低位变量

（3）临时局部变量（VAR）

lw_8:WORD;     // 待发送数据字节个数计数变量

lw_10:WORD;    // 待发送数据每字节8位二进制数计数变量

Network 1

LD     SM0.0

MOVW   16#FFFF, LW6                //将16位CRC校验寄存器LW6全置为1

Network 2

LD     SM0.0

FOR    LW8, +1, LW4                //对待发送数据字节个数(LW4)计数(LW8)循环

Network 3

LD     SM0.0

XORB   *LD0, LB7                   //使待发送数据的个字节(*LD0)与

                                   //CRC校验寄存器低位字节(LB7)进行异或运算

Network 4

LD     SM0.0

INCD   LD0                         //ld_0指向待发送数据的下一个地址

Network 5

LD     SM0.0

FOR    LW10, +1, +8                //对每字节8位二进制数计数(LW10)循环

Network 6

LD     SM0.0

SRW    LW6, 1                      //CRC校验寄存器LW6右移一位

Network 7

LD     SM1.1                       //若移位后的溢出值SM1.1为1

XORW   16#A001, LW6                //则使值16#A001与LW6进行异或运算

Network 8

NEXT                               //结束每字节8位二进制数计数循环

Network 9

NEXT                               //结束每数据帧字节个数计数循环

3．   初始化子程序（SBR1）

该程序在PLC的个扫描周期运行，主要是设置CPU224自由端口的通讯格式、数据接收格式及复位各寄存区（参见西门子S7-200编程手册）。

通讯格式内容包括：波特率9.6K、每字节位数8位、偶校验等（留意与变频器一致）。

数据接收格式完全参照MODBUS RTU格式设定，以不少于3.5个字节传输时间的通讯口空闲间隔作为数据接收的开始及结束信号。根据协议，PLC在预备接收数据前会先监测通讯口是否空闲，如连续空闲时间超过了3.5个字节的传输时间，则PLC默认数据接收开始，此后通讯口上出现的信息即被以为是一个数据帧的内容。同理，随着一个数据帧的后一个字节传输完成，又会出现一个3.5字节传输时间的空闲间隔，来表示一个数据帧传输的结束。（参见MODBUS协议标准及CHV系列矢量变频器通讯卡使用说明书）

对9.6K的通讯波特率来说，3.5个字节传输时间约为5ms左右。因该程式的每个指令只预备接收一个数据帧的回馈信息，接收数据前的空闲检测时间可设为0，即PLC在发出数据后立即开始接收数据，但一个数据帧的传输结束空闲检测时间仍需设为5ms以上。

1、引言

profibus-dp中的dp即decentralized periphery，它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。它与profibus-pa（processautomation ）、profibus-fms (fieldbus message specification)共同组成了profibus标准，适用于系统和外部设备之间的通信。profibus-dp现场总线系统可使许多现场设备（如plc、智能变送器、变频器）在同一总线进行双向多信息数字通讯，可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。本文以垃圾渗滤液处理系统为列，就生化系统采用西门子s7-300plc和abb公司的acs800变频器实现网络通讯，通过网络通讯技术完成曝气池罗茨风机传动设备的控制。

2、系统硬件设计

该系统以西门子simatic s7cpu315-2dp作为主站，abb变频器acs800为从站，实现全数字交流调速系统在profibus-dp网中的通讯及控制。系统profibus-dp网络配置图如图1所示。

图 1系统profibus-dp网络配置图

编程软件为step7 v5.5软件，用于对s7-300plc编程和对profibus-dp网进行组态和通讯配置,上位机监控计算机与plc间采用profibus-dp的通讯方式。

rpba-01为与变频器配套的通讯适配器,插在abb变频器的插槽1内，其中s1为总线终端器选择开关,总线终端器可以防止总线电缆端的信号反射，如果模块是网络中后一个模块或是个模块，总线终端器必须设置为on，若使用profibus 带内置终端器的d-sub 连接器时，必须断开rpba-01终端器；s2为dp地址十位,s3为dp地址个位，如地址为26，则s2拨到2，s3拨到6，在操作时，可以改变节点的地址，模块必须重新初始化才能使改变生效。

3、系统通讯协议设计

profibus是一种开放式串行通讯标准，该标准可以实现数据在各类自动化元件之间互相交换，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。总线循环时间必须要比主站（plc）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，profibus-dp还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。

①传输技术：rs－485双绞线．双线电缆或光缆。波特率从9.6k bit/s到12mbit/s。总线电缆的大长度在100～1200 米范围内，具体长度取决于所选的传输速率。

②总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主－从传送。支持单主或多主系统。总线上多站点（主－从设备）数为126。profibus的理论地址范围：0~127（127为广播地址）。多可用32个主站，总的站数可达127个（多主）。

③通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。

④运行模式：运行．清除．停止。

⑤同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。

⑥功能：dp主站和dp从站间的循环用户有数据传送。各dp从站的动态激活和可激活。dp从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给dp从站赋予地址。通过部线对dp主站（dpm1）进行配置，每dp从站的输入和输出数据大为244字节。

⑦可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离hd=4进行。dp从站带看门狗定时器（watchdogtimer）。对dp从站的输入/输出进行存取保护。dp主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

⑧设备类型：第二类dp主站（dpm2）是可进行编程．组态．诊断的设备。类dp主站（dpm1）是中央可编程控制器，如plc．pc等。dp从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器．阀门等；也可以是智能从站，即从站支持可编程，一般智能从站即一个plc主机。

rpba-01 profibus-dp 适配器模块只支持profibus-dp 协议；profibus-dp通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即ppo包括参数值pkw及过程数据pzd。参数值pkw是变频器运行时要定义的一些功能码如正反转命令源，给定值的命令源等;过程数据pzd是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。profibus-dp共有5种类型的网络ppo。

通讯协议设计为主/从方式，s7-300plc作为主站，变频器作为从站，主站向变频器传送控制指令，接受变频器反馈的运行状态及运行参数。变频器与rpba-01通讯适配器模块相连，接入profibus-dp网中作为从站，接受从主站simatics7-315-2dp发来的控制。rpba-01通讯适配器模块将从profibus-dp网中接收到的过程数据存入双向ram中，变频器将ram中的数据写入控制字、设定值或读出实际值、诊断信息等参量，从而使变频器能够按照计算机指令运行。

4、系统step7软件设计

step7软件设计主要包括项目系统组态及通讯编程：

（1）使用step7v5.5组态软件，进入hardwareconfigure，将rpba-01的gsd（设备数据库）文件导入step7的编程环境中，点击options-install gsdfile将abb变频器的gsd文件导入step7中，如图2左边所示，导入成功后如图2右边所示，gsd文件可从www.profibus.com或从abb网站下载，文件名为abb_0812.gsd。

图2 abb变频器gsd文件导入图

（2）选定s7-315-2dp为主站系统，默认地址为2，将abb的rpba-01组态到s7-315-2dp为主站的dp网上，并选定使用的ppo类型，在这里使用ppo4，设定站点网络地址为4，如图3所示,编译存盘。

图3 系统网络组态图

（3）plc主机从从站读取输入信息并把输出信息反送给从站，在plc主程序ob1中调用两个系统功能块sfc14和sfc15来读写这些数据，实现与变频器的通信控制，并在plc程序中建立一个数据块db10，可以通过控制字来实现传动设备的控制，用于变频器的数据通信，通讯程序集通讯数据如图4所示。

图4 通讯程序和通讯数据图

5、变频器运行设置

通讯电缆联接后，启动变频器，完成对变频器通讯参数的设置，主要是abb drivesprofile(vender-specific)withppo相关参数的设置。比如通讯类型、通讯地址、波特率、ppo类型等的设置。

6、结束语

abb变频器与s7-300plc的连接已基本建立，通过plc编写程序来控制变频器的启、停、速度给定等各项功能，来满足工艺要求；也可以读取变频器数据在上位机进行显示，达到在线监视和诊断的目的，变频器控制系统采用了profibus-dp现场总线控制模式后，整个系统的可靠性得到增强、数据传输速度得到提升，操作简便，可根据工艺需要进行灵活的功能修改。此技术解决方案在垃圾渗滤液系统工程曝气风机变频器通讯控制中已得到很好的应用，节约了成本，提高了节能效益和经济效益。