西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0方法说明
大连华英自动化技术有限公司 马志军 摘要：本文论述了利用PLC实现的电厂化学水处理程控系统，结合现场总线技术和工业以太网技术，信息层使用工业以太网，控制层使用Controlnet现场总线，完成了基于PLC的电厂化学水处理程控系统。 关键词：PLC 现场总线以太网 冗余 1 引言 电厂化学水处理系统作为电厂重要的辅助车间和辅助系统，特别是大型火电厂利和供热电厂的化水处理车间处理量大，工艺复杂，水质要求高，其运营的好坏直接关系到电厂的安全运行及可靠性。本文以笔者负责完成的通辽盛发热电厂化学水处理程控系统项目，分析化学水处理程控系统的自动控制。 2 化学水处理系统工艺流程 通辽盛发热电厂作为新建热电厂新建4台机组（4×135MW，分两期完成），化学水处理系统由三部分组成:软化水处理系统、反渗透系统和除盐水系统,系统工艺流程简图如图1所示。 图1 化学水处理系统工艺简图 系统主工艺流程为：工业水→曝气塔→曝气水箱→升压水泵→叠加式过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→软化水箱→碱计量泵加碱→软化水泵升压（软化水，可作为厂内生活用水）→加热器→反渗透装置→反渗透水箱→反渗透水泵升压→一级混合离子交换器→二级混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵升压→主厂房。 3 控制系统硬件组成 3．1 PLC控制系统 3．2 监控站 3．3 仪表系统 图2 PLC系统网络结构图 3．4 现场控制设备 现场控制设备由水泵、风机、气动阀门、电动门、调节阀等构成，其中水泵、风机由电机控制，气动门由电磁阀控制。 4自动化软件设计 4．1 上位机软件设计 上位机软件采用bbbbbbs2000操作系统，组态平台为RSView32。上位机实现的功能为：数字显示化学水处理系统中的水箱液位、管道压力、进出水liuliang实时值与累积值、水温度、水质检测，记录这些参数的历史变化，在设定的上限与下限值发出语音报警、记录到报警历史以便查询。各设备的运行、故障等状态显示，各设备的启动、停止操作，并进行操作记录，以便查询；出现每个设备故障时发出声音报警并记录故障情况（故障时刻、故障类型等），方便进行事故分析。重要参数、报警、故障都可以报表打印。 化学水程控系统上位机监视画面由参数画面、弱酸阳离子交换主画面、曝气水箱系统画面、过滤器A和B画面、弱酸离子交换画面、软化水系统画面、反渗透主画面、反渗透装置画面、反渗透水箱画面、反渗透辅助系统画面、除盐水主画面、一级混床系统画面、二级混床系统画面、酸系统画面、碱系统画面、中和池系统画面、树脂存贮画面、除盐水箱画面、手操器画面、启动方式画面、检修设置画面、历史趋势画面、报警汇总画面、数据汇总画面、记录画面、登录画面和管理员画面组成。 4．2 下位机软件设计 5系统实现功能 水处理程控系统具有：运行方式选择；设备故障自动报警；实现了现场信息采集、处理、操作显示等完善的功能。并且保留了就地控制功能。在控制室，运行人员通过控制系统能对整个工艺系统进行集中监视、管理和顺序控制，并可实现远方手操。提供就地手操、远方手动操作、自动顺序控制三种控制方式，工艺系统中被控对象的状态在CRT上显示。 5．1 就地手操控制 所有气动阀、电动门、水泵和风机都保留就地控制方式，在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动水处理，保证机组锅炉的可靠用水。 5．2 远方手操控制 在选择远控方式时，操作人员可以在操作员站远程一对一操作气动阀、电动门、水泵和风机。 5．3 水处理过程自动控制 水处理程控系统在正常情况下主要运行在自动控制方式。按照化学水处理系统的设计要求，水处理过程程序自动控制包括：除铁与弱酸离子交换过程自动控制，反渗透装置自动控制过程，混合离子交换过程自动控制。在除铁与弱酸离子交换过程自动控制过程中，当过滤器已经运行了24小时、或进出水压差达到0.1Mpa、或入口累积liuliang达到2880吨，就自动进行反洗，备用的过滤器投入运行；当阳离子交换器运行48小时、或入口累积liuliang达到6240吨，就自动进行再生。在反渗透装置停止自动控制过程时，自动完成反渗透冲洗过程。在混合离子交换过程自动控制中，当混合离子交换器运行1200小时、或入口水liuliang累积达到18000吨、或出口水导电度高于0.2us/cm、或出口硅酸根高于0.02ug/L，就自动进行再生，备用的混床投入运行。 5．4其它功能 通过PLC内部程序设定报警及联锁保护，一旦出现故障，立即停止相应的操作，并发出相应的报警信号,自动启动备用的设备。 实时参数超限报警、阀门开超时/关超时故障报警、阀门位置信号故障报警、水泵/风机启动/停止超时故障报警、水泵/风机控保装置事故跳闸/失电报警等。 化学水处理系统中的工艺参数和的累积参数都归档，可以通过历史趋势画面对所有运行参数查看、打印，并按照电厂要求打印成报表。 系统还通过交换机与全厂的辅助控制网络系统相联，实现了远程运行参数监视与管理。 6结束语 通辽盛发热电厂化学水处理程控系统于2006年9月正式投运，自动化控制水平明显tigao，产水量达到设计要求平均每小时180至200吨，完全保证了设计4台发电机组的用水需要。由于控制水平的tigao，水处理过程中产生的废水量明显减少，起到了一定环保节能效果。系统高度的可靠性和直观简易的操作性减少了运行人员劳动量。该系统建成后运行可靠，生产效率明显tigao，受到用户的好评，并成为其它电厂同行参观效仿的对象。 |
一个集成控制系统，它的功能的体现取决于如何有效地组合该集成控制系统内的各个元件，取决于如何使各个元件能够协调地工作。罗克韦尔自动化意识到了这一点，意识到有效地组合各元件可以通过构成一个结构开放的网络来实现，而使各个元件协调工作则需要使各元件间通信方便，使各元件间能有效地交换各种数据。网络和通信便是一个自动化系统能否发挥其功能的重要因素。罗克韦尔自动化提供了从按钮到可编程序控制器、从传感器到软件、从变频器到信息显示等一系列产品，由此所组成的自动化控制网络正发挥着重要的作用。
一、目前的网络结构及其通信
一个完整的自动化系统其控制可分为3个层次：
1、信息层
这是整个自动化网络的高层，也是对现场采集到的数据和信息进行处理和管理的一层。
2、控制层
这是操作所在的一层，它将处理器与处理器之间的信息交流、将处理器与输入/输出接口之间的信息交流集成在这一层。
3、设备层
这是面向现场设备的一层，也是整个自动化网络的低层，它可以将操作信息送到现场设备，也可以将现场设备的情况反馈到操作者。
相应地，罗克韦尔自动化A-B推出了由以太网、控制网和设备网所组成的开放型网络，如图1示。其中，以太网是以TCP/IP（传输控制协议/网际协议）作为其传输协议的开放型的网络信息层；控制网是一个开放型的现代化的控制网络，可以提供可编程序控制器、输入/输出机架、个人计算机、第三方软硬件以及相关输入/输出设备间的实时通信；设备网是一个开放型的全球化的工业标准通信网络，无需中间的输入/输出系统就可以将现场设备和可编程序控制器直接相连。
图1 设备网网络的典型结构
设备网（DeviceNetTM）
采用设备网，只需通过一根电缆就能够将可编程序控制器直接连接到智能化设备，如传感器、按钮、马达起动器、变频器、简单的操作员接口等，省却了可编程序控制器与输入/输出网络的通信、输入/输出网络与现场设备的硬连线。正是由于设备网可以省却输入/输出网络的这一特点，它才可以使产品集成变得容易，使产品安装和连线费用降低。通过采用全新的生产者/客户（producer/consumer）通信模式，又为设备网提供了强有力的故障诊断和故障查询能力。采用设备网扫描器（1771-SDN、1747-SDN），PLC、SLC500系列可编程序控制器可以连接到设备网，一方面实现了可编程序控制器到现场设备的直接通信，另一方面又可以将设备网和用户现有的AB系统集成在一起。采用1784-PCD、1770-KFD、1770-KFDG等插卡，还可以将个人计算机、工作站、笔记本电脑等接入设备网，从而可以直接在计算机上对现场设备的操作进行编程，如变频器的加速速率和减速速率。设备网不仅可提供大量的数字量I/O接口，可以通过FF（FoundationFieldbus）现场总线提供大量的模拟量I/O接口，许多应用场合都可以采用设备网来作为其解决方案。
设备网网络的典型结构，如图1所
控制网（ControlNetTM）
采用生产者/客户（producer/consumer）通信模式，控制网结合了输入/输出网络和点对点信息网络的功能，既可以满足对时间苛求的控制数据传输（如I/O刷新、控制器到控制器的互锁）的需要，又可以满足对时间非苛求的数据传输（如程序上载、下载、信息传送）的需要。控制网适用于实时、高信息吞吐量的应用场合，它的数据传输速率高达5MBps。因为它的这种高速率，控制网可以支持高度分布式的自动化系统，特别是那些具有高速数字量I/O和大量模拟量I/O的系统。I/O机架和其它设备可以安放在离可编程序控制器几百米远的地方，或者，对于分布式控制系统来说，可以就将可编程序控制器放置在I/O机架中，这样，PLC可以在监视其驻留本地I/O的通过控制网与上一级管理控制器进行通信。
控制网能够处理在一根电缆上的所有控制数据：点对点信息传送、远程编程、故障查询、I/O刷新和PLC处理器之间的信息互锁。通过采用专利性的介质存取方法，对时间苛求的数据的传输总是拥有比对时间非苛求的数据的传输更高的优先权，I/O刷新和PLC之间的互锁永远比程序上载、下载和一般信息传输更为优先，这使得控制网上的数据传输具有确定性和可重复性。AB公司提供了内置控制网扫描器的C系列PLC处理器、I/O机架控制网适配器（1771-ACN、1771-ACNR、1794-ACN）、个人计算机的控制网插卡（1770-KFC、1770-KFCD、1784-KTC、1784-KTCX）等产品，使得控制网安装方便、成本低、效率高。典型的控制网网络结构,如图2示。
图2 控制网网络的典型结构
以太网（EtherNet）
以太网以TCP/IP作为其传输协议，是一个开放型的信息网络。AB提供了具有内置以太网通信能力的PLC-5E系列处理器和SLC5/05处理器，并提供了以太网接口模块（1785-ENET），使PLC-5其它系列的处理器通过即插方式也能够与以太网相连。这些以太网可编程序控制器模块可以无需特殊硬件而连接到以太网上。并且，用户可以在装有以太网网卡的个人计算机上借助RSLinx软件，通过使用罗克韦尔A.I.或RSLogix5、RSLogix500系列编程软件在线修改各处理器的数据表文件和程序文件。使用标准PLC-5处理器的信息传送指令，可以在以太网处理器之间实现点对点通信。通过使用RSViewTM、RSLinx以及其它罗克韦尔软件，具有以太网网卡的工作站能够通过以太网网络来监控采集数据。
图3为以太网网络连接示意图。
图3 以太网网络连接示意图
二、其它的网络及其通信
内容来自
除了上面介绍的开放型的设备网、控制网和以太网之外，AB的通用远程I/O链路（相应于设备网）和DH+（增强型数据高速公路）网络（相应于控制网）已经为成千上万的用户所使用和熟悉。
它们的网络连接示意图，如图4、5示。
图4 通用远程输入/输出链路连接示意图
图5 增强型数据高速公路网络连接示意图
1、通用远程输入/输出链路（RIO）
采用RIO，可以将远程I/O机架和其它的智能化设备如操作员接口和交、直流变频器连接到可编程序控制器，I/O机架和其它设备可以安装到远离SLC或PLC处理器10,000英尺（3048米）的地方。这是一个通用的I/O链路，它与AB的各种I/O产品和各个系列的可编程序控制器相兼容。
可编程序控制器通过处理器内置的通信口（如PLC-5处理器）或独立的扫描器模块（如SLC处理器和1747-SD扫描器模块）对RIO进行存取。I/O产品在链路上与扫描器或RIO通信口之间的通信是通过独立的适配器模块（如1771—ASB、1747—ASB、1794—ASB）或内置的适配器（如1791BlockI/O组件）进行的。如果需要对高速过程进行控制，则可以采用扩展本地I/O链路，使未放置在处理器机架上的I/O模块也能具有处理器驻留本地机架I/O的性能，从而满足应用要求。一个RIO链路多可以连接32个I/O机架或其它适配器方式的设备。
2、增强型数据高速公路（DH+网）
DH+网是世界上广泛使用的工业局域网之一，它是早为可编程序控制器提供远程编程支持的控制网络。它可以在可编程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC5/04）、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有RS-232-C/RS-422接口的设备之间提供点对点通信。 copyrightplc资料网
一个DH+网络多可以连接99个DH+链路，每个DH+链路多可以连接64个节点（智能化设备）。它采用双绞线或屏蔽同轴电缆连接，每个链路的传输速率为57.6KBps，传输距离可达10,000英尺（3048米）。DH+网络支持从远程链路进行组态、编程以及故障查询，用户可以在一台个人计算机上通过DH+网络对所有链路上的可编程序控制器进行编程。
用户也可以使用SLC和MicroLogix控制器的DH-485网对DH+网络的功能进行补充。采用SLC5/04处理器或DH+/DH-485适配器模块（1785-KA5模块），可以将DH-485网络和DH+网络连接起来，这样，DH-485网上的SLC控制器和MicroLogix控制器与DH+网上的PLC处理器和其它自动化设备之间就能够实现信息共享。
除了以上所介绍到的各种网络，AB的可编程序控制器往往还内置有RS-232口，可以提供处理器与其它设备间的串行通信。
三、通信产品
罗克韦尔的各种通信产品提供了设备网网络（RIO链路）、控制网网络（DH+网）以及以太网网络之间的联系，这对于通信结构体系来说是非常有帮助的。
除了在前面介绍到的适配器、网络接口模块、插卡之外，罗克韦尔的硬件通信产品还有ControlLogix网关（1756系列）和以太网到DH+网网关（5820―GW4、5820―GW8），前者提供在以太网、控制网和DH+网网络之间的网桥和路由，如图3示，后者提供一个DH+网站与以太网之间的网桥和路由。
罗克韦尔的软件通信产品主要有RSLinxTM、DeviceNetManagerTM设备网管理软件、RSNetWorx控制网组态软件、INTERCHANGE软件等。RSLinx是用于AB可编程序控制器的服务器软件，它与bbbbbbsNT一起，可以为工厂所有通信提供解决方案，为人机界面软件如RSView32及编程软件如RSLogix5提供通信联结。DeviceNetManagerTM设备网管理软件提供了网络上所有设备的图形在线确定功能，可组态来自多个销售商的设备网设备的软件参数，实现网络诊断和故障检测。RSNetWorx控制网组态软件提供了一个图形化的网络视图，改善了带宽利用率，具有在线和离线组态能力。近，罗克韦尔又推出了RSNetWorx设备网组态软件，这使得对设备网的组态变得更加方便。
1 引言
虚拟仪器技术是用户在通用计算机平台上根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、更新快、功能强大、、用户定义等诸多优点。目前在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国NI公司的LabVIEW及其相应组件和Agilent公司的HP-VEE，其中NI的LabVIEW系列产品在我国使用比较广泛。LabVIEW是当前用于数据采集、信号处理和虚拟仪器开发的一个标准工具，是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，设计者可利用它方便快捷地建立自己的虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码编写.它适用于多种操作系统，用LabVIEW设计的虚拟仪器程序可以脱离LabVIEW开发环境，终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板[1]。
2 轮胎噪声专用检测分析仪的由来
当今各国纷纷开发低噪声轮胎。轮胎噪声的测量为噪声控制、低噪胎的评定提供了依据。目前市面上通用的噪声测量设备对于轮胎噪声的测量要求，设备精度与效果都不够理想，而带有微处理机的噪声测量系统精度高、效果好，但价格昂贵并且针对性差，缺少轮胎噪声的分析评判功能。基于此，我们开发了这台微机轮胎噪声实时检测及分析仪。
微机轮胎噪声实时检测及分析仪是针对测量、分析轮胎噪声而设计研制的，该分析仪应具有分析评判功能，不仅可实时测量轮胎花纹噪声的总声压级、声功率级，还可进行轮胎花纹噪声的时域、频域分析、噪声频谱分析、合成谱分析及低噪声轮胎性能主客观评判等[2]。
测量分析仪的组成本系统由录音、分析、评判三大部分组成。录音时设置采样频率为44.1kHz,采样位数为16位，及选择单声道。录音完毕，将录音内容存为WAV文件。分析部分对录制的WAV文件进行时域、频域分析、频域合成分析，输出总声级、所测轮胎噪声的合成谱。评判部分主要是对所测的轮胎噪声的合成谱进行M线评判、三段评判。
3 分析仪的实现
3.1分析仪的硬件部分
该仪器的硬件部分易于实现，由于是声音测量，需用到声卡，麦克风，便携式电脑集成的有声卡，麦克风也可直接安装。
3.2 分析仪的软件部分
可采用LabVIEW编程来实现，LabVIEW在数据的测量、分析、查看方面有很大优势。以下为各个部分的软件编程。
（1）录音保存、显示时域、频域波形。在前面板上放置Wavebbbb Gragh、Express XY Graph分别用以显示时域、频域波形，再放置一个数字控件用以控制采样点数，放置一个按钮用以控制录音及保存。在框图程序中需用到Si Config.vi（录音参数设置）, Si Start.vi（开始录音），Si Read.vi（读取录制数据），Write Wave.vi（保存波形文件）, Spectral Measurements(fft变换得幅频曲线)等子vi，把它们连接起来，如图1所示。
（2）一点或多点时域、频域分析。在前面板上放置Wavebbbb Gragh、Express XY Graph分别用以显示时域、频域波形，再放置一个数字控件用以设置打开样本数，放置一个按钮用以控制单点或合成分析各测点的噪声谱曲线差异较大，而真正的低噪胎应在胎四周任何位置都符合低噪评判的要求指标，如都低于M曲线，需求合成谱[1]。在框图程序中需使用for 循环来控制打开样本数，还需使用移位寄存器来循环比较各频率处的幅值，利用max&min函数求出各频率处大值，得合成频谱。框图较大，不便显示出。
（3）M线评判及三段评判。据知，目前世界上还无统一的低噪胎标准，通用的有M标准线和三段标准区[3]。M标准线是美国某研究中心提出的低噪声性能指标频谱曲线。如果测试得到的合成谱曲线在M标准线以下，则轮胎的噪声性能指标视为合格，否则为不合格。三段标准区为西欧某测试中心低噪标准，它是一种相对的优劣排队比较。对一组花纹方案进行仿真，得到100HZ~5kHZ的噪声频谱图，分成低、中、高频段来分别与一个典型低噪胎谱线比较[4]。在前面板上放置两个Express XY Graph分别用以显示M标准线及三段评判线评判结果。将M标准线数据与三段评判标准区数据分别在Express XY Graph中表示出。在与M线比较时，合成谱做了平滑处理，这样易于观看，将平滑过的合成谱与M线一起显示，即可看出轮胎的噪声性能指标是否合格。三段评判时给出了合成谱线的评判值，为轮胎噪声优劣比较提供了依据。评判过程用LabVIEW实现较为容易。如图2示评判结果。
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（4）各波形的打印。 在前面板放置一个Text Controls, menu ring 用以选择打印对象，再放置一个OK按钮用以控制是否打印，框图程序中将用到LabVIEW中的report generation中的VI，这些可参考LabVIEW7.1中的examples->report->PrintControlExample.vi。
（5）测量分析仪的校正与标定。每次测量前或使用一段时间后，必须对仪器进行校准，这其中包括电路校准（主要是放大器电路的校准）和话筒校准。校准中主要用到声级校准器，它可发出恒定频率（取1KHz）及恒定声级（90dB）。校准器的精度是 ，为二级标定[2]。在前面板上放置一个按钮用以测试声级校准器所发出声音的大小，与恒定声级比较，求得所需校正的值，编程很容易实现。
4 结束语
该分析仪与现有的许多声学测量仪相比具有携带方便、实用性强、、扩展性好、有实时快速分析等特点。是一台功能较为齐全的轮胎噪声测量、分析与评判仪器。它用LabVIEW来开发程序，开发周期较短。虚拟仪器技术是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物,是全新概念的新一代测量仪器.基于LabVIEW设计的虚拟仪器具有高效、灵活、界面友好、集成性强、使用方面、设备费用低、用户自定义功能等诸多优点,并随计算机技术的发展而迅速发展。