6ES7221-1BF22-0XA8使用方式
1 引言
我公司90m2烧结机于1991年建成，plc自动控制系统采用的是美国modicon公司的584系统，其间经过升级改造，原系统已经被更先进quantum系统取代，但系统已经运行了十多年，通讯方面时常出现一些问题。控制程序一直沿用dos6.22操作系统下的modsoftv2.62开发环境，界面复杂、操作繁琐、功能简单；程序本身逻辑严密，但长期以来随着工艺更新，程序也不断修改，致使结构繁琐混乱，加上中间点过多，没有注释，给维护工作造成很大困难，直接影响了烧结生产的顺利运行。
系统原先采用电气操作台控制。调度台与电气操作台分置于内外间，启停时需进入里间才能操作，耗时耗力耗人；由于时间长，电气操作台线路老化、虚接，常常引起误动作，电工查找故障需对图比照，顺线路一点点检查，这些不利因素增加了人、财、物等各项成本，也极大地影响了生产作业率。次改造也只是用简单的ifix2.5画面替代电气操作台上的按钮和开关，整个生产工艺仍然通过模拟屏显示，并没有实现真正意义上的上位机画面监控。
2 解决方案
针对此种情况，2006年5月份正式实施改造,并于6月13日投入运行。本着大限度降低成本的原则，决定仍然采用quantum自动控制系统，控制程序重新编制，采用bbbbbbs2000操作系统下的concept2.6软件编程；监控画面采用ifix2.5软件，重新制作，将各个工艺流程显示在画面上，实现故障报警、历史趋势显示；上位机与plc之间的通讯由以前的mb+改为以太网通讯，速率更快，网络也更加稳定。
2.1 硬件配置
硬件配置如下：cpu模板：140 cpu 43412a；电源模板：140 cps 114 20；底板：140 xbp 00600；工控机：研华ipc-610h；显示器：philips 190s5；以太网模板：140 noe 77100；交换机：赫斯曼rs2-tx；ifix并口支持硬件密钥；ups电源：梅兰日兰5kva；双绞线、同轴电缆若干。
(1)cpu：cpu模板140 cpu 43412，采用80486处理器，时钟速率66mhz，逻辑解算时间大大缩短，tigao了整个自动化系统的性能。
(2)以太网(ethernet)高速通讯网：上位机与plc之间通过以太网通讯。以太网是现在普遍采用的局域通讯网络，采用tcp/ip协议，具有高速、工作方式灵活、高度可扩展、高可用性、调试快速等特点。
(3) 远程io(rio)：远程分站通过rio网与控制器通讯。rio网是一个高速局域网络，网速达到1.544mb/s，传输介质采用同轴电缆。quantum cpu可以支持多达31个分站，只要线路上信号衰减小于35db，远可达4572m(15000feet)。系统中每个rio分支模板要求一个分支器，网络末端加终端电阻，便于以后系统扩展。
(4) 并口支持硬件密钥：运行ifix，需要使用硬件密钥来控制和启用安装中可用的软件选项，并启用终端服务器颁发许可证，还可以保护inbbblution以防非法复制ifix软件。现有两种硬件密钥，一种支持并口配置，一种支持usb端口配置，我们采用支持并行口配置的硬件密钥。该自动控制系统的系统配置图如图1所示。
图1 系统配置图
如图1所示，该系统共有三台操作站，冗余备用，事故时不会影响生产正常运行。三台操作站通过交换机，以双绞线为传输介质，跟以太网通讯模板140noe 771 00连接，实现以以太网方式与plc通讯。以太网通讯方式为erp采集数据提供了可能，并可以据此实现整个自控系统的远程集中控制，这是自动化技术发展的方向。根据现场设备配置，系统共有五个电磁站，中控室、原料电磁站、配料电磁站、烧冷电磁站和冷却电磁站。cpu在中控室，通过远程io(rio)与四个远程电磁站通讯。由于整个系统只采用一个cpu，传输距离太长，信号衰减并致使信号失真不可避免。远程通讯分为两路，各沿分开线路至不同远程分站，这样需将通讯模板通讯口和冗余接口全部占用。这样的通讯方式在通讯模板上会显示错误，但并不影响正常通讯。分支器采用ma-0185-100(b)，远程通讯末端连接终端电阻，采用520422 000。
2.2 软件体系
(1)编程软件：编程软件concept2.5是一种基于bbbbbbs环境的编程工具，提供包括多种编程语言的单一开发环境，功能强大，从程序的开发和维护上都大大优于原有的modsoft软件。其优点为：采用bbbbbbs操作系统，界面简单，操作方便；concept具有联机的程序编辑功能，编辑完后可立即执行，不必重新下载；concept提供了多窗口编辑功能，可显示不同区段的程序，方便对照、复制与编辑；具有程序单元输入功能，可将整个开发工作分解为多个程序单元，独立输入；具有程序语法检查功能及程序测试功能。
90m2烧结机包括含铁料上料系统(81)、溶剂系统(83)、灰石转运系统(84)、白煤粗碎系统(85)、白煤细碎系统(87)、上煤系统(88)、配混系统(1、2两个系列)、烧冷系统(3、4两个系列)、成品系统(5、6两个系列)、铺底料系统和除尘系统。担负着向几座高炉输送烧结矿的任务。工艺流程如图2所示。
图2 工艺流程图
根据工艺流程以及concept特点，程序分为不同程序段，对应相应的工艺系统，如88系统、配混系统、烧冷系统等，每个程序段采用相同编程思路：
● 判断运行条件满足否。
● 满足则由操作人员启动该系统。
● 自动延时逆向启动各设备。
● 停止方式分为急停和顺停，无料时采取急停方式，有料时采取顺序停车方式，各设备间有延时。
● 启动电铃启动过程超时，则此次启动失败；故障报警输出。
程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
整个程序实现了工艺要求的设备连锁控制条件及系统间连锁控制条件，其中配料系统实现圆盘全部或部分参与配料，成品系统实现缓仓储料和高炉直送的无扰动切换。针对系统投运以来经常出现的“打机枪”现象，即设备的输出信号与输入反馈信号由于瞬间不稳定，信号交替闪烁，致使接触器频繁动作，影响生产及损耗设备问题，程序也加以考虑，采取措施避免了这种现象。
(2)画面软件：ifix是inbbblution dynamics自动化软件中的hmi/scada组件，基于bbbbbbsnt，实现对生产过程监视和控制的功能。ifix2.5增加了许多重要功能，结构也加以完善，明显地减小了自动化工程设计时间，使系统升级和维护更快更简化，并且大大地增加了生产率。
上位机采用bbbbbbs2000操作系统，i/o驱动器采用mbe，通过以太网通讯方式实现与plc之间的通讯。上位机画面包括总貌画面、81/88系统、83/84系统、85/87系统、配混系统、烧冷系统、成品系统、铺底料系统、以及除尘系统，实现了整个工艺流程的实时数据采集、过程监视(图形显示)、监视控制功能，并且增加了故障报警、历史趋势画面。画面尽量贴近现场设备，配置及颜色符合操作工习惯，大画面及操作子画面的结合使操作简单易学。
1 引言
目前，国内大型的造纸厂对纸张定量水分的控制系统的策略是进口关键单元，如定量水分传感器和变送器、扫描架、控制器、关键的机械部件等，控制部分用国内的技术及装置，组成完整的品控生产线，即满足了控制要求，节省了半数的投资。在本项目控制系统中，选用工控计算机作为操作站和工程师站，选用西门子s7-300plc作为主站和从站，网络通讯采用以太网和profibus现场总线。控制策略采用智能预测控制。
2 系统组成
扫描架带动定量和水分变送器在线检测，检测信号在计算机内通过数字滤波计算出定量水分的平均值，用定量阀控制纸张的绝干定量，用烘缸蒸汽压力给定值控制纸业水分，此过程是通过目标值和反馈控制系统来实现的。系统主要组成部分如图1所示。
图1 定量水分系统
2.1 扫描架部分
扫描架选用impact公司的b/m传感器变送器及相应的o形扫描架系统扫描架和定量水分信号通过tcp/ip协议和os站交换数据。impact公司的扫描架系统可以方便的对定量水分控制进行扩充，如检测和控制纸张的厚度、灰分、白度、平滑度、横向分布等。
此控制系统引进传感器型号如下：o型扫描架1880mm(1880mmadvantage plus o-frame scanner)；单边扫描架1880mm(1880mm single sidedframe)；定量传感器－钷147(basic weight sensor-pm147)；水分传感器-钨136(basicmoisture sensor-w136)；轻触式厚度传感器(light touch air-bearingcaliper senor)。
2.2 fcs(现场控制站)功能设计
(1) 与变送器、执行器一起构成具有自动调节能力的控制站。
(2) 对现场送来的信号进行处理转换，变成计算机能处理的信号。
(3) 把输出信号转化成现场执行器的控制信号。
(4) 具有相应的扩展输入/输出(i/o)模块，可完成输入/输出处理。
(5) 具有与监控操作站(os/oe)进行数据通讯的接口。
(6) 具备一个主控制板，能执行设定好的控制算法。
(7) 通过profibus-dp现场总线实现与从站和os进行数据通信。
考虑到系统性能和性价比，可编程控制器采用西门子s7-300plc。其特点是：模块化、易于扩展、通信稳定、运行可靠。s7具有开放性的网络结构适应于bbbbbbsnt/2000和bbbbbbsxp标准操作系统支持dde/opc，可通过以太网与企业上位信息管理系统连为一体。
通过profibus-dp现场总线实现i/o与控制器功能处理分散，可进行远程扩展，tigao了系统的可靠性和可操作性。可以通过计算机或触摸屏设定各个控制及连锁逻辑控制回路的控制周期及扫描周期。plc与os站的通讯接口模块采用cp340。
2.3 硬件配置
根据控制系统的要求，采用s7-300系列的plc来进行组态。对于控制系统的plc，由于控制系统的i/o点数(本系统为110个点)不多，程序量不大，通过经验公式计算所需存储器容量(存储器容量(kb)=(1.1～1.25)×(di×10+do×5+ai/a0×100)/1024)，根据存储器容量大小选择主控模块为cpu314即可。
供电模块:10a的ps307；中央处理器(cpu):选用cpu314；模拟信号输入：所有的现场参数，由各自的变送器进行检测，通过相应的变送器转换为4～20ma的标准信号与plc系统的模拟量输入通道连接。选用模块为sm331/ai8(2块)；开关量输入：主要是一些控制按钮、急停按钮、限位开关、行程开关等，选用sm321di16(2块)；模拟信号输出4～20ma的调节信号通过d/a模块输出，完成各回路中的调节器的控制。阀门采用气动调节阀，通过电气阀门定位器接受4～20ma电流调节信号。选用模块为sm332/ao8(2块)；开关信号输出：包括一些运行状态显示、报警等。选用模块为sm322/do32(1块)；通讯模块：选用r485接口的cp340(1块)。
为了保证控制系统运行可靠稳定，在信号的采集和控制通道中充分采用系统隔离技术。所有现场传感器信号通过隔离器或配电器进入plc的模拟信号采集通道，所有现场的开关信号及阀门的控制信号采用中间继电器隔离。
2.4 系统控制回路
(1)上浆浓度控制回路影响定量的只要因素是进入冲浆泵的纸浆浓度和liuliang，浓度通过浓度的自动控制系统来调节。
(2)上浆liuliang控制回路将liuliang计和相应的控制阀安装在冲浆泵的入口的管道上，实现对上浆liuliang的控制。根据一定的定量控制算法，改变liuliang设计值的大小。定量阀采用btg公司的，liuliang计采用横河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。
(3)蒸汽压力控制回路本系统为三段供汽方式的8缸纸机，采用分段控制方式。分别对施胶前烘缸组(2缸)和施胶后烘缸组(6缸)压力进行顺序控制和定值控制，实现纸张水分的控制。
(4)定量水分测控系统定量和水分仪的探头安装在o型扫描架上，随扫描架的来回移动对纸张连续扫描检测，检测信号通过网络传输给计算机进行处理。并在计算机屏幕上实时显示定量水分横向分布图和和纵向趋势图。计算机通过检测值和设定值之间的偏差根据一定的控制算法发出控制信号，分别调节定量阀和烘缸蒸汽阀，使定量水分保持相对稳定。
(5)纸机车速显示和调节 从纸机传动部变频器和增量式编码器组成车速的调节系统，并把车速信号传输给计算机显示，通过检测信号和设定信号之间的偏差发出调节控制信号，保持车速稳定。
2.5 os站(操作员站)的功能设计
(1)组态设计、仿真调试、监控和控制操作。
(2)与现场控制站连接通讯，实现系统的分散控制。
(3)完善的系统应用软件，进行工控软件的二次开发，提供人机监控操作界面。
为保证控制系统运行稳定，在信号的采集和控制通道采用系统隔离技术，传感器信号通过隔离器进入plc的模拟信号采集模块，所有逻辑信号和阀门控制信号采用施奈德中间继电器隔离，保证控制系统与现场仪表的完全隔离。
该控制系统所有的压力、liuliang、液位、浓度、温度等信号以动态的形式在计算机上显示。系统的各个控制参数、工艺参数及生成的数据库自动的存贮在计算机中，便于实时查询。
3 系统控制策略
纸张生产过程中，定量和灰分的调节是一个大时滞、大惯性、强耦合、非线性的复杂控制过程。传统的pid很难对其进行有效的控制。本系统利用智能控制策略结合pid控制很好的解决了纸张定量和水分的控制。
3.1 系统功能
系统具有定量和水分的测量及控制，横向定量曲线的输出，绝干浆liuliang控制。plc根据定量水分的设定值和检测值之间的偏差，按一定的控制规律发出控制信号，分别调节定量阀的开度和和烘缸蒸汽压力的大小，保持定量水分的稳定。
(1)调浆箱上浆浓度的自动检测和控制，克服了中浓浆浓度的变化对纸张定量的影响。
(2)烘干部烘缸汽压的自动检测和调整，克服了外来汽压的波动对纸张水分的影响。
(3)crt显示纸张定量水分的工况数据历史记录。根据纸张定量水分的设定值和测量值之间的差值，控制浆流阀的大小和及蒸汽压力阀的动作，保正产出高质量的纸张。
(4)根据工艺，通过电脑键盘设定控制参数和设定值。
(5)系统操作规范有手动和自动两种方式，可根据需要自动切换。
3.2 控制算法
纸张定量的控制特性表现为滞后时间长、时间常数较短、测量值离散度较大。纸张水分的特性表现为时间常数大、易受干扰。在纸张生产过程中定量水分的控制存在着强耦合特性，要想达到理想的控制效果，就必须对定量水分的控制回路进行解耦，把纸张定量水分的控制回路分离开消除它们之间的相互影响。控制方案如图2所示。控制软件包括：纵向定量水分控制软件，绝干浆控制软件，烘缸控制软件。
图2 定量和水分计算机解耦控制系统
3.3 软件设计
(1)设计平台：控制系统在bbbbbbs xp环境下运行，编程软件为stpe7v5.4，组态软件用wincc。为方便操作人员操作，所有微机操作都是用鼠标，画面切换、各参数设定都采用鼠标点击画面上的按钮来实现，所有的操作界面都使用汉语。画面直观、易懂、操作方便。
系统用profibus总线与下位s7-300plc进行数据通讯，下位s7-300通过cp340通讯模块与上位机进行数据交换，使系统的软件和硬件组成一个完整的系统，保证系统高效稳定运行。
(2)人机界面：操作站上的人机界面有以下画面组成。
●各参数(纸张定量、水分、厚度、灰分等)信号横向显示，设5s画面更新一次；
●各参数(定量、水分、厚度、车速、liuliang、浓度、压力阀门开度等)历史趋势记录，设2秒钟更新周期。
●实时、动态、直观的显示各控制点的工艺流程。
●报警画面：操作员用鼠标点击报警按钮，就会切换到报警画面，操作员可直观的看到报警信号的工位号、报警类型、注释、报警时间和当前值(实时更新)，点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，操作员可进行相应的修改。所有的报警可通过复位按钮进行复位。
●历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括程控系统的启停、各参修改前和修改后的值等控制参数和工况参数设定界面。可存贮1年的历史数据库。