西门子6ES7214-2BD23-0XB8诚信经营
引言
中国发明造纸术曾对推动人类文明的进步做出巨大贡献。造纸工业在经历了手工业、机械化和自动化三个技术发展阶段后，目前达到了相当高的生产水平和技术水平，使造纸工业的生产形成了高速、高效、高质量、低消耗、低污染、连续化、自动化的作业系统。
我们设计的造纸工业分布式控制系统（DCS）之监控系统是利用S7-300与WinCC之间通信实现的。该系统主要可应用在对各测控点有严格要求，且需对大量测控点进行巡回检测、实时监控的生产过程系统，并能对测控点如温度、压力、liuliang、液位、浓度等进行自动显示，从而为其生产过程的自动化及实现智能控制、优化控制奠定基础。
1 DCS控制系统软硬件总体设计
DCS控制系统以PLC（如S7-300）与工控机为硬件基础，以Step7与WinCC为开发平台开发其数据通道，完成数据总线的软硬件设计，从而将工业现场的各种需要采集的信号（如电压，电流等）通过各种传感器进行采集，输入给现场监控节点，再通过总线向上位PC机传送，上位机发送数据信息和控制命令，监控节点根据命令对现场的执行器进行控制操作。
典型纸机测控系统常由以下部分组成：流送部自控系统，水分定量控制系统，热泵供汽部自控系统和传动部自控系统等[1,2]。可据厂方提供的技术资料和工艺要求，确定系统测控点数，继而选用若干套西门子PLC、操作员站及若干智能调节器完成对现场各测控点的检测、显示及控制。其中由车间级管理计算机及现场控制计算机一起构成车间级DCS系统，完成在造纸工艺中抄纸品种或车速变化时的协调控制，使整台纸机很快进入新的工作状态。车间与厂部通过光缆连接进行数据传输，将车间的各种信息以图形、表格等形式，实时地送往厂部管理级[3]。
纸机DCS控制系统的总体设计框图如图1所示。
PLC资料网
图1 纸机DCS控制系统的总体设计框图
2 WinCC组态
工控组态软件WinCC（视窗控制中心），为西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司软件功能结合的产物，是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统, 。利用WinCC可根据造纸工艺要求与控制内容，完成流送部工艺流程图、热泵供汽示意图、水分定量纵向与横向扫描图、线压力指示图、网络通信状态图、各电机顺序控制图、报警指示图等功能模块的设计，并将所有的压力、liuliang、液位、浓度等信号在计算机上以动态图形显示。系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，定时报表打印。WinCC提供多种PLC的驱动软件, 使PLC与上位机的联接变得非常方便, 如果将WinCC与STEP7合用, 更是大幅度降低工程设计及投运时间。 我们还可利用WinCC中的C语言脚本（bbbbbb）及提供的与数据库之间的接口更增加其应用功能, 从而能满足用户的复杂要求。
3 S7-300组态
德国西门子公司的可编程控制器（PLC）S7-300采用模块化设计, 在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块。 S7的网络有以下几种典型类型:多点接口网络（MPI）、PROFIBUS现场总线、工业以太网、TCP/IP协议网络[4,5]。在造纸DCS中，我们主要利用MPI和PROFIBUS现场总线实现数据通信。
3.1 MPI网络
S7-300 CPU模块上有一标准化MPI接口, 该接口既是编程接口又是数据通信接口, 使用S7协议, 通过此接口PLC之间、或与上位计算机之间可进行数据传输, 从而构成MPI网络。
3.2 PROFIBUS现场总线
通信处理器CP模块上有一个RS485接口, 利用此接口即可构成PROFIBUS现场总线, 实现PLC之间、PLC与上位计算机之间的数据通信。
3.3 相应参数设置
计算机作为编程装置, 配备专用的通信卡（如CP5412）, 运行S7-300编程软件包STEP7, 先对计算机进行相应参数设置, 主要有：通信端口的设置, MPI地址设定, 数据传输速率设置等; 通过MPI端口对S7-300进行硬件组态, 即对S7-300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处理器CP等按其实际配置类型和物理地址进行组态, 其中在CPU的组态中设置MPI地址, 后将组态程序下载到PLC以确认。依次完成各PLC的组态后, 便构建了MPI网络。
在此基础上, 将各PLC的通信端口由MPI口切换到通信处理器CP的RS485口。设定各节点的通信地址, 选择相应的PROFIBUS通信协议, 即便可构建PROFIBUS现场总线。
4 WinCC与S7-300之间通信的实现方法
在建立的WinCC项目中标签管理（Tag Management）中选择添加PLC驱动程序, 若要建立一个多点接口网络MPI, 选择支持S7协议的通信驱动程序SIMATICS7 ProtocolSuite.CHN, 在其中的“MPI”项联接各S7-300, 并且要设置节点名、MPI地址等参数, MPI地址须与PLC中设置的相同。
若采用PROFIBUS现场总线设置方法与采用MPI网络类似, 但须选择支持PROFIBUS协议的通信驱动程序。此时, 便建立了WinCC与PLC之间的通信连接。
在组态完的S7-300下设置标签, 每个标签有三个设置项: 标签名、数据类型、地址, 其中重要的是标签地址, 它定义了此标签与S7-300中某一确定地址如某一输入位、输出位或标志位等一一对应的关系。设置标签地址可以直接利用在STEP7中配置的变量表,如设置标签地址为Q0 0, 表示S7-300中输出地址Q0 0。 以此方法, 将S7-300与WinCC之间需要通信的数据一一定义标签, 即完成了S7-300与WinCC之间的数据通信。
5 结论
利用WinCC与S7-300之间通信进行DCS系统设计综合了计算机和PLC的长处：计算机作为上位机提供良好的人机界面,进行系统的监控和管理;作为基础级的PLC（S7-300）执行可靠、有效的分散控制。本设计从2002年始在多家纸厂DCS系统投入运行。运行结果表明，WinCC与S7-300之间通信可以在造纸过程准确、快速、稳定的进行数据测量、发送，为其生产过程的自动化及其优化控制提供了良好的的条件。
工业现场经常要采集多点数据，模拟信号或开关信号，一般用到RS485总线，使用一主带多从的通信方式，该种方式接线方便只需要两根屏蔽电缆线，通信距离远大可支持1500m，加中继器还可延长通信距离，采用差分信号方式抗电磁干扰好。但该方式通信速度不能太快，一般采用主从召唤的方式采集各子单元的数据，即主单元依次召唤各子单元(见图1)，召唤到哪个单元哪个单元上传数据，总线的使用权完全由主单元分配，各子单元不能擅自占领总线。如果系统的单元多，主单元循环采集一周的时间就很长，子单元信息变化时不能及时发送给主单元，导致系统对突变事件的反应处理速度慢。本文通过总线状态检测、从机主动上发的方式解决。
图1 常规RS485总线主从方式接口图
硬件设计
整个系统由主单元和多个子单元组成(图2)，主单元包括：ARM7微控制器、程序存储器、数据存储器、与子单元通信RS485、与主单元通信RS485、系统电源和通信隔离电源；子单元包括：MSP430单片机、与子单元通信RS485、系统电源和通信隔离电源。
图2 系统框图
主单元
ARM微控制器是主单元的核心，采用三星32位ARM7TDMI内核芯片S3C44B0，该芯片高处理速度可达76MHZ，总线开放，可外扩程序存储器FLASH和数据存储器SDRAM，该系统外扩了SST公司生产的39VF1601和现代生产的HY57V641620HG，2个UART串行接口，使用ADI的隔离RS485芯片ADM2483进行接口电平转换，总线状态检测使用74HC125三态门芯片。
子单元
子单元的微控制器使用TI的MSP430F133单片机，该单片机处理速度可达8MHz，8K字节片内FLASH存储，256K字节片内SRAM。
电源电路
电源电路采用开关电源供电，开关电源输入电压范围比较宽，输出直流电压5V，通过SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片输出3.3V电源。RS485需要的隔离5V电源通过DC-DC模块得到。
总线检测电路
总线状态检测使用74HC125三态门芯片和单片机的两个I/O(图3)，当系统都不使用总线时，每个单元的74HC125都输出高阻状态，此时总线为低电平，当有单元要使用总线时，他检测总线状态，如果总线为低电平，该单元迅速把74HC125改为输出状态，此时总线变为高电平，该单元占领总线，往总线上发送数据，发送数据完成再把74HC125改为高阻状态。如果检测到总线是高电平，等待检测，直到总线变低后再占领总线。
图3 总线检测电路
隔离485电路
使用ADI的ADM2483芯片进行接口电平转换(图4)，该芯片属于隔离485，双电源供电输入输出隔离。
图4 隔离485电路
软件设计
主机程序部分需要实现各从机上传数据的接收、处理和上传。主机接收子单元信息通过一个RS485串口实现，数据格式为16进制，数据位8位，1个起始位，1个结束位，无寄偶校验位，波特率9600bps。采用串行口中断的方式接收，主机程序初始化完成后等待各从机发送信息，当主机接收到个字节后，判断该字节是否为设备号，如果不是设备号，接收个数清零，如果是设备号继续接收第二个字节；判定第二个字节是否为正确的功能码，如果功能码错误，接收个数清零重新接收，功能码正确；接收第三个字节，该字节为从单元发送信息的字节个数x，计算从单元发送总字节个数为M=X+3+2,3个开头字节和2个CRC校验码，主机接收到M个字节后，判断CRC校验码是否正确，错误舍弃所有信息，正确则把从单元的信息保存到数据区，该次接收结束，主机继续等待接收。
信息的上传通过一个RS232串口实现。当主机接收到从机信息后，进行数据的处理，发现从单元信息发生变化，主机准备把从机信息发送到上位机，重新初始化发送缓冲区，通过中断的方式依次发送信息到上位机，发送信息包括设备号、功能码、发送字节个数、信息字节和CRC校验码。
主机单元接收数据流程图示于图5。
图5 程序流程图
结语
笔者所设计的系统实现了开关信号的多点监测，一个主机单元，32个从机单元，每个从机单元监测32个开关，该系统共可监测1024个开关，使用9600bps的波特率。采用主从召换的方式，开关信号监测的反应时间一般要用20-30s，使用该种总线检测的方式，开关信号的反应速度慢也不超过1s，快时只有几百ms，大大tigao反应时间，并且由于不用时时召唤，总线数据流少，tigao了总线的稳定
1 引言
计算机及通讯技术已成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在系统中的比重正在迅速增加。在一个自动化系统中，交、直流调速器不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，它们相互之间及同控制系统之间可以通过各种通讯方式结合成一个有机的整体。西门子变频器USS自由口通信以其通信质量高、成本低廉在自动化系统得到了广泛的应用。本文以USS自由口通信在石油钻机电气传动系统中的实际应用为例，对自由口使用的地址分配，通信程序实现进行了较详细的分析，该思路不仅用于PLC来保证通信质量，对于用语言在PC实现的通信程序编制、tigao通信的可靠性都具有一定的借鉴意义。
2 USS通信
2.1USS概况
西门子交、直流调速器采用的USS通讯协议是西门子公司为传动系统开发的通讯协议，可支持交直流驱动器同PC或PLC之间建立通讯联接，适用于规模较小的自动化系统。有以下特点:
(1)用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子交、直流驱动器都可采用USS协议作为通信链路，原先的驱动器间是孤立的，仅有极少量通过硬件电路反馈信号。
(2) 数字化的信息传递，tigao了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。
(3)其通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，远可达1000m，可有效地减少控制电缆的数量，原系统中需要20芯控制电缆一般在4根以上，现在只需工作电源就可以，从而可以大大减少开发和工程费用，tigao可靠性。
(4)通讯速率较高，可达187.5kbps。对于有5个变频器，每个调速器有六个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒。
(5)它采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单主站、主从存取方式。报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动停止、逻辑锁定、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性与可靠性。
2.2 西门子USS通信协议 [1]
(1) 协议概况
●Siemens驱动器所定义的USS协议，是Profibus通信协议的简化，通过其总线可以连接31个节点，传输速率可以达到19.2k比特率，通过主站(PC、PLC)进行控制。
●USS总线上的每个传动装置都有一个站号，主站通过它识别每个传动装置。
●USS可以是主从结构:从站回应主站发来的报文并发送报文。也可以是广播通讯方式:报文发送给所有的传动装置。
(2) 协议说明
所有数据报文都由14个字节组成，是标准的异步报文格式:1个起始位，8个数据位，一个偶校验位和一个停止位。数据报文的结构如下:
主站到从站的报文格式:
从站到主站的报文格式:
(3)USS协议报文描述
●STXSTX是单字节的ASCⅡ STX字符(值为02),表示报文的开始。
●LGELAE是单字节区域，表示报文中LAE区域后的字节数。
●ADRADR是单字节区域，包含从站传动装置的地址::
其中位5是广播位。选择是否将这报文以广播方式发送给总线上的所有驱动器，位0~4是驱动器总线地址。
●BCCBCC是单字节区域，对报文中该区域以前所有的字节进行异或校验。
●INDIND是16位的区域，通用传动装置应设为0。
●PKEPKE是16位的区域，用来控制传动装置的参数读写，定义如下:位0~10为参数号，位12~15为参数读写控制，如2038H，2代表读参数，38H表示十进制ID为56的参数。
●VALVAL是16位的区域，通过读写参数命令将参数值写到对应的参数ID中。
STW是16位的控制字区域，控制传动装置的运行，如047F表控制电机正向运行。
ZSW是16位的状态字区域，表示传动装置不同的运行状态。
●HSW/HIWHSW是设定电机速度的16位的区域。如4000H对应额定速度的
HIW是读取电机速度的16位区域，可以读出电机速度。如当前转速=(HIW×额定速度)/4000H。
3 自由口设定
3.1钻机传动系统设备配置
多年来，我国钻机市场一直以机械钻机为主，通过柴油发电机带动变速齿轮箱来调节绞车和泥浆泵的转速，效率低下，耗能高，故障率高。随着国际钻机市场电驱动钻机的推广与普及，我国的钻机经历了购买二手旧钻机，进口新钻机到自主生产的过程，在此基础上，钻机也进行了一次大的更新，从模拟电路控制直流传动到数字化的直流传动设备，再到到高性能的具有通信功能的传动设备;在钻机实现自动化过程也经历了由继电器到开关量PLC再到高性能PLC(模拟量+总线通讯)的过程，现阶段钻机设备配置以高性能PLC控制为主，通过通讯功能读取数据和并根据工况改写驱动器的相关数据，这样先进的控制理论(模糊控制、神经网络控制等)就很容易的通过上位机实现，从而控制交直流驱动器实现调速的智能化。该系统通过S7-200CPU226作为主站，五台6SE71系列变频器作为从站，其中650kW的变频器带动绞车/钻机，500kW的变频器两两同步工作，带动1300系列的泥浆泵，参见图1。
图1 USS通讯系统配置
3.2 自由口用户数据存储器[3]
在USS协议中，用户数据存储器分配如附表:
附表
驱动器参数设定区 VB0-VB39共40个字节
发送/接受缓冲区 从VB40开始，用户自由分配
系统数据区 VB4022-VB4095共74个字节
其中驱动器参数设定区主要完成从站数目(VB0)、每个从站LAE长度设定(VB1-VB31)、广播传送方式LAE(VB33)长度、传送时间(VW34)，初始化发送/接受缓冲区首地址(VD36)(设定值为VB40-VB4021)，其中V表示可变、B为字节、W为字、D为双字。
3.3 用户数据区设定
在USS协议中每个从站需要44个字节，发送/接受缓冲区各占22个字节(对应从站+USS协议(发送+接受)+状态位)，其中状态位表示数据发送状态，在该系统中发送/接收首地址设为VB2000，用户数据区以循环方式传送数据时分配如下:
绞车:从站1，地址 VB2000-2043
泥浆泵1的A变频器:从站2，地址 VB2044-2087
泥浆泵1的B变频器:从站3，地址 VB2088-2131
泥浆泵2的A变频器:从站4，地址 VB2132-2175
泥浆泵1的B变频器:从站5，地址 VB2176-2219
以广播方式发送数据时地址如下:
只有发送缓冲区:VB2220-2263，接受缓冲区同上
定义完数据区后，就可以根据每个地址的功能，在PLC编程时写入相应的控制字就可以完成控制功能。
3.4 通信功能设定
CPU处于STOP模式时，自由端口模式为禁止，建立与其它协议的通讯，只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由口模式，这时通过自由口控制字SMB30来完成设置，如:MOVB16#49，SMB30就将自由口0设为自由端口协议，波特率9600kbps，数据位为8，偶校验。
4程序编制[2][3]
系统功能由主程序OB1和三个子程序SBR0、SBR1和SBR2组成。图2列出主要程序段的工作流程。
图2 主要程序段的工作流程图
(1) OB1:完成循环调用子程序功能
(2) SBR0:系统初始化
(3) SBR1:通讯中断/事件调用(中断0~中断7，根据通信协议完成数据的传送和接收功能)
(4)SBR2:按照前面的分配地址和要实现的功能编写功能程序，实现要求的输入输出信号间的逻辑功能、数字滤波、PI调节，以及变频器参数的读写，控制字和速度给定的发送，变频器工作状态的读取等功能。
(5) 中断0:完成发送/广播的初始化，监视发送过程、监视发送延时、发送错误
(6) 中断2:发送完成
(7) 中断3~6:接收到基本接收缓冲区后，进行校验，校验数后翼数据块的方式将数据发到当前站的数据接收缓冲区。
(8) 中断7:接受任何一个字符超过时间，执行中断7，进行状态复位，结束中断。
5 变频器设定[4]
变频器选用MASTERDRIVER6SE71系列工程型变频器，工作电机为永济电机厂生产风冷方式的鼠笼式三相异步交流变频电机，变频器控制方式采用矢量控制控制，负载模式选为标准，通过变频器进行电机识别后即可使用，通信接口对应接口板CUVC上的X101端子10(RS485P)，11(RS-485N)，电机起停控制位P554.1=6100，其余控制位(停车方式、旋转方向等)依次类推。P734.1~16读取需要采集的电机参数在变频器中的连接字地址编号;P918.0/从站地址和PLC设定保持一致;P053=34(PMU+SST2);控制字的第十位必须为1来激活通信;再将通信所发控制字及给定发到接口地址……;在总线起端和末端接终端电阻。
为了降低电磁干扰，采用屏蔽的双绞线，其中屏蔽线单端接地。
6结束语
通过使用和比较，采用USS自由口通信不需任何附加板，就可实现变频器数据的存取，通信质量高，以低廉的成本实现自动化系统。从而可以大大减少开发和工程费用，和以前的继电器控制相比，降低了系统的电气复杂性(很多逻辑和保护功能都要靠继电器间的相互锁定来实现，实现复杂，故障率高，检修时间长)，系统的逻辑性能得到较大的tigao，tigao了产品的的可靠性，降低了由电气故障造成的停机时间。
以上结论经过胜利油田所购设备在南阳二机厂通过调试，并在油田的实际使用中得到了验证，目前该设备已经完井多口，运行良好。