西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8全年质保
1、引言
用PLC做控制系统核心，成本较低，稳定性很高，程序编写调试方便，但PLC在人机对话、故障判断、在线修改等方面有一些不便，需要对编程非常熟悉的人员进行操作。并且，要想直观地了解生产过程和监控信号的动态变化必须选择一个上位机来配合PLC，才能组成较好的自动控制系统。本系统采用触摸屏与PLC通信，共同组成生产监控系统。
在橡塑机械生产制造业，生产现场情况复杂，油污多。普通的工业触摸屏的稳定性很难保证。而选用进口的触摸屏，性能较好，但在复杂环境中，寿命大大减短，其价格昂贵，必然增加生产成本。LEODO人机界面是由32位嵌入式微处理器、WinCE．net操作系统和组态软件构成的新颖的人机界面产品，适用于工业现场环境，安全可靠，可广泛应用于生产过程设备的操作和数据显示，它与传统的人机界面相比又增添了信息处理和网络功能。LEODO人机界面，功耗低，温升小，热稳定性相对较高，并且不怕遇到断电情况。
在工业测控软件中，组态软件能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口，实时趋势曲线等功能。并可运用PC机丰富的软硬件资源进行二次开发，方便地生成各种报表，为应用程序的开发提供了十分方便的平台，它在工业控制中运用越来越广泛。
在本系统中，利用ET组态软件构成监控画面。通过串行口与PLC进行通信，这样可实现对各种信号的监测以及现场数据的采集和处理。
2、系统配置
本控制系统由14路开关量和62路模拟量组成，人机界面与西门子200系列PLC通过人机界面上的串口COM1口连接实现通信，PLC与工业现场变频器通过PLC智能模块连接实现通信。系统整体配置如图1所示。
图1 系统配置简图
在ET组态软件中定义了串口类设备S7200PLC，串口号为COM1。设备定义结束后，定义62个I／0实型变量，分别与设备模拟量输入寄存器V连接，实现模拟量的采集。定义l4个I／0离散变量，分别与串口设备的输出寄存器连接，实现开关量的控制。
3、系统特点
本系统具有实时数据采集与监控显示功能。对于来自现场的三辊(上，中，下辊)主机状态，主机电流，主机速度，导开，卷取，冷却，贴合，喂料，摆料状态和速度等信号，进行实时监控，通过数值或图形来实时反映生产现场的信号变化隋况，并通过相应处理可存储于数据库，利用网络开发送到其它站点。本系统具有数据运算、保存及打印等功能。可将结果按照制定的格式保存到ET组态软件的内部数据库中，也可以将数据传送到外部通用数据库中。用户可利用历史曲线形式查询数据，并打印查询结果。
本系统可通过加密、设定用户权限等形式对一些操作进行限制，只要用户定义了记录报警和事件文件，系统将自动记录操作员的操作过程。
在线修改工程流程时也非常容易。
LEODO嵌入式人机界面内置bbbbbbsCE．net操作系统，它是一种紧凑，高效，可伸缩的操作系统，主要面向各种嵌入式系统和产品。bbbbbbsCE．net继承传统bbbbbbs系统的风格，具有多线程，多任务，完全抢占式的特点，专为严格资源限制的硬件系统所设计。其内嵌的ET1．0版嵌入式组态软件可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个系统的运行隋况、包括速度，浮辊位置，电流等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显报警画面，并向PLC发出相应动作指令，保存并记}乙故障发生的时间、原因等原始数据。
4、ET软件的设计
ET嵌入版1．0中用“工程”来表示组态软件组态生成的应用系统。创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统。建立工程的一般步骤为：构造数据库(定义变量)，定义设备，设计图形界面，建立动画连接，运行和调试。在进行设计的时候，它们不是独立的，而是交替进行的，需要综合考虑。
创建一个新工程，定义路径和名称，在设备选项中选定一个COM口，进行PLC连接。ET提供的设备连接向导对话框列出了工业生产常用的一些硬件设备(如PLC、板卡、智能仪表、变频器等)，并且已经根据这些常用设备各自的通信协议制作了相应的通信协议，使应用人员从繁琐的底层驱动程序中解脱出来。选择了西门子公司$7200系列PLC后，选择通信方式，并给定设备名称和地址，还要设置采样时间和通信参数。
进行动画画面的设计和变量的定义。双击数据词典，定义和编写系统所有变量。变量可以设为只读、只写和读写模式。对于既要采集PLC状态，又要实现对PLC的远程控制的变量设置为读写模式，而不需要向PLC发送命令的变量设置为只读，这样可以节省PLC扫描时间，加快系统进程，提高PLC效率。绘制图形画面时，双击画面选项，在弹出的绘图环境下绘制与橡塑三辊压延生产线相对应的监控画面。系统监控的设备较多，为更清楚明了地显示不同设备的各个参数，需要绘制多副画面，既方便显示，又方便现场操作员进行控制。主画面里利用ShowPicture(“画面名”)函数实现对其他画面的调用。绘制完流程画面后，将系统与要监控的参数和画面中的变量一一对应起来。这样HMI组态基本完成。
5、画面功能介绍
在ET组态软件中编制系统的组态界面。根据本系统的特点及实际使用情况，界面设计由系统生产线流程、配方、浮辊指示、主机状态、主机电流、主机速度、急停指示、卷取、导开、贴合、冷却、喂料、摆料及登陆标题栏等13个画面组成。
5.1 生产线流程图
从流程图上可观察生产过程，主要运行参数及输出控制参数。(图略)
在系统开始运行后，ET组态软件读取PLC监测到的三辊压延生产线的运行状态、控制各电机变频器的信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个三辊生产线的运行情况、包括整个系统的浮辊位置、模拟量示值、实时趋势曲线等，系统以数值及曲线两种方式反映数据的变化，LEODO人机界面内置硬盘，使得触摸屏在画面显示的还可以保存历史数据，方便了现场应用，并可以定时、实时打印数据或者整个画面。
生产线流程图下面的三个按钮下隐藏了三个按钮，都是停止按钮，只有当控制电机启动后才有效。启动、停止按钮通过命令语言函数BitSet()实现交替出现。
5.2 主机电流，速度和状态图
由三个画面共同描述，画面中的实时趋势曲线中的坐标并不表示实际值，而是将实际值放大或缩小的比例值，曲线只是描绘了参数的变化趋势，生动地体现主机可能存在的扰动和实际值对设定值的跟随隋况。
图2 主机电流界面
5.3 配方画面
在监控组态软件中，配方就是一个二维参数表，行表示变量的一组取值，列表示一组配方，即各变量的一种取值可能。可以通过名称访问已经定义好的配方，也可以在线修改，定制新配方，保存下载。对同一个生产过程可以通过改变其配方来生产不同批号的产品。配方变量一般设置为内存变量，保存在触摸屏系统硬件里。
5.4 急停指示
当有报警发生时，会自动弹出报警系统对话框，我们只有触摸复位按钮才能结束报警，以便继续工作。
图3 急停指示画面
5.5 卷取画面
卷取、导开，贴合，冷却，接取、摆料、喂料等画面设置相同。它们都是由卷径，电流和实际速度实时趋势曲线和离散数值描述的。
每幅画面都有设置用户登陆权限的标题栏，画面随时显示登陆用户名及用户登陆权限， 加强系统的安全性。
6、系统调试及运行情况
连接PC机和HMI，在PC机上运行ET，打开工程浏览器菜单“工具”下拉菜单“远程安装与调试”将组态工程下载到HMI，特别注意下载路径。用专用通信线PPI连接HMI和PLC，实现PLC与HMI通信。根据不同的设备逐一反复调整系统参数的配置使之达到佳工作状态，因为不同的设备对采集速率有不同的要求。重要的控制功能由稳定可靠的PLC去完成，当操作台发生故障时，不会影响控制，进而不会影响生产。制作HMI画面时，一定要符合用户的操作需求和习惯。
一年来的实际应用结果表明，采用LEODO人机界面，简化了控制系统结构，增加了许多功能，通过了用户苛刻的检验。ET组态软件能方便的实现复杂友好图形界面的编制，其本身与I／O设备通讯程序构成一个完整的系统，不需工程人员自行编制设备的通讯程序，这种方式既保证了运行系统的高效率，也方便了工程应用，是一种简便高效的工程应用系统。本监控系统大大提高
一、系统概述
某柴油机发电厂于15年前配套了9套柴油发电机组，采用西门子公司S5系列PLC实现柴油机组的核心控制和危急保护。经过十多年的运行,发生故障的危险大大增加,经常发生误动作,造成突然停机,对生产造成极大的影响.西门子公司已推出新一代的控制系统,老系统的备件价格逐渐加高,供货周期较长,部分设备已很难订到备件，无法满足电厂系统维护的要求,为节省长期投资,计划采用西门子新一代的控制系统逐步代替原有系统。
原有SIEMENS-S5系统结构如下图所示：
系统由以下几个部分组成：
1. 由S5-115U构成的柴油机控制系统
2. 由ET100U构成辅机系统
3. 由S5-95U构成安全系统
4. 由S5-95U构成的发电机控制系统
5. MP14显示系统
6. 以及由S5-95U构成的其他控制系统.
7. 上位监控与数据管理系统由COROS计算机构成
整套系统由SIEMENS的SINECL2-DP总线相连，数据信息经协议转换后由COROS完成上位机的监控功能。
二 系统要求
1． 采用成熟可靠的控制产品替代旧产品，保证控制产品升级和替换容易；
2． 系统升级要实现原系统的所有监控功能；
3． 根据现场实际需要，增加相应的监控；
4． 现场实施时间短，不影响系统的正常开机发电；
5． 升级后的系统必须稳定可靠，维护简单。
三 系统配置与功能实现
为了保证系统运行的高可靠性和系统改造的经济性，我们采用SIMATICS7-300控制系统替换原来的S5控制系统，采用成熟的人机界面软件WINCC替代原系统的COROS操作站，仅对有关的接口进行必要的修改。
系统网络结构如下图所示：
1．柴油机控制系统由带有Profibus DP通讯总线接口的新S7-CPU315-2DP控制器替换现有的S5-115U控制器；
2．由带有Profibus DP通讯总线接口的新远程I/O站ET200M替换辅机系统现有的ET100U；
3．安全系统和发电机系统的S5-95U控制器都替换成新的CPU313-2DP控制器；
4．S7-300PLC以及ET200之间通过Profibus-DP总线进行通讯，保持和现有系统网络结构的一致性；
5．安装WinCC操作站替代原有的COROS站，未改造的S5控制系统采用SIMATIC S5 PROGRAMMER PORTAS511通讯协议与WinCC之间通过RS232串口通讯，改造的S7系统采用PROFIBUS通讯协议，实现了在一台WINCC操作站上监控所有柴油机组；
6．WINCC操作站作为WINCC服务器，通过电厂内部局域网连接了若干台远程监控站，实现办公室的远程生产监控；
7．监控功能：操作员站作为监视、控制、维护和事故处理的HMI（人机界面），可以调出系统任何一个信息画面进行集中监视和控制。操作员、维护人员和系统工程师在操作站上根据口令等级进行常规控制、复杂控制、系统维护、控制环节的建立和扩充。为了实现对生产过程的监控，我们通过组态主要提供以下操作画面：
A． 操作菜单画面
B． 系统总貌画面
C． 用户流程图画面
D． 趋势显示画面
E． 测点总览画面
F． 报警查询画面
G． 打印功能
8． 主要监控界面
四 使用效果分析
通过本次改造实现了原有的全部控制功能，在原有操作监视功能的基础上实现了诸如历史趋势、报警查询等用户定制的实用功能，为厂方进行生产管理和事故分析提供了强有力的工具。由于S7相对于S5更强大的功能，使得无论是系统响应速度还是维护调试都较之以前都有很大的改观。系统改造完成到现在已经安全稳定运行2年，得到了厂方运行人员和管理人员的普遍好评。
五 结束语
西门子的S5系统作为S7系统的上一代产品，曾经是非常的控制系统。随着S7系统的推出，老的S5系统诸如配件短缺、相关技术支持资源缺乏等问题日益突出，导致系统的维护难度日益增大。将S5系统升级为S7系统不失为一个理想的解决办法，不仅可以保证系统功能的完全保留，备品备件、调试维护等问题都得以解决。
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、提高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，提高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，提高可靠性。
(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
●STX STX是单字节的ASCⅡ STX字符(值为02),表示报文的开始。
●LGE LAE是单字节区域，表示报文中LAE区域后的字节数。
●ADR ADR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。
●BCC BCC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。
●IND IND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。
●VAL VAL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/HIW HSW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提高，提高了产品的的可靠性，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。