西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0全年质保
一、 项目简介
能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。将军烟草集团有限公司成立于1993年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上先进的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工5000 余人，总资产 73 亿元，是全国烟草行业 36 家重点企业之一。
本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。
二、 系统介绍
本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。
本系统CPU主站选用Siemens 的SimaticS7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用SimaticWinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。
系统清单如下表
三、 控制系统构成
1．系统的结构：系统配置如图1所示。
图1 能源管理监测系统图
本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过ProfibusDP相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递。
2．软件设计
本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATICWinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCCClient），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用VisualBasic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。
（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽流量补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）流程图如下：
图3 主程序（组织块OB1）流程图
（2）上位机WinCC程序：根据客户的要求，使用WinCC编写友好的上位机人机界面。如下图：
图2 上位机空压气分布界面
3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择
能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。
（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。
缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。
（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。
缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。
（3）方案三：OPC通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。
（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。
图3 方案三示意图
四、 控制系统完成的功能
1．系统主要功能
本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：
(1)实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。
（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。
（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。
（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表
（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。
2．项目中的技术难点
用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。
五、 结束语
本系统已经投入使用，系统运行可靠稳定，提高了数据的可靠性、正确性和计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。并且极大的节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担，并取得了良好的社会效益和经济效益。
摘 要:鉴于通信问题是现场总线控制系统集成的一个主要问题 ,本文探讨了现场总线的拓扑结构 ,以 Profibus- DP工控网为基础,分析了其通信机理和链接方式 ,并建立了基于 PLC的主从站式控制现场总线网络。阐述了实现 Profibus- DP变频器控制通讯的原理及方法 ,并结合具体项目介绍了采用西门子 PLC之间以及和ABB变频器的总线通讯。
关键词:现场总线; Profibus; 主站; 从站; 变频器
1 引言
现场总线技术的开发目标是打破 DCS系统孤立、开放程度低的现状 ,建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统 ,并建立统一的工厂底层信息网络 ,任何遵守相同标准的不同厂家生产的设备均可与之连接 ,实现信息交换和互可操作 ,实现设备即插即用。现场总线作为一门新兴的控制技术 ,目前正处于发展阶段 ,技术还不成熟。当前在国际上有影响的现场总线标准很多（单是 1999 年 IEC 组织投票通过的现场总线IEC61158就有八九种） 。协议的不统一 ,给现场总线控制系统的集成带来了很大困难 ,无法实现互可替换和互可操作 ,并严重阻碍了现场总线控制系统的推广和应用。对此 ,本文针对不同厂商生产的现场总线设备 ,采用在国际上有很大影响力的 Profibus现场总线的相互连接和通信进行研究 , 并结合贵州水钢焦化厂鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用 Profibus - DP现场总线技术的变频器通讯原理及实现方法。
2 Profibus 通讯原理
2.1 总线拓扑结构
Profibus系统有 3 种总线拓扑结构: RS485、光纤和符合IEC1158- 2（Profibus - PA）的总线拓扑。DPΠFMS采用 RS485 连接 ,通信介质采用屏蔽双绞线或光缆 ,通信距离从 100～1200m,速率范围为96kbps～12Mbps。系统中大站点数为127个 ,当系统中需连接的站多于 时 使用中继器相连接。使用中继器可32 ,以实现树型和星型总线结构。 采用PA IEC1158 - 2连接技术。
2.2 通信实现原理
Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现 Profibus通信 ,通信分主站和从站。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式 ,拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权 ,决定系统的通信 ,它采用主 - 从原理以轮循方式与从站通信 ,采用循环或非循环报文实现主 - 主通信。系统可以配置为单主 -从、多主多从或前两者的混合系统。系统中相应地使用令牌总线程序和主 - 从完成数据通信。
（1）令牌总线程序 连接到 Profibus网络上的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主站是一个接一个地排列的 ,控制令牌总按这个顺序从一个站传递到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力 ,并用特殊的令牌帧在主站间传递。具有总线地址 HAS（高站地址）的站点例外 ,它只传递令牌给具有低总线地址的站点 ,以使逻辑令牌环闭合。在总线初始化和启动阶段 ,总线存取控制通过辨认主动节点来建立令牌环。为了管理控制令牌 ,MAC程序自动地判定总线上所有主动节点的地址 ,并将这些节点及它们的节点地址都记录在LAS（主动站表）中。对于令牌管理而言 ,使用了两个地址概念: PS节点（前一站）的地址 ,即下一站是从此站接收到令牌的;NS节点（下一站）的地址 ,即令牌传递给此站。在运行期间 ,为了从令牌环中去掉有故障的主动节点或增加新的主动节点到令牌环中而不影响总线上的数据通信 ,也需要LAS。
（2）主 - 从程序 在主 - 从系统中 ,主站与从站采用主 - 从程序实现通信。主 - 从系统允许主站当前有权发送、存取指定给它的从站设备 ,这些从站是被动节点。主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。典型的 Profibus - DP总线配置是以主- 从总线存取程序为基础的 ,DP主站循环地与 DP从站交换数据 。
3 通信互连设计
3.1 系统结构及设计
该系统以 Siemens公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在 Profibus- DP网中的通讯及控制机理 。图 1 为Profibus- DP网的一种典型配置 ,本系统为主从、多厂商设备的DP通讯系统 ,从站设备有简单从站直至功能较强大的智能从站 ,如变频器、S7 - 200PLC,等 ,主站为 Siemens公司的 SIMATICS7- 315 - 2DP,带 CP5611 的 PC站可做二类 DP主站 ,用于编程、诊断等功能。交流变频器为 ACS627型 ,NPBA - 12为与之配套的通讯适配器 ,上位机中装有 STEP 7 软件 ,用于对 S7 - 300 PLC编程和对 Profibus- DP网进行组态和通讯设置。Profibus系统配置相当灵活 ,网络允许单子网或多子网配置 ,既允许单主 - 从系统运作 ,也允许多主站系统构成的多主 - 从系统运作。
（1）由 PC站、S7 - 300PLC、变频器和远程 IΠOS7 - 200组成的主 - 从系统 智能前端设备 ACS627 型变频器与 NPBA - 12 通讯适配器模块相连 ,接入 Profibus- DP网中作为从站 ,接受从主站SIMATIC S7 - 315 - 2DP来的控制。NPBA - 12 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 ,双向 RAM中的每一个字都被编址 ,在变频器端的双向 RAM可通过被编址参数排序 ,向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量 。
（2）远程 IOS7 - 200 作为简单从站也挂在主站 CPU315 -Π2DP上 ,完成高压开关部分的连锁控制。
（3）PC站作监控站 ,也作为二类主站 ,完成 S7 - 300 系统的组态、下载和诊断功能。现场过程对象的控制由 S7 -300PLC来完成。
3.2 通信编程
（1） 利用 GSD 文件完成开放式组态 设备数据库文件（GSD）描述了 Profibus设备的功能、特性及总线参数。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中 ,不同的厂商为其DP设备提供有相应的 DP网络配置及 GSD组态工具。
（2）编程实例 就该系统中 PLC（主站）与 ABB 变频器（从站）通讯来考虑 ,实质上是一个过程数据互连的问题。过程数据互连为连接设定值和控制位到 NPBA - 12 的双端口 RAM寄存器 ,包括设定值通道主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视 。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口 RAM 时 ,被传送的过程数据才是有效的。在 S7 - 315 - 2DP与变频器通讯时 ,因为连接驱动装置从站的数据是一个整体 ,如果数据多于4个字节 ,它们会成为连续数据 ,而 S7系统中 ,数据类型大是双字（4 个字节） ,只有当它们被分开后才能被读出 ,需要在主程序中调用两个功能块 SFC14 和 SFC15 来读写这些数据 ,实现对变频器的通信控制。
主站S7 - 315 - 2DP和从站S7 - 200（CPU224）之间的 Profibus- DP通信通过 EM277模块将 S7 - 224作为DP从站连入网络来实现通信。主站 S7 - 315 - 2DP的网络配置使用 STEP7 - 5.1 来完成 ,从站 S7 - 200 的 DP 通信编程在软件 STEP7 Micro/WIN32V3.1完成 ,使用输入和输出缓冲区。该缓冲区驻留在 S7- 200的变量存储区（V存储区） ,要求参数赋值中必须包含V存储区的缓冲区的起始位置及输入输出的数据量 ,以确定缓冲区的大小 。
4 结论
从以上的讨论可知 ,Profibus - DP网只有三层结构 ,是一种低级的工业局域网 ,而使用了主 - 从方式的介质存取控制方式 ,使得该网的实时性远远高于其它局域网 ,特别适合用于工业现场。该网在本项目的运用中效果良好 ,从站 ABB 变频器、S7 - 200与主站 S7 - 300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时 ,也存在一定的缺陷 ,如若向网中增加或删减站点时 ,就要重新初始化整个网络 ,并对各站重新排序 ,这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的集散型控制技术 （DCS）相比 ,Profibus- DP网有着无可比拟的优点 。 ,在 DCS系统中 ,仪表是非智能化的设备 ,它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输.而 FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用 ,具有智能化的特点 ; ,将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析 ,从而实现了“危险分散”,增加了整个系统的可靠性; ,采用了开放式的结构和统一的 ,网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程 ,即兼顾了产品的兼容性。后 ,Profibus- DP网络传输速度高、抗干扰能力强 ,是一种性能优良的现场总线控制网络。