西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0

西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0

 TSI系统（汽轮机状态监视和保护系统）和ETS系统（汽轮机危机跳闸系统）是火力发电厂保证汽轮机和发电机正常运转的重要设备，在火力发电企业运用十分普遍。在当前的大部分应用中，这两套系统是互相独立的，一般由专业的TSI设备供应商提供TSI系统，而ETS系统则用通用的PLC来构建。但事实上两套系统之间存在着很多联系，TSI系统的输出往往是ETS系统的输入。如果能使两套系统有机融合，不仅可以节省成本，更可以使系统结构简化，从而提高可靠性。 

    针对以上情况，我公司选用科威公司的ESAY嵌入式PLC芯片构建了ETS系统的核心控制模块，通过CAN现场总线与我公司的现场总线TSI系统实现有机融合，相当完美地解决了当前ETS系统存在的诸多问题。

一、总体设计
    EASY 嵌入式PLC 芯片有两个uart串口和一个CAN接口以及32个IO引脚。该芯片的CAN接口已经加载科威公司的CAN应用层协议，这是一个主从式的协议，通讯速率160K。我公司的TSI系统使用的MVCAN－2 CAN应用层协议是一个多主结构的协议，通讯速率可以是10K、125K、250K和500K。由于协议不同，TSI系统并不能直接使用EASY 嵌入式PLC 芯片的CAN接口与其通讯。为解决这个问题，将ETS控制模块设计成双CPU结构。使用8位MCU P89V51RD2和独立CAN控制器SJA1000扩展出另一个CAN通讯口，在该通讯口加载MVCAN－2协议，实现与TSI系统的连接。P89V51RD2和EASY 嵌入式PLC 芯片之间通过两片IDT7202交换数据。IDT7202是一种双端口的FIFO（先入先出）缓冲器，内部有1024×9位FIFO RAM。

二、硬件实现
    P89V51RD2通过地址、数据和写信号线连接到其中一片IDT7202的写入端口，并通过地址、数据和读信号线连接到另一片IDT7202的读出端口；嵌入式PLC 芯片只有通用IO引脚，没有、数据和读写信号线，只能用通用IO来模拟读写操作。具体做法是将嵌入式PLC 芯片的P1口当作1个8位数据端口分别与两个IDT7202的另一组读取和写入端口连接，P3.0、P3.1、P3.2用作读、写、使能信号,P4.0、P4.1、P4.2用作状态判断信号。用嵌入式PLC 芯片的P2口扩展了8个继电器输出，嵌入式PLC 芯片的其它接口和特性均按典型应用进行设计。将P89V51RD2的uart串口设计为rs232标准串口，该串口在设置时用于下载TSI系统的配置文件，运行时加载MODBUS协议用于与上位机或其它设备通信。*后完成的ETS控制器具有以下功能：继电器输出，1个CAN接口与TSI系统互联，另一个CAN接口可用于IO扩展和ETS控制器间互联，COM1串口用于梯形图下载和PLC监控，COM2用于CAN组态和PLC通讯，COM3（由P89V51RD2扩展）用于TSI配置下载和TSI数据监控。

三、软件实现

    软件由两部分组成。一部分是运行于P89V51RD2中的软件，另一部分是嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件。

    运行于P89V51RD2中的软件使用C语言编写。软件被设计为两种工作模式：设置模式和工作模式。在设置模式下，用户使用PC通过串口将TSI系统的配置文件传递给P89V51RD2，P89V51RD2将文件存储于内部FLASH中；在工作模式下，P89V51RD2按照配置文件解析由SJA1000接收到的TSI系统数据，并将数据按照一定格式通过IDT7202传输给嵌入式PLC。同时，由嵌入式PLC通过IDT7202发来的数据经解析后通过SJA1000发送到TSI系统。

    嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件基于科威公司提供的汇编语言框架编写。首先解决使用通用IO来模拟IDT7202的读写操作，以下是读写IDT7202的程序：

    可编程逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller），简称可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术发展而来的一种新型工业控制装置。它问世于20世纪60年代，到现在仍保持旺盛的发展势头。它具有体积小、功能丰富、配置灵活、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高、编程方便、价格便宜等优点，广泛用于电力、机械、冶金、化工、轻纺等各个工业过程自动控制中。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的过程控制网络。 

    现场总线技术是20世纪80年代后期发展起来的，它是目前自动化领域中的一个热点，是新一代控制系统的发展方向，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线则是连接现场智能设备和自动化控制设备的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是数字智能现场装置。分散在各个现场的数字智能现场装置通过现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起构成现场总线控制系统（FCS—Fieldbus Control System）。

    现场总线技术实际上是采用串行和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单；（2）开放性；（3）实时性；（4）可靠性；（5）诊断；（6）硬件灵活。

    目前，国际上各种各样的现场总线有很多种，统一的国际标准尚未建立。其中有较强实力和影响的有： FF（Foundation Fieldbus 基金会现场总线）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）、Profibus（Process Field Bus 过程现场总线）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作网络）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 执行器传感器接口）等。

    基于PPC工业计算机、PLC及现场总线的电气控制系统在工业自动化领域，如冶金、电力、石化、矿山、水泥、水处理、乳品饮料、啤酒罐装、加工、机械装配、产品包装等已得到广泛的应用，但是在铁路大型养路机械电气控制系统中还没有广泛应用。本文根据铁路大型养路机械控制系统的特点，提出一种基于PPC工业计算机、PLC及INTERBUS现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统的设计方案。

2 现状

    养路机械化是实现铁路维修养护现代化、保铁路不间断运输和行车安全的重要技术手段。为适应铁路快速、重载以及轨道结构重型化的技术发展要求，发达国家铁路相继采用大型养路机械进行铁路线路维护，到上世纪80年代末，已基本形成以大型养路机械为主要作业手段的格局。而此时，我国还在依靠手工、小型机械和非标准自制设备进行线路维护，作业质量差、效率低，特别是在繁忙干线，线路维护与运营的矛盾尤其突出。

    上世纪80年代初期，我国从奥地利普拉塞—陶依尔公司引进了先进的大型养路机械制造技术，确立了大型养路机械的发展采取“技术引进—消化、吸收—国产化生产—开发、创新”的途径。通过20多年的引进技术和国产化生产，我们学习了国外大型养路机械的先进技术，更新了传统的设计观念，拓宽了开发思路，增强了开发具有自主知识产权产品的能力。

    随着铁路的跨越式发展和市场竞争的加剧，加快推进大型养路机械引进、消化、吸收国外先进技术的进程，加快具有自主知识产权产品的研发，加快新产品开发速度，发展核心技术，创新和追赶已经成为现阶段工作的重中之重，已经刻不容缓。

    铁路大型养路机械是集机械、液压、气动、电气、计算机、激光等技术于一体的铁路专用机械。按功能分有以下系列：清筛机、捣固车、配碴车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车、焊轨车、道岔铺换机组等。对于不同功能的铁路大型养路机械电气控制系统来说，其本质的区别在于作业监视控制系统。到目前为止，我国的清筛机、捣固车、配碴车、稳定车等铁路大型养路机械的技术主要是在引进、消化吸收奥地利普拉塞—陶依尔公司铁路大型养路机械技术的基础上发展起来的，它属于模拟集中式控制系统，它主要由以下子系统组成：

    （1）整车电源子系统；
    （2）柴油机监视控制子系统；
    （3）高速走行监视控制子系统；
    （4）作业监视控制子系统；
    （5）辅助设备子系统：包括照明、通话、取暖及空调等。

    其中作业监视控制子系统是各类铁路大型养路机械电气控制系统的核心，它完成作业机构状态的监视、完成作业机构动作的控制。不同功能的铁路大型养路机械，其作业监视控制系统的复杂程度有着很大的差别。如清筛机和配碴车，它的作业监视控制系统比较简单。而捣固车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车等，它们的作业监视控制子系统就比较复杂。下面以稳定车的作业监视控制子系统为例作一介绍，它由以下部分组成：

    （1）计算机控制部分：由上位机控制板、键盘、显示器构成；
    （2）程序控制部分：由下位机控制板、I/O板、功率输出板组成的微机系统构成；
    （3）模拟量控制部：由A/D转换板、D/A转换板、频率测量板、各种功能的模拟控制板构成；
    （4）测量部分：由左、右抄平传感器，加速度传感器，振频传感器等构成；
    （5）轨道参数记录部分：由记录仪、前、后电子摆，正矢传感器，测量轮等构成。

    普拉塞—陶依尔公司的模拟集中式控制系统的特点如下：

    （1）各子系统的监视部分都使用模拟仪表或数字显示器或指示及报；
    （2）功能复杂机型作业监视控制子系统的控制部分都使用插装式模拟电路板和由插装式电路板组成的微机系统；
    （3）作业监视控制子系统中各I/O信号的接线方式均为“终端（开关、传感器/电磁阀、继电器）—作业主控制柜”或“终端元件（开关、传感器/电磁阀、继电器）—中间过渡箱—多芯电缆—作业主控制柜”的传统接线方式（如图1）；
    （4）轨道参数记录系统为一个独立的系统，与微机及计算机系统没有通讯和数据交换。

一. 概述

RS-422A总线是EIA公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准，这个标准是为改善RS-232C标准的电气特性，又考虑与RS-232C兼容而制定的。RS422A是工业界广泛使用的双向、差动平衡驱动和接收传输线标准接口 ,它以全双工方式通信 ,支持多点连接 ,允许创建多达 32个节点的网络,具有传输距离远 （*大传输距离为 1200m） ,传输速率快 （ 1200m时为 100kbit/s）等优点 ,相对于其它总线，如FF、CAN、LonWorks等而言，具有结构简单、廉、安装方便、与传统的DCS兼容等特点;此外，市场上很多现场仪表都有RS422A总线接口，因此采用该总线可以很容易地开发一些中小型网络测控系统。结合某一工程项目的实际特点 ,我们采用了RS422A通信接口来实现远程数据通信系统。

在该工程项目中，系统采用两级主从总线型网络结构。温度等变量的控制主要由总线上的各个智能仪表实现，上位机根据控制要求修改智能仪表的给定值等参数，以及一些数字量的监控显示等。该项目所选智能仪表为上海大华-千野仪表有限公司生产，参数相当复杂，具有较强的控制以及通信功能。同时，利用上位机软硬件资源丰富，以bbbbbbs为操作平台，因此开发的应用软件有强大的管理功能以及非常友好的人机界面。本系统应用软件采用Microsoft Visual C++6.0开发，充分利用VC++灵活快速，对视窗编程和多任务编程的方便接口，开发出来的软件具有完善的数据采集、设定、报警、实时监视等功能。应用结果表明，该系统有效的实现了对温度控制系统的监控，效果良好。

二. 系统结构

该智能仪表功能较为完善，控制精度高。自带RS422A通信卡，通信命令多达一百多条，上传及接受数据量大，主要包括各步温度设定值、PID参数值、报警参数值、传感器修正值、模糊控制参数值等等。现场总线采用RS422A总线，因为RS422A总线具有结构简单、廉安装方便等优点。智能仪表挂接在RS422A总线上，通过RS422A/232C装换器和PC串口相连接。为此配置有十几台（可扩展）智能仪表，RS422A/232C转换器一块，并且每一台仪表设置唯一的地址。温度的控制由下位机（智能仪表）完成。主控计算机完成的功能有1）主动读取下位机相关数据2）改变温度控制的设定值以及其它的参数，但不直接完成对温度的控制。3）显示温控曲线画面,温控仪集中显示画面以及报警数据等的动态显示。4）数据的存储,统计,报表等。