西门子PLC模块6ES7222-1BF22-0XA8

西门子PLC模块6ES7222-1BF22-0XA8

      随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（Distributed Control System DCS）走向以现场总线为基础的分布式现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），被誉为工业自动化领域具有性的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
1项目概述

我公司现有五座炼铁高炉，每一座高炉在生产中都产生大量的高炉煤气，但是煤气中烟尘和焦油的含量非常高，所以不能直接用于其他生产活动，必须进行除尘。现有的煤气除尘系统主要有洗涤塔除尘和布袋除尘。鉴于一号到四号高炉在地理位置上比较集中，并且采用相同的洗涤塔式除尘系统，又因原用电动组合式仪表控制系统已不能满足生产的需求，所以采用集中改造原则，把这四个高炉的控制系统进行大集成，现将其改造成为西门子PROFIBUS现场总线系统。

具体改造项目包括四座高炉的煤气洗涤塔流程和公共部分流程。系统中所有上位监控设备将全部采用研华工业用计算机，通过工业以太网集中HMI人机交互方式进行系统监控运行，下位PLC控制站也采用集中组建方式，这样可以减少控制室数量，节省大量开支。另外在现场建设现场数据采集站，通过PROFIBUS总线向PLC传送数据，这样可以大量减少物理布线，并且实现了远程设备诊断。在PLC控制站上实现各个工艺流程、设备运转之间的相互联锁的操作功能，提高了系统的安全性。采用了先进的控制方式和控制算法，实现了四座高炉煤气洗涤塔液位的自动调节控制，减少了维护和操作人员的劳动强度和工作量，为这些岗位减员增效创造了条件。

2系统组成

现场总线控制系统是自动控制系统的发展方向，通过细致详细的调查工作，并结合这四个高炉煤气洗涤系统的实际情况，*终选择了西门子公司的PROFIBUS-DP现场总线技术，在这场总线系统中，我们的控制站采用了德国西门子公司的S7-300系列PLC，站采用了德国西门子公司的ET200系列设备，通过上位、下位、现场三位一体的方式实现了PROFIBUP-DP现场总线系统，并且在上位监控中采用了工业以太网，对现场总线提供了强有力的辅助，大大提高了速度。系统整体布置简图如图1所示。该系统是一种功能强大、使用方便、运行可靠的控制系统，为我们的现场生产提供了功能强大的物质基础。

2．1控制系统的UPS电源

为了提高系统的安全性，为PLC控制系统提供不间断电源，配置原装EMERSON电池。这套UPS电源系统包括主副两路220V供电和电池组，当主220V电源故障后，自动跳到电池组供电，当电池组电量耗尽后，系统又会自动跳到副220V电源。这套电源系统与原来的控制系统电源相比，给系统提供了极大的安全性，保证了净化系统的安全连续运行，减少了不必要的停产，无形中增加了效益。

2．2上位监控系统

上位监控系统设一台工程师站和两台操作员站，选用研华工业计算机，每台计算机上装有网络通讯卡CP1613，它们各通过上位工业以太网总线分别与五套S7-300系统的通讯处理器CP343-1通讯口连接，工业以太网的构建主要依据一台西门子的ESMTP80工业级别的交换机。组态软件采用西门子的WINCC制作监控程序，WINCC是西门子公司的专用软件，与硬件连接时有很好的兼容性和可靠性，通讯方便，具有很好的适配性。WINCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板，高性能的过程耦合、快速的画面更新及可靠的数据使其具有高度的适用性。

2．3下位控制站

我们的控制站采用了德国西门子公司的S7-300系列PLC，包括四个高炉的系统和一套公共管网系统，总共用五套西门子S7315-2DP的PLC系统来实现自动控制。

2．4现场站

在生产现场，我们需要采集的信号主要包括热电阻信号、各种变送器的4～20mA模拟量信号、数字量信号等，还要输出模拟量电流信号用于控制调节阀，由于各个高炉的变送器距离集中控制室比较远，我们采用了德国西门子公司的ET200系列设备来构成站，通过PROFIBUS-DP总线向控制站传送和接收实时数据。这样，我们可以就近把变送器的信号接入传输站，并可就近输出4～20mA的控制信号来控制现场调节阀，主要由ET200B热电阻模板采集热电阻信号，由ET200B标准模拟量输入模板采集4～20mA电流信号，由ET200eco数字量模板采集数字量信号输入，由ET200B标准模拟量输出模板输出控制信号。这些数据通过总线在现场和控制站之间传输，省去了大量的物理布线，这些现场模块完全适合工业生产的恶劣环境，只需要一个简单的小控制室即可正常工作，另外采用先进的EJA530就地式变送器，省去了大量的仪表安装管网。

3采用现场总线技术的优势

传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I／O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于PC的FCS则完全克服了这些缺点。
（1）在FCS中，借助于现场总线技术，所有的I／O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I／O模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。
（2）FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IECll31-3五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。
（3）系统的效率大为提高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用多台设备才能完成的任务。在多任务的bbbbbbs操作系统下，PC中的软件PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和功能，极大地改善了编程环境。
（4）在FCS中，系统的基本结构为：工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入／输出模块、PLC或实时制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。

4结束语

由的阐述可以看出，FCS的技术关键是现场总线技术。它不仅具有精度高、可自诊断等优点，而且具有控制功能，必将取代传统的控制方式。连接现场设备的现场总线是一种开放式、数字化、多接点的双向传输串行数据通路，它是计算机技术、自动控制技术和通信技术相结合的产物。结合PC丰富的软硬件资源，既克服了传统控制系统的缺点，又极大地提高了控制系统的灵活性和效率，形成了一种全新的控制系统，开创了自动控制的新纪元，成为自动控制发展的必然趋势。

第一章：现场总线技术及PROFIBUS
1.1 现场总线技术的由来
1.1.1 CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分
根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。如图1-1所示。  


图1-1：简化的CIMS网络体系结构

1.1.2 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分。
现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。
1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。如图1-2所示：


图1-2：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统

1.1.4 系统主要缺点
（1）信息集成能力不强： 控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。
（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。
（3）可靠性不易保：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。
（4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
1.1.5 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。
1.2.4 现场总线技术的产生
基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。
1.2 现场总线技术概念
1.2.1 现场总线技术
目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。
或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
1.2.2 现场总线技术产生的意义
（1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
1.2.3 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统