西门子模块6ES7214-1HF40-0XB0安装调试

1  引言
    cp-316h是安川公司生产的一种小型plc系统控制器，其本机i/o有8点数字型输入，4个数字型输出，2个模拟型输入，2个模拟型输出和一个脉冲输入，通信接口215和216及rs-232串口，从而实现i/o本地控制、plc主从站通信、变频器通信、变频器模拟量控制等功能。2个模拟型输出即有2个通道，输出范围一、-10v至10v(-31206至＋31205)，二、0至10v(0至＋31205)。通道0和通道1的范围可以(cp-717工程管理器中)改变。输出误差大±1%。而本文正是通过cp-316的上述功能特点，来说明如何用plc输出模拟量进行控制来实现g7变频器的速度调节。

2  硬件接线、软件及变频器的设定
    利用cp-316h 本机i/o cn5口输入/输出连接器 14接线端子和15接线端子为模拟量输出。14接线端子模拟量输出+0，15接线端子模拟量输出-0接地。变频器g7本机a3接线端子和ac接线端子为模拟量输入。将cp-316h模拟量输出14和15接线端分别和g7变频器的i/o口a3和ac连接(图1)。

图1  plc和g7变频器的硬件接线

    完成硬件电路连接后，我们要对其进行软件配置，打开cp-717工程管理器，建立组文件夹→定单文件夹→plc文件夹，在plc文件夹中选择机型cp-316h，并命名plc名。打开进入cp-316hcpu1的定义文件夹，选中打开模块构成(图2)。对cp-316h而言这些输入输出的地址都是默认的，不需要做任何的更改。

图2  cp-316h的模块构成

    我们只需要对输出模拟量的状态进行变更。在基本i/o内打开子画面，选中模拟量输出a1的下拉菜单选项内把原来的-10—+10变更为0—+10，并指定由寄存器ow0001输出0到10v(图3)。

图3  基本i/o内的子画面

    cp-717工程管理器设置终了后，还必须对g7变频器进行参数的设定，如不进行变频器参数的情况下，是无法正常运行。具体参数设置如附表。

附表  g7变频器部分参数的设定

3  plc程序的应用编写
    在程序编写时，要充分考虑到设备工艺的要求，也就是说那一段工艺区需要那一种速度。下面我们来讨论一下速度是如何通过plc输出模拟量来调节的。我们在cp-717工程管理器中的机型cp-316h的plc项目里建立dwg h高速画面程序文件，首先编写速度设定数据传送程序(图4)。

图4  速度控制数值传送

    在图4中是一段速度控制值的传送程序，也就是把预先设定好的速度值#w常数表放到dw寄存器内，在程序中把速度设定为10种，即10%-的速度(按高输出频率50hz计算的话，即5hz=10%……50hz=)。#w0000-#w0009的数值指向dw0000-dw0009。#w0000-#w0009寄存器的数值可在常数表中设置(图5)。

图5   #w常数表中的速度设定

    由于把速度细分为10种，所以要在每个的#w0000-#w0009寄存器中设置不同的数值，但通过上述得知，plc模拟量输出的范围我们已经设置为0至10v，但由于plc的数值范围是0至＋31205，也就是说当plc输出数值为0时，模拟量电压为0v，输出数值+31205时，模拟量输出为10v。10%速度时输出约1v，#w0000设定3120；20%速度时输出约2v，#w0001设定6240；30%速度时输出约3v，#w0002设定9360；40%速度时输出约4v，#w0003设定12480；50%速度时输出约5v，#w0004设定15600；60%速度时输出约6v，#w0005设定18720；70%速度时输出约7v，#w0006设定21840；80%速度时输出约8v，#w0007设定24960；90%速度时输出约9v，#w0008设定280280；速度时输出约10v，#w0009设定31200。ow0001输出寄存器在模块配置中已经设置完成(即cp-316h 14接线端子和15接线端子的输出)，我们只需要设计模拟量的输出程序(图6)。

图6  模拟量输出程序

    程序(图6)初始状态下，由于sb0004是系统寄存器常时on，把0000传送给dw0010寄存器，再由dw0010寄存器的送给ow0001输出寄存器，所以ow0001的数值为0，无输出电压，变频器无输出。当mb006000接通为on后，会覆盖ow0001的原有数据0000变成dw0010的数据，这是把dw0000寄存器内3120传送给dw0010得到的，ow0001输出为1v(cp-316h14和15接线端有电压输出)，变频器接受到10%(5hz)的速度，开始输出去驱动马达。mb006000-mb006009轮流接通都有一个dw0000-dw0009寄存器中的数据通过dw0010传送给ow0001，产生不同的速度给定，大速度值使用limit指令限制。值得注意的是即使sb0004和mb006000同时为接通on的情况下，数值大的会自动覆盖数值小的，就变成mb006000为on的3120。要是mb006001为on，也一样覆盖了3120，变成了6240(20%(10hz)速度)。当sb0004、mb006000、mb006001同时on，ow0001的输出数值也会自动的取决大的即6240。所以说，不管每段的数值怎么样(或全部为on)，终还是取决数值大的哪个。在程序设计中使用sb0004一直保持接通是为了防止当mb006000或其它mb006001-mb006009给定数值断开后写入一个0000数值，ow0001寄存器变为0000，保证变频器无输出，如果不写入0000数值的情况下，例即使mb006000断开off后，在ow0001输出寄存器内仍有3120的数值，而变频器依旧有输出，所以要写入0000。以上是一段应用示范程序，完全可以在学习中作为实践的程序使用，稍加修改后也可在实际中应用，但在实际中使用时终还是要取决用户设备在实际生产工艺的要求进行设计。

1  引言
    钢铁企业的竞争日益激烈中的高炉炼铁生产技术经济指标的改善和技术进步，主要是依靠入炉原料——球团矿性质的改善。球团矿被称为高炉的“精料”，具有品位高、碱度低、强度好、透气性强等特点。目前我国绝大部分是采用**的链篦机-回转窑-冷却机生产工艺，即将细磨精矿制成能满足冶炼要求的块状物料的一个加工过程[1]。氧化球团过程控制非常复杂，是典型的具有多变量、分布参数、非线性、强耦合特征的复杂被控对象，传统的依靠人工“眼观-手动”的调节方法已经无法满足球团矿烧结过程的控制要求，需要更加**和稳定的自动控制。球团烧结自动控制是检测技术、自动化技术、计算机技术与球团烧结工艺相结合的产物。它的应用主要有两个目标：一是操作的稳定化；二是过程的佳化。

2  工艺过程概述
    链篦机-回转窑-环冷机球团生产工艺过程主要包括以下几个部分：制煤系统、原料系统、干配系统、造球焙烧系统、润磨系统。球团生产过程可概述为：将准备好的原料（细磨精矿和添加剂等），按一定比例经过干配混匀后，进入造球系统造球，然后进入链篦机-回转窑-环冷机进行干燥、高温焙烧、冷却，直至送入成品系统^[2]。其中回转窑高温焙烧是重要的一环，决定着球团矿的性能和产量，如图1所示。

图1  工艺流程图

3  控制系统设计
    氧化球团生产控制系统设计包括球团生产过程中的送配料、煤粉制备、混合、造球、润磨、干燥预热、焙烧、冷却、成品等各个环节及辅助设施中的电除尘、主引风、循环水泵站等生产环节的过程检测和控制。由于球团烧结工艺过程的复杂性，其计算机控制系统采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，球团生产过程控制系统采用以plc为核心的“监控层+控制层+现场层”的eic一体化结构，其硬件系统架构如图2所示

 监控层借助工厂主干网，通过交换机和光纤双环网进入控制层ethernet，控制层通过控制器i/o接口和现场仪表及执行器与现场层交换信息。包括工厂信息管理和生产管理，管理数据交换通过工厂主干网实现。主干网采用tcp／ip-ethernet网络协议标准。操作站终端通过监控界面，直接查看现场监控画面和生产过程数据，并进行管理。
    控制层包括plc控制站和交换机，用于控制室、现场控制设备和各现场控制装置间的连接。通信网采用ethernet。具有高可靠性、高使用性、实时性强、有自诊断功能、容易接入新站等。　　
    现场层用于连接过程控制中的传感器、执行器、智能仪表等。
    现场控制室控制系统设备包含操作员站、工程师站、schneider plc控制器等系统设备。控制系统采用dcs现场总线结构实现。上位机选用研华工业控制计算机，操作系统为bbbbbbs 2000 professional+sp4，并用unity pro软件进行组态,上位机与下位机schneider plc通讯使用modicon modbus tcp/ip 驱动，数据库与下位机通讯采用port server 方式，server 与下位机进行数据交换，两台client 读取server的状态数据，以提高上位机与下位机的通讯速度。
    操作站基于vijeo citect7.0，对系统操作和监视系统运行。监控站通过100m以太网与各子系统控制器schneider plc建立数据传送的物理链接。运行阶段可实现整个控制系统的动态实时监控，数据记录，数据查询等。
    工程师站配置基于unity pro的开发、调试、工程工具，完成对球团厂控制系统的硬件组态、软件编制、软件调试等系统开发工作。
    数据处理器承担生产数据备份、分析、报表生成、数据报表打印等生产数据管理任务；同时承担生产数据浏览服务器功能。
    基于schneider plc控制器完成精矿粉和膨润土配料控制、混合料的干燥控制、造球系统给料控制、造球机转速控制、链篦机温度压力控制、回转窑高温带温度控制、窑尾负压控制、环冷机温度控制、环冷机冷却风风速控制、回热风系统风压风速控制等。各plc控制器通过modbus现场总线与变频器进行通讯。
    测控现场控制系统设备主要包含现场测量仪表和执行器等仪器。现场控制仪表通过i/o直接接入到plc控制站。基于现场执行设备，完成开关量设备起、停、调速控制，实施设备状态、故障报警等监测，完成数字和模拟量输入输出处理。

4  设备冗余设计
    为了提高系统的安全性，减少停机时间，提高生产效率，整个控制系统都基本采用了冗余设计。在图2中，主控制系统包括总线为全冗余式设计，一共设立五台监控站，其中两台用于备份。光纤双环网采用全双工介质冗余结构，通行介质为光缆，保证了整个项目的通讯系统高速可靠，共设六个结点，其中两个结点用于连接监控站和备份监控站。其余四个结点分别连接焙烧冷却系统、混配系统、造球系统、主引风系统。对于四个系统包括独立的制煤系统的五个plc控制站全部启用冗余设计，即modicon 双机热备系统^[3]。
    双机热备系统与unity pro软件相兼容，并通过 cpu提供关键过程所需要的高度可靠性。系统结构的中心部分是两个 plc 机架，即通常意义下的“主机”和“备机”。它们的硬件配置必须相同 ( 每个本地机架上安装的模块必须一致)。每个机架配置的核心部件是 140 cpu 67160 处理器，专门设计用于 unity pro 软件下的双机热备架构。该处理器是一个双槽模块，同时包含中央处理单元和一个冗余协处理器。
    “主”plc执行应用程序并且控制输入输出 (i/o)。“备”plc 驻留在后台，必要的时候取代“主”plc。“备机”和“主机”之间通过一个集成在cpu当中的高速光纤链路 (100mbps) 相连接。此光纤链路 (62.5/125多模光纤 )可以扩展2公里远，中间无需任何附件设备。“备用”plc当中的用户应用程序数据正是通过此光纤链路被周期性地更新。 
    在“主”plc意外发生故障时，备用系统自动切换，由“备用”plc使用新的数据内容执行应用程序并更新i/o。一旦系统发生切换，“备用”plc 就将变为“主”plc。在发生故障的 plc 修复并重新连接到系统当中时，它将承担“备用”plc的角色。 使用unity pro软件的双机热备系统能够实现主备机之间平稳、无缝的切换。切换对于过程而言是透明的，系统对过程的监控不会中断，并且不会因为发生硬件故障而受到不利影响。使用unity pro 的双机热备系统因此能够减少停机时间，从而提高生产效率。

5  软件结构与设计
    为提高球团烧结生产的自动化控制技术，系统设计时，在原有的dcs集散控制系统和mes生产过程制造执行系统上，加入了智能控制系统软件设计，为解决复杂系统优化控制提供了有力工具。基于软件系统应具有较好的可修改性和维护性，设计了数据库层-监控层-优化控制层三层结构软件^[4]，其工作流程如图3所示。

图3  球团烧结智能控制系统软件结构图

5.1 数据库层
    数据库是氧化球团生产过程的信息源，是操作控制、技术分析和管理决策的依据。数据库存储的数据包括实时现场层自动采集的数据和手工录入的数据两大部分。其主要功能是工业生产现场重要数据的实时采集和自动生成各种统计报表，为操作决策者提供分析资料。
5.2 监控层
    监控层是实现操作人员对烧结过程系统的监控和干预，包括生产实时信息、报表的查询打印等功能。
5.3 优化控制层
    优化控制层是实现氧化球团生产过程智能化控制的核心层，它包括数据预处理、经济技术指标软测量、模型预测及计算，控制输出调节算法，终实现优控制，提高生产效率和产品质量。其系统软件主要包括以下四个优化控制模块：
    (1) 煤粉制造控制模块；
    (2) 链篦机干燥预热控制模块；
    (3) 回转窑焙烧控制模块；
    (4) 环冷机冷却控制模块^[5]。

6  结束语
    本系统充分运用了plc、modbus现场总线、远程i/o，工业以太网，双机热备等技术，实现了球团生产的集中管理和分散控制。同时将智能控制系统与工厂基础自动化系统紧密结合，提高了球团生产的连续性、稳定性、安全性和实时性，对改善炼铁技术经济指标，提高钢铁企业整体经济效益具有重要的意义。