基于PROFIBUS和MODBUS的高爐渣?；瘋鲃颖O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計-碩士學位論文中期報告-

基于PROFIBUS和MODBUS的高爐渣?；瘋鲃颖O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計201002443201002443趙德琦趙德琦控制工程控制工程2011國家“十一五”規(guī)劃提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的戰(zhàn)略目標，并將節(jié)能和減排作為約束性指標執(zhí)行。鋼鐵行業(yè)作為國家建設(shè)基礎(chǔ)行業(yè)和能耗大戶，將同時面臨機遇和挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中，高爐煉鐵工序能耗約占鋼鐵工業(yè)總能耗60％，是鋼鐵工業(yè)的能耗大戶，其節(jié)能減排潛力巨大。高爐熔渣由于自身溫度高，含熱量豐富，對能源工業(yè)來說是一種很好的二次能源。通常，高爐渣的處理方式為水力沖渣，在處理過程中不僅浪費、消耗大量的能源、水源，同時也排出大量的有害物質(zhì)。因此，開展高爐渣顯熱回收利用的研究十分必要。高爐渣的主要成分是氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅，屬于硅酸鹽質(zhì)材料。在急冷處理過程中，熔態(tài)爐渣中的絕大部分物質(zhì)沒能形成穩(wěn)定的化合物晶體，而是以無定形體或玻璃體的狀態(tài)將沒能釋放的熱能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，從而具有潛在的化學活性，是優(yōu)良的水泥摻和料。因此，在高效回收高爐熔渣顯熱的同時，還要保證處理后的爐渣可用為水泥原料。目前，國內(nèi)外在生產(chǎn)中應用的高爐渣處理工藝主要是水淬?；に嚭透稍幚砉に嘓0。由于后者環(huán)境污染較嚴重，且資源利用率低，現(xiàn)在已很少使用，一般只在事故處理時，設(shè)置干渣坑或渣罐出渣?，F(xiàn)主要采用水淬粒化工藝，就是將熔融狀態(tài)的高爐渣置于水中急速冷卻，限制其結(jié)晶，并使其在熱應力作用下發(fā)生粒化。水淬后得到的?；?水渣)絕大部分為非晶態(tài)，其含量超過95％，可用作生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥的原料。按脫水方式可分為：1)轉(zhuǎn)鼓脫水法。經(jīng)水淬或機械粒化后的水渣流入轉(zhuǎn)鼓脫水器進行脫水，前者為因巴(INBA)法，后者為圖拉(rrYNA)法，2)渣池過濾法。渣水混合物流入沉渣池，用抓斗吊車抓渣，池內(nèi)的水則通過渣池底部或側(cè)部的過濾層排出，一般稱底濾(OCP)法。3)脫水槽法。水淬后的渣漿經(jīng)渣漿泵輸送到脫水槽內(nèi)脫水，稱為拉薩(RASA)法。4)提升脫水法。水渣由傾斜放置的螺旋輸送機向上輸送，靠重力實現(xiàn)水和渣的分離，稱為明特克(MTC)法。1、因巴法因巴法是20世紀80年代初由比利時西德瑪公司與盧森堡P&W公司共同開發(fā)的爐渣處理工藝。于l981年在西德瑪公司運行，我國首次引進用于寶鋼2號高爐(4063m)，于1991年投產(chǎn)運行。因巴法工藝流程為：高爐熔渣由熔渣溝流人沖制箱，經(jīng)沖制箱內(nèi)的壓力水沖成水渣進入水渣溝，然后經(jīng)滾筒過濾器脫水排出。因巴法分為熱因巴、冷因巴和環(huán)保型因巴，三種因巴法的爐渣?；?、脫水的方法相同，都是使用水淬?；捎棉D(zhuǎn)鼓脫水器脫水，不同之處在于水系統(tǒng)。熱因巴只有?；到y(tǒng)，粒化水直接循環(huán)；冷因巴?；到y(tǒng)設(shè)有冷卻塔，?；鋮s后循環(huán)使用；環(huán)保型因巴水系統(tǒng)分?；屠淠畠蓚€系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)主要用來吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氫。與冷、熱因巴比較，環(huán)保型因巴最大的優(yōu)點是硫排放量很低，它把硫大部分轉(zhuǎn)移到循環(huán)水系統(tǒng)中。2、圖拉法圖拉法水渣處理技術(shù)是由俄羅斯國立冶金工廠設(shè)計院研制，在俄羅斯圖拉廠2000m高爐上首次應用。該法與其他水淬法不同，在渣溝下面增加了粒化輪實現(xiàn)機械?；?，粒化后的爐渣顆粒被水冷卻、水淬，產(chǎn)生的氣體通過煙囪排出。該法最顯著的特點是徹底解決了傳統(tǒng)水淬渣易爆的問題。熔渣處理在封閉狀態(tài)下進行，環(huán)境好、循環(huán)水量少、動力能耗低、成品渣質(zhì)量好。3、底濾法底濾法是在沖制箱內(nèi)用多孔噴頭噴射的高壓水對高爐熔渣進行水淬?；缓筮M入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣場繼續(xù)脫水，沉渣池內(nèi)的水及懸浮物由分配渠流入過濾池，過濾池內(nèi)設(shè)有礫石過濾層，過濾后的沖渣水經(jīng)集水管由泵加壓送入冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，水量損失由新水補充。底濾法沖渣水的壓力一般為0.3～0.4MPa，渣水比為1：l0～1：l5，水渣含水率為10％～15％，作業(yè)率4、明特克法明特克法爐渣處理工藝是由首鋼與北京明特克冶金爐技術(shù)有限公司聯(lián)合研制、開發(fā)，整套系統(tǒng)于2002年7月在首鋼3號高爐上投入運行。明特克法核心設(shè)備是通過特殊設(shè)計和制造的一臺螺旋輸送機和一臺過濾器組成。螺旋輸送機呈20度傾角安裝在水渣池內(nèi)，隨著螺旋輸送機的轉(zhuǎn)動，其螺旋葉片將水渣池底部的水渣向上輸送，水則靠重力和渣的翻動擠壓雙重作用向下回流，從而實現(xiàn)渣水分離和脫水的目的。水渣經(jīng)脫水離開螺旋輸送機的u型槽后，通過皮帶系統(tǒng)輸送至水渣堆場；沖渣水經(jīng)濁水渣池溢流日進入過濾器過濾成干凈水后進入水循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)使用。在目前鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，高爐渣的處理主要是采用水淬法進行，水淬處理后的爐渣作為水泥生產(chǎn)的摻合料。但是水淬法渣處理工藝也存在一些缺點，比如水淬法渣處理工藝的耗水量大，對我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展來說，水資源的短缺成為除鐵礦資源短缺外的另一制約因素。高爐熔渣含有豐富的熱量，而水淬渣產(chǎn)生大量的低溫蒸汽，除少數(shù)鋼鐵企業(yè)用于冬季取暖外，其余全部白白浪費。水淬處理后的爐渣含水率可達10％，在做水泥原料使用時必須進行干燥處理，仍要消耗一定的能源。此外,對水淬渣系統(tǒng)而言，電耗和維護工作量大；水沖渣產(chǎn)生的二氧化硫和硫化氫等氣態(tài)硫化物還帶來空氣污染。因此，開發(fā)能高效回收高爐渣顯熱、更環(huán)保的爐渣處理技術(shù)迫在眉睫。這些技術(shù)包括干式?；に嚭突瘜W?；に嚒８郀t渣處理是煉鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，從目前來說，水淬法處理工藝安全性能最高，技術(shù)上最為成熟，應用也最廣。但在能源日益短缺的今天，水淬法存在的浪費能源、污染環(huán)境等弊端顯得尤為嚴重，急冷干式?；に嚹苡行Ы鉀Q這些困難，具有更好的發(fā)展前景，與水淬法粒化工藝相比優(yōu)勢明顯：水資源消耗少；爐渣顯熱回收率高；污染物排放少，可減少環(huán)境污染；工藝操作簡單；成渣質(zhì)量高，滿足水泥摻合料的要求等。雖然干式?；に囘€沒有達到工業(yè)應用的程度，但符合我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大趨勢，因此開發(fā)新型急冷干式?；に噥硖娲鷤鹘y(tǒng)的渣處理工藝迫在眉睫。本文以包鋼煉鐵廠的高爐水沖渣系統(tǒng)作為背景，借用先進的可編程控制器技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)技術(shù)對現(xiàn)有的高爐渣粒化傳動監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，以達到實現(xiàn)提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、提高安全可靠性和完成全自動化的目的?，F(xiàn)場總線技術(shù)是當前控制和自動化領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快、最為活躍的一項新技術(shù)，集合了自動控制、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機、智能傳感器等多項技術(shù)的最新成果。我們采用現(xiàn)場總線技術(shù)對已有的生產(chǎn)線進行改造是有意義和能創(chuàng)造社會價值的。論文以包鋼煉鐵高爐水沖渣傳動系統(tǒng)的改造工作為背景，采用現(xiàn)場總線技術(shù)全面深入的探討了基于Profibus和Modbus的煉鐵高爐水沖渣傳動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究，著重研究了系統(tǒng)控制的方案設(shè)計、硬件的選型與設(shè)計、Profibus總線技術(shù)、Modbus總線技術(shù)，PLC的Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、編寫PLC控制程序、PLC通信及上位機監(jiān)控軟件WinCC的界面設(shè)計。原來生產(chǎn)線采用傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)。原系統(tǒng)采用S7-300PLC作為主控原件，現(xiàn)場的傳動設(shè)備、傳感器與PLC之間仍然是采用I/O硬線傳輸方式，電纜數(shù)量多，信號的信號的傳送過程中的干擾問題仍然很突出。整條生產(chǎn)線由一個PLC控制，生產(chǎn)效率低。下圖為高爐渣?；に嚵鞒虉D圖2-1高爐渣工藝流程圖注：PGR1~2——粒化泵、PCC1~3——冷卻泵、PDR1~3——排污泵、PRC1~2——回流泵、PSL1~2——倒渣泵、PRY——回收泵、PBO——增壓泵如上圖，此工藝流程為高爐渣粒化的整體過程。主要設(shè)備是兩個冷卻塔、南北?；靡约稗D(zhuǎn)鼓塔。首先，由冷卻泵向南北粒化塔抽取冷卻水，?；肞GR1和PGR2互為備用。同時，煉鐵過程中產(chǎn)生的高爐渣也進入南北?；?。冷卻水和高爐渣在?；袥_洗產(chǎn)生粒化后的高爐渣，形態(tài)和普通建筑用黃沙類似。然后，?；蟮母郀t渣進入轉(zhuǎn)鼓塔，由于北粒化爐距離轉(zhuǎn)鼓塔一定距離，要有倒渣泵PSL1和PSL2將?；蟮母郀t渣打入轉(zhuǎn)鼓塔。轉(zhuǎn)鼓塔中有轉(zhuǎn)鼓主電機和轉(zhuǎn)鼓輔電機，轉(zhuǎn)鼓主電機由變頻器驅(qū)動，使進入轉(zhuǎn)鼓塔的?；郀t渣做離心運動，目的是使水和沙粒分離，離心運動產(chǎn)生出來的水進入轉(zhuǎn)鼓塔下方的水池。此水池由三層嵌套，產(chǎn)生的濁水逐層沉淀凈化。同時，由于沙粒中可能摻雜沒有完全?；母郀t渣，故由一二層水池的沉淀物經(jīng)回流泵PRC1和PRC2向南粒化爐重新填入?；?，此過程循環(huán)進行。經(jīng)轉(zhuǎn)鼓電機分離出來的干粒經(jīng)皮帶卷揚機送入渣倉，待卡車運走。接著，由轉(zhuǎn)鼓塔下第三層水池過濾后的凈水經(jīng)冷卻泵PCC1/2/3向冷卻塔回收經(jīng)冷卻塔風扇對回收的水進行冷卻，以備循環(huán)使用。轉(zhuǎn)鼓塔下的水池中的水向向下方的排水池排水，排水池中的水經(jīng)排污泵PDR1向集水池注水。集水池中的水經(jīng)回收泵PRY回收進冷卻塔1.集水池附近的數(shù)個回收池是為了平衡水位防止集水池中水位過高而設(shè)計的。其中，若冷卻塔水位過高，可經(jīng)排污泵PDR2向排水池排水。最后，在工藝圖的最下方，分別有從外部進入系統(tǒng)的沖洗水及補水。沖洗水經(jīng)增壓泵PBO進入轉(zhuǎn)鼓塔，定期對轉(zhuǎn)鼓塔進行沖洗，另外沖洗水也可對系統(tǒng)各個管道及冷卻泵、?；M行沖洗。補水的作用是在于經(jīng)一定時期運行后，整個系統(tǒng)的水難免流失造成水量不足，此時可打開補水進水電動閥VE5103對冷卻塔進行補水。利用Profibus和Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)，我們可以對將設(shè)備層的各個生產(chǎn)設(shè)備連到現(xiàn)場總線電纜上，大大節(jié)省電纜費用，并且控制功能分散到現(xiàn)場儀表中，實現(xiàn)了徹底的分散，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，借用現(xiàn)場總線技術(shù)可對PLC之間進行組網(wǎng)和通信，傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。利用組態(tài)軟件WinCC對整個生產(chǎn)線實時監(jiān)控，能及時觸發(fā)報警并將重要參數(shù)進行數(shù)據(jù)歸檔，提高整條生產(chǎn)線的自動化程度?，F(xiàn)場總線是應用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線一詞的定義為:現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。其本質(zhì)含義包括以下6個方面：1、現(xiàn)場通信網(wǎng)路。是一種用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或儀表互聯(lián)通信網(wǎng)路。2、現(xiàn)場設(shè)備互連?，F(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連。傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纖或電源線。3、互操作性?，F(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一個生產(chǎn)商能夠提一個控制系統(tǒng)所需的全部現(xiàn)場設(shè)備。將不同廠家提供的設(shè)備按照最佳性價比的則實現(xiàn)“即接即用”，從而構(gòu)成控制回路，這就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作性的含義，即由第三方提供的現(xiàn)場設(shè)備自由地集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。4、分散功能模塊。FCS廢棄了分布式控制系統(tǒng)（DCS）的輸入/輸出單元和控站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且還有比例、積分微分（PID）控制和運算功能塊，并具有自診斷功能。由于功能模塊分散在多臺現(xiàn)場設(shè)備中，并且可以同一組態(tài)，可以靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。5、總線供電。總線供電方式允許現(xiàn)場儀表或設(shè)備直接從總線上獲取能量。對于要求有本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表可采用這種供電方式，如煤礦、化工、等對安全性要求較高的行業(yè)。6、開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和國內(nèi)功能模塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的。Profibus-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。1、Profibus-DP的基本功能（1）傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。（2）總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。總線上最多站點（主-從設(shè)備）數(shù)為126。（3）通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。（4）運行模式：運行、清除、停止。（5）同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。（6）功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的可動態(tài)激活。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。（7）可靠性和保護機制:所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（WatchdogTimer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。（8）設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC，PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。2、Profibus-DP基本特征（1）速率：在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對所有站點傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s時只需1毫秒。（2）診斷功能：經(jīng)過擴展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：a.本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。b.模塊診斷操作：一個站點的某具體I/O模塊故障。c.通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。3、（1）1類DP主站1類DP主站（DPM1）是系統(tǒng)的中央控制器，DMP1在預定的周期內(nèi)與分布式的站（如DP從站）循環(huán)地交換信息，并對總線通信進行控制和管理。DPM1可以發(fā)送參數(shù)給從站，讀取DP從站的診斷信息，用GlobalControl（全局控制）命令將它的運行狀態(tài)告知給各DP從站。此外，還可以將控制命令發(fā)送給個別從站或從站組，以實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)的同步。下列設(shè)備可以做1類DP主站：a.集成了DP接口的PLC，如CPU315-2DP和CPU313C-2DP等。b.沒有集成DP接口的CPU加上DP主站功能的通信處理器（CP）。c.插有PROFIBUS網(wǎng)卡的PC，如WinAC控制器，用軟件功能選擇PC做1類主站或是做編程監(jiān)控的2類主站，可以使用CP5411，CP5511和CP5611等網(wǎng)卡。d.IE/PB鏈路模塊。e.ET200/ETZOOX的主站模塊。（2）2類DP主站2類DP主站（DPM2）是DP網(wǎng)絡(luò)中的編程、診斷和管理設(shè)備。DPM2除了具有1類主站的功能外，在與I類DP主站進行數(shù)據(jù)通信的同時，可以讀取DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)和當前的組態(tài)數(shù)據(jù)，可以給DP從站分配新的總線地址。下列設(shè)備可以做DPM2。a.以PC為硬件平臺的2類主站。PC加PROFIBUS網(wǎng)卡可做2類主站。西門子公司為其自動化產(chǎn)品設(shè)計了專用的編程設(shè)備。不過現(xiàn)在一般都用通用的PC和STEP7編程軟件來做編程設(shè)備，用PC和WinCC組態(tài)軟件做監(jiān)控操作站。b.操作員面板/觸摸屏（OP/TP）。操作員面板用于操作人員對系統(tǒng)的控制和操作，如參數(shù)的設(shè)置與修改、設(shè)備的啟動和停機及在線監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)等。有觸摸按鍵的操作員面板俗稱觸摸屏，它們在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。西門子公司提供了不同大小和功能的TP和OP供用戶選用。（3）DP從站DP從站是進行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，可以向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。a.分布式I/O。分布式I/O（非智能型I/O）沒有程序儲存和程序執(zhí)行功能。通信適配器用來接收主站的指令，按主站指令驅(qū)動I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。通常分布式I/O由主站統(tǒng)一編址，對主站編程時使用分布式I/O與使用主站的I/O沒有什么區(qū)別。ET200是西門子的分布式I/O，有ET200M/B/L/X/S/is/eco/R等多種類型。它們都有PROFIBUS-DP通信接口，可以做DP網(wǎng)絡(luò)的從站。b.PLC智能DP從站（I從站）。PLC（智能型I/O）可做PROFIBUS的從站。PLC的CPU通過用戶程序驅(qū)動I/O，在PLC的存儲器中有一片特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站通過通信間接控制從站PLC的I/O。c.具有PROFIBUS-DP接口的其他現(xiàn)場設(shè)備。西門子的SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)SITRANS現(xiàn)場儀表、MicroMaster變頻器、SIMOREGDC-MASTER直流傳動裝置都有PROFIBUS-DP接口或可選的DP接口，可以做DP從站。其它公司支持DP接口的輸入/輸出、傳感器、執(zhí)行器或其他智能設(shè)備，也可以接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。在有些網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，除了上述三種獨立的設(shè)備外，還可以將它們組合在一個設(shè)備中，形成一個DP組合設(shè)備。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中還有一些用于通信的部件必不可少，比如通信介質(zhì)（電纜）、總線部件（總線連接器、中繼器、耦合器、鏈路）和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器，后者包括PROFIBUS與串行通信、以太網(wǎng)、AS-1和EIB通信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接器。Modbus作為一個通信協(xié)議是由MODICON公司在1979年首次提出的，它是一個標準的、真正開放的、在工業(yè)自動化領(lǐng)域應用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。SCADA和HMI軟件可以通過Modbus協(xié)議非常方便地與串行設(shè)備集成到一起ModbusTCP協(xié)議被開發(fā)出來，以容許Intemet用戶訪問以太網(wǎng)設(shè)備。這樣，現(xiàn)在的Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議包括了2個部分，分別是基于串行鏈路的Modbus協(xié)議以及基于TCP協(xié)議的ModbusTCP協(xié)議。2.4.1Modbus的數(shù)據(jù)傳輸標準Modbus端口是使用一個RS—232兼容的串行接口，定義了連接器，接線電纜，信號等級，傳輸波特率，和奇偶校驗，控制器可直接或通過調(diào)制解調(diào)器(以后簡稱Medems)接入總線(網(wǎng)絡(luò))?？刂破魍ㄓ嵤褂弥鲝募夹g(shù)，即主機能起動數(shù)據(jù)傳輸，稱查詢。而其它設(shè)備(從機)應返回對查詢作出的響應，或處理查詢所要求的動作。典型的主機設(shè)備應包括主處理器和編程器，典型的從機包括可編程控制器。主機可對各從機尋址，發(fā)出廣播信息，從機返回信息作為對查詢的響應。從機對于主機的廣播查詢，無響應返回Modbus協(xié)議報據(jù)的設(shè)備地址，請求功能代碼，發(fā)送數(shù)據(jù)，錯誤校驗碼，作的代碼，建立了主機查詢格式，從機的響應信息也用Modbus協(xié)議組織，它包括確認動返回數(shù)據(jù)和錯誤校驗碼。動作時，從機會組織一個錯誤信息，若在接收信息時出現(xiàn)一個錯誤或從機不能執(zhí)行要求的并向主機發(fā)送作為響應。在信息級，盡管網(wǎng)絡(luò)通訊方法是對等的，但Modbus協(xié)議仍采用主從方式，若一臺控制器作為主機設(shè)備發(fā)送一個信息，則可從一臺從機設(shè)備返回一個響應，類似，當一臺控制器接受信息時，它就組織一個從機設(shè)備的響應信息，并返回至原發(fā)送信息的控制器。其查詢響應周期如下圖所示：圖2-2查詢響應周期查詢中的功能代碼為被尋址的從機設(shè)備應執(zhí)行的動作類型。數(shù)據(jù)字節(jié)中包含從機須執(zhí)行功能的各附加信息，如功能代碼03將查詢從機，并讀保持寄存器。并用寄存器的內(nèi)容作響應。該數(shù)據(jù)區(qū)必須含有告之從機讀取寄存器的起始地址及數(shù)量，錯誤校驗區(qū)的一些信息，為從機提供一種校驗方法，以保證信息內(nèi)容的完整性。從機正常響應時，響應功能碼是查詢功能碼的應答，數(shù)據(jù)字節(jié)包含從機采集的數(shù)據(jù)，如寄存器值或狀態(tài)。如出現(xiàn)錯誤，則修改功能碼，指明為錯誤響應，并在數(shù)據(jù)字節(jié)中含有一個代碼，來說明錯誤，錯誤檢查區(qū)允許主機確認有效的信息內(nèi)容。控制器可使用ASCll或RTU通訊模式，在標準Modbus上通訊。在配置每臺控制器時，用戶須選擇通訊:模式以及串行口的通訊參數(shù)(波特率，奇偶校驗等)。在Modbus總線上的所有設(shè)備應具有相同的通訊模式和串行通訊參數(shù)。選擇ASCll或RTU模式用于標準的Modbus總線。它定義了總線上串行傳輸信息區(qū)的“位”的含義，決定信息打包及解碼方法。如在MAP和Modbus+，總線上時，Medbus信息以幀的方式出現(xiàn)，并與串行傳輸無關(guān)，如請求讀保持寄存器可以在Medbus+上的兩個控制器之間處理，而與使用的控制器的Modbus端口無關(guān)。不論是ASCn模式還是RTU模式，ModbuS信息以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結(jié)束點，使接收設(shè)備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設(shè)備(廣播時對全部設(shè)備)，以及信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間?？蓹z測部分信息，錯誤可作為一種結(jié)果設(shè)定。對MAP或Modbus+協(xié)議可對信息幀的起始和結(jié)束點標記進行處理，也可管理發(fā)送至目的地的信息，此時，信息傳輸中Modbus數(shù)據(jù)幀內(nèi)的目的地址已無關(guān)緊要，因為Modbus+地址已由發(fā)送者或它的網(wǎng)絡(luò)適配器把它轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址和路由。基于Moudbus協(xié)議的系統(tǒng)一般都采用主一從模式，網(wǎng)絡(luò)中只有一個主機，通信采用查詢一回答的方式進行，主機向從機發(fā)送消息，從機正確接收消息后響應主機的查詢或根據(jù)主機的消息做出響應的動作，而且也只能由主機初始化系統(tǒng)通信設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)中通信數(shù)據(jù)傳輸是一幀為單位，報文由起始位、設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗、結(jié)束符按相應格式組成一個消息幀。在ASCll模式中，以(:)號(ASCll3AH)表示信息開始，以回撤一換行鍵(CRLF)(ASCllOD)和OAH)表示信息結(jié)束。對其它的區(qū)，允許發(fā)送的字符為16進制字符0-9，A-F。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備連續(xù)檢測并接收一個冒號(:)時，每臺設(shè)備對地址區(qū)解碼，找出要尋址的設(shè)備。字符之間的最大間隔為15，若大于15，則接收設(shè)備認為出現(xiàn)了一個錯誤。典型的ASCll信息幀見下表：表1開始地址功能數(shù)據(jù)縱向冗余校驗結(jié)束1字符2字符2字符n字符2字符2字符RTU模式中，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據(jù)使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間(如下表中的Tl—T3—T4)。接著，個區(qū)的數(shù)據(jù)為設(shè)備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進制的0一9，A一F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時間。當接收第一個地址數(shù)據(jù)時，每臺設(shè)備立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后，也有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設(shè)備刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個地址數(shù)據(jù)。同樣一個信息后，立即發(fā)送的一個新信息，(若無3.5個字符的靜止時間)這將會產(chǎn)生一個錯誤。是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產(chǎn)生的錯誤。典型的RTU信息幀見下表：表2開始地址功能數(shù)據(jù)校驗終止T1-T1-T3-T48bits8bitsn*8bits16bitsT1-T2-T3-T4Moudbus從功能上說包括24種命令，每一個功能碼都對應一種功能。其中基本的功能主要包括AFAO、DFDO的數(shù)據(jù)傳送。消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符(ASCll)或SBitS(RTU)?？赡艿拇a范圍是十進制的1到255。全部的功能代碼含義可查閱Moudbus協(xié)議詳細說明。如常用的“03H”，代碼表示主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器的值。Moudbus定義的標準的通信功能碼如下表所示：表3功能碼hex功能01H讀取內(nèi)部數(shù)字量保持線圈02H讀取外部輸入數(shù)字量線圈狀態(tài)03H讀取內(nèi)部模擬量保持寄存器04H讀取外部輸入模擬量存儲器05H設(shè)置單一內(nèi)部數(shù)字量保持線圈狀態(tài)06H設(shè)置單一內(nèi)部模擬量保持寄存器07H讀取內(nèi)部特定線圈狀態(tài)08H通訊系統(tǒng)自檢測09H設(shè)置一組內(nèi)部數(shù)字量保持線圈狀態(tài)10H設(shè)置一組內(nèi)部模擬量保持存儲器Moudbus除了定義了較為完善的通信功能碼，它一個重要特點是還定義了較全面的出錯碼，以便主站根據(jù)返回的錯誤碼采取相應的糾錯工作，這樣保證了整個系統(tǒng)通信的可靠性。Moudbus定義的出錯信息主要包括:指定的數(shù)據(jù)量出錯、無法應答請求或執(zhí)行指令、從站自身出錯、指定的地址錯誤、從站無暇處理主站發(fā)送的通信請求指令等。相應的獵誤碼就代表了相對應的錯誤信息，具體的對應關(guān)系如下表所示：表4出錯碼hex出錯內(nèi)容01H功能碼出錯02H指定地址出錯03H指定的數(shù)據(jù)量出錯04H從站自身原因無法應答05H、06H其他原因下圖為控制網(wǎng)絡(luò)圖：圖3-1控制網(wǎng)絡(luò)圖本設(shè)計采用的控制方法是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制和I/O硬線控制相結(jié)。其中主控制器是西門子公司的S7-300PLC，上位機插CP5611板卡，利用WINCC組態(tài)監(jiān)控軟件對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。系統(tǒng)中的各個設(shè)備由于是采用智能控制也就是網(wǎng)絡(luò)控制，它們的通訊接口協(xié)議是不同的，例如，驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓主電機的變頻器是西門子公司的MM440變頻器，此變頻器可用的通訊協(xié)議是Profibus—DP,而驅(qū)動倒渣泵以及?；玫淖冾l器是AB公司的PowerFlex400型號的變頻器，它支持的通訊協(xié)議只有Modbus。例外其他設(shè)備如：電機軟啟動器和電機保護器等它們支持的通訊協(xié)議也是Modbus。因此，在本次設(shè)計中采用的一個關(guān)鍵設(shè)備，由北京鼎實公司生產(chǎn)的PB-B-MODBUS總線橋可以將Modbus通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為Profibus-DP協(xié)議，我們選用的產(chǎn)品型號是PB-B-MODBUS/232/485/V3x。它在網(wǎng)絡(luò)中即是DP網(wǎng)的從站，又是Modbus網(wǎng)的主站。因此可以將支持不用的通訊協(xié)議的設(shè)備整合到一個網(wǎng)絡(luò)上。最后，一些電動閥門的開合由I/O硬線進行控制，將其連接到S7-300的遠程I/O模塊（ET-200）上。系統(tǒng)上電運行后，可由S7-300PLC對系統(tǒng)的開啟、停止、報警、急停以及各個環(huán)節(jié)設(shè)備進行控制。通過對系統(tǒng)各部分的流量壓力以及溫度的采集可對各個電動閥門和變頻器進行閉環(huán)控制。另外，在轉(zhuǎn)鼓主電機運行過程中，很難對離心運動的過程量進行采集，故只能通過對轉(zhuǎn)鼓主電機的轉(zhuǎn)速力矩的采集，由S7-300PLC對MM440變頻器形成開環(huán)控制。在閉環(huán)控制中，可采用PID控制，使各個部分的流量壓力以及溫度保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。3.1.3控制最終目的本次設(shè)計的最終目的是搭建整個系統(tǒng)，使其安全有效平穩(wěn)地運行，可由上位機通過WINCC組態(tài)軟件對系統(tǒng)各部分進行監(jiān)測及控制。隨著PLC的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類和數(shù)量越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從美國、口本、德國等國引進的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個系列，上百種型號。PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有不同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標起著重要作用。機型選擇的基本原則應是在功能滿足要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳的功能價格比。在選擇PLC機型的時候，主要需要考慮的性能指標有以下三個方面：（1）CPU能力：CPU能力是PLC最重要的性能指標，也是機型選擇時首要考慮的問題。（2）存儲器容量：PLC系統(tǒng)的存儲器是由兩部分組成的，即存放程序及其所需數(shù)據(jù)的存儲器。前者多由EPROM組成，后者用RAM構(gòu)成。存放系統(tǒng)程序的存儲器（ROM）在機器形成時由生產(chǎn)廠家已將程序?qū)懭?，用戶無法改變也不能訪問。它們的容量大小也都已確定，不再變動。后者是隨用戶生產(chǎn)復雜情況而變的。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)機器時，己按照機器型號的大小設(shè)置了一定存儲容量的存儲器。（3）掃描速度。在CPU選擇方面，本文作出如下處理：基于在滿足使用的情況下，減少主站的數(shù)量，縮短通信時間，提高通信速度，我們將選擇能力比較強的CPU處理第一層原料輸送層，第三層包裝的設(shè)備，使得大部分閥門，傳感器的狀態(tài)通過CPU掃描即得到，減少通信次數(shù)和時間。程序大小約20MB。這里我們選擇S7-300系列里面的CPU315-2DP。SIMATICS7-300系列PLC是針對大中型控制系統(tǒng)而設(shè)計的中型PLC，采用模塊化及無風扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴展和廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)，以及用戶友好的操作使SIMATICS7-300成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。多種級別（功能逐步升級）的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或變得更加復雜時，不必投入很多費用。任何時候只要適當?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要。CPU315-2DP，擁有1MB高速RAM，提高運算速度，集成1個DP接口和1個MPI接口，與上位機組成DP網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中的轉(zhuǎn)鼓主電機、粒化泵PGR1/PGR2電機、倒渣泵PSL1/PSL2均用變頻器控制。1、正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預期目標，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點：（1）控制電機的啟動電流；（2）降低電力線路的電壓波動；（3）啟動時需要的功率更低；（4）可控的加速功能；（5）可調(diào)的運行速度；（6）可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；（7）受控的停止方式；（8）節(jié)能；（9）可逆運行控制；（10）減少機械傳動部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM440控制轉(zhuǎn)鼓主電機，并且變頻器遵循Profibus-DP通信協(xié)議。羅克韋爾公司生產(chǎn)的AB-PF400變頻器控制?；靡约暗乖秒姍C。變頻器遵循Modbus通信協(xié)議。2、軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。軟啟器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉(zhuǎn)數(shù)時，啟動過程結(jié)束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。軟起動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處是：（1）無沖擊電流。軟起動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機起動電流從零線性上升至設(shè)定值。對電機無沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)起動，減少對負載機械的沖擊轉(zhuǎn)矩，延長機器使用壽命。（2）有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機，它可以克服瞬間斷電停機的弊病，減輕對重載機械的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的水錘效應，減少設(shè)備損壞。（3）起動參數(shù)可調(diào)，根據(jù)負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，可自由地無級調(diào)整至最佳的起動電流。本文中選用國產(chǎn)雷諾爾JJR-5000智能軟啟動器作為轉(zhuǎn)鼓輔電機、冷卻泵PCC1/2/3電機啟動器。軟啟動器遵循Modbus通訊協(xié)議。3、對于設(shè)計中其余電機及電動閥門均采用上海神引雙華公司生產(chǎn)的MC-205+智能電機保護器對其保護啟動。電機保護器遵循Modbus通訊協(xié)議。本系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計分為PLC的軟件設(shè)計、工控機的軟件設(shè)計和系統(tǒng)通訊，使用的軟件分別為西門子公司的STEP7和WinCC。SIMATICSTEP7是用于SIMATICS7-300/400，C7PLC和SIMATICWinAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)、編程和維護的項目管理工具。STEP7軟件己是第5代，它完全符合IEC1131-3國際標準。通過STEP7，用戶可以進行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、在線診斷PLC硬件配置狀態(tài)、控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。在生成一項目后，先插入站，然后可以組態(tài)硬件。在組態(tài)硬件時，可以借助于模板樣本對可編程控制器中的CPU及各模板進行定義，通過雙擊站來啟動硬件組態(tài)的應用程序。一旦存儲并退出硬件組態(tài)，對于在組態(tài)中生成的每一個可編程模板，都會自動生成S7/M7程序及空的連接表。連接表可用來定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。硬件組態(tài)完成后就可為編程模板生成軟件。為可編程模板編制的軟件存儲在對象文件夾中。對該對象文件夾稱作“S7-program”在子菜單中，可以選擇想要生成的塊的類型(如:數(shù)據(jù)塊，用戶定義的數(shù)據(jù)類型，功能，功能塊，組織塊或變量表)。打開一個空的塊，然后用語句表，梯形圖或功能圖輸入程序。在完成組態(tài)，參數(shù)賦值，程序創(chuàng)建和建立在線連接后，可以下載整個用戶程序或個別塊到一個可編程序控制器。在下載完整的或部分用戶程序到CPU之前，把工作方式從RIJN模式置到STOP模式?？梢酝ㄟ^在線連接下載各個塊或整個用戶程序到RAM。當電源關(guān)斷后和CPU復位時，保存在他們上面的數(shù)據(jù)將被保留。另外，可以從可編程控制器中上載一個工作站，或從一個S7CPU中上載塊到PG用C。這樣，當出現(xiàn)故障而不能訪問到程序文檔的符號或注釋時，就可以在PG用C中編輯它。用于S7-300的編程語言有：梯形圖（LAD）、語句表(STL)、和功能塊圖(FBD)LAD是STEP7編程語言的圖形表達方式。它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似:當電信號通過各個觸點復合元件以及輸出線圈時，梯形圖可以讓你追蹤電信號在電源示意線之間的流動。STL是STEP7編程語言的文本表達方式，與機器碼相似，CPU執(zhí)行程序時按每一條指令一步一步地執(zhí)行。FBD是S花P7編程語言的圖形表達方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達邏輯。在STEP7軟件中，結(jié)構(gòu)化的用戶程序是以“塊”的形式實現(xiàn)的。塊是一些獨立的程序或者數(shù)據(jù)單元，主要有以下幾種：(l)組織塊OB在CPU中，用戶程序由啟動程序、主程序和各種中斷響應程序等不同的程序模塊構(gòu)成，這些模塊在STEP中的實現(xiàn)形式就是OB，OB是直接被操作系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序塊。0BI是對應于循環(huán)執(zhí)行的主程序的程序塊，它是STEP7程序的主干。(2)功能FC和功能塊FBFC和FB都是由用戶自己編寫的程序模塊，可以被其他程序塊(OB、FC和FB)調(diào)用。與其他編程語言中的函數(shù)相似，F(xiàn)C/B也帶有參數(shù)，以名稱的方式給出的參數(shù)稱作形式參數(shù)，在調(diào)用時給形式參數(shù)賦的值就是實際參數(shù)，例如:將實參“I0.0”賦給形參“START”FC與FB的根本區(qū)別在于，F(xiàn)C不具備自己的存儲區(qū)，而FB擁有自己的存儲區(qū)—背景DB，在調(diào)用任何一個FB時，都必須指定一個背景DB。(3)系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFBSFC和SFB是預先編寫好的可供用戶程序調(diào)用的FC和FB，它們已經(jīng)固化在S7的CPU中，因此稱為“系統(tǒng)功能”和“系統(tǒng)功能塊”。通常SFC和SFB提供一些系統(tǒng)級的功能調(diào)用，例如通訊功能等。(4)背景DB和共享DBDB分為背景DB和共享DB兩種類型。背景DB是和FB相關(guān)聯(lián)的，因此在創(chuàng)建背景DB時，必須指定它所屬的FB，而且該FB必須是已經(jīng)存在的。背景DB和共享DB沒有本質(zhì)的區(qū)別，主要區(qū)別在于使用的目的:背景DB的用途或者目的是為某一個FB提供數(shù)據(jù)，因此其數(shù)據(jù)格式必須與該FB的變量聲明一致;共享DB的主要目的是為用戶程序提供一個可保存的數(shù)據(jù)區(qū)，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不依賴于特定的程序塊。STEP7的調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：圖3-2STEP7的調(diào)用結(jié)構(gòu)Configuration在西門子控制系統(tǒng)中表示組態(tài)的含義。在STEP7軟件中的硬件組態(tài)功能是一個非常實用的功能。通過硬件組態(tài)可以模擬實際PLC的硬件聯(lián)系，也可以對各種模塊的系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置和更改。(l)系統(tǒng)組態(tài)要完成系統(tǒng)組態(tài)，首先是在要組態(tài)的實際項目中拖選與本控制系統(tǒng)相匹配的機架(RACK)，然后根據(jù)實際項目中所實用的模塊情況，比如所使用模塊的點數(shù)，所使用模塊的型號等信息，將各自對應的模塊拖至機架中的相應位置上，這就完成了系統(tǒng)的框架，也就是硬件組態(tài)。(2)CPU的參數(shù)設(shè)置CPU中PLC進行控制的核心，由于PLC中的CPU具有非常多的參數(shù)選項，這些參數(shù)都應該在硬件組態(tài)中進行設(shè)置，也可以在任何時候?qū)λO(shè)置的參數(shù)進行調(diào)整。例如可以設(shè)置CPU進行循環(huán)掃描的時間，也可以把數(shù)據(jù)設(shè)置為保存在CPU中或者把數(shù)據(jù)設(shè)置在保存在專門的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，這都對軟件部分的實現(xiàn)非常重要。(3)其他模塊的參數(shù)設(shè)置不僅CPU中需要對參數(shù)進行賦值和設(shè)置，而且其他模塊同樣需要對參數(shù)進行設(shè)置，比如說輸入輸出模塊，就可以在硬件組態(tài)中對輸入和輸出的地址進行設(shè)置，設(shè)置完成以后的地址就可以在編寫程序時使用這些設(shè)定好的地址。本控制系統(tǒng)采用了總線型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。每個設(shè)備都可以通過總線連接器將自己掛接到Profius-DP現(xiàn)場總線之上。但是Profibus現(xiàn)場總線的兩端應該將總線連接器上的終端電阻打到ON狀態(tài)，其它連接到現(xiàn)場總線上的從站都應該將終端電阻打到OFF狀態(tài)。西門子可編程邏輯控制器給用戶提供了強大的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能，將利于網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能實現(xiàn)各個子站與中央控制主站之間的數(shù)據(jù)交換功能。光纜護套生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)示意圖如圖3-3所示：圖3-3硬件組態(tài)在本控制系統(tǒng)中使用西門子公司的S7-315-2DPPLC作為一類主站，上位機PC作為二類主站其余各站設(shè)置為從站。根據(jù)Profibus-DP配置的基本原則，主站和從站的站地址不能相同。主機S7-315-2DP默認的Profibus-DP地址就是2。除了主站使用的站地址2以外，從站的站地址可以從1到126任意配置。配置完成以后要將相應硬件模塊上設(shè)置DP站地址的撥碼開關(guān)撥至與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時配置的一樣，這樣才能夠完成硬件和軟件上的統(tǒng)一。本控制系統(tǒng)中的Profibud-DP站地址分配如表5所示：表5控制系統(tǒng)中Profibus-DP地址分配站點Profibus-DP地址分配上位機PC0（主站）中央控制單元S7-300PLC2（主站）PB-M總線橋（1）3（從站）西門子MM440變頻器4（從站）PB-M總線橋（2）5（從站）遠程I/OET-200M（1）6（從站）遠程I/OET-200M（2）7（從站）本系統(tǒng)中上位機WinCC與下位機S7-300PLC采用Profibus-DP進行連接，下位機S7-300PLC與現(xiàn)場設(shè)備同樣采用Profibus-DP進行連接通信。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊方式為主從結(jié)構(gòu)，主站可以得到令牌輪詢掃描從站。這里從站是現(xiàn)場的被控設(shè)備以及傳感器等，主站是PLC和PC。只有一個主從網(wǎng)絡(luò)。在從站設(shè)備中PB-M網(wǎng)橋是連接Modbus網(wǎng)絡(luò)與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，PB-M網(wǎng)橋是從站；對于Modbus網(wǎng)絡(luò)，它又是主站。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示圖3-4Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1、MM440變頻器的控制方式在本傳動系統(tǒng)中，與DP網(wǎng)絡(luò)直接連接的傳動設(shè)備只有MM440變頻器，在設(shè)計中，MM440變頻器控制的是轉(zhuǎn)鼓主電機。電氣原理圖與控制回路圖如下圖所示：圖3-5轉(zhuǎn)鼓主電機電氣原理圖圖3-6轉(zhuǎn)鼓主電機控制回路圖根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)鼓主電機采用變頻器控制，控制方式未現(xiàn)場總線控制和機旁操作且網(wǎng)絡(luò)控制和機旁控制均可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。為在上位機中監(jiān)控轉(zhuǎn)鼓主電機電流，采用電流變送器將電流信號送到PLC。為實現(xiàn)控制，變頻器需輸出轉(zhuǎn)矩信號到PLC，PLC要輸出速度給定信號到變頻器。因此，實現(xiàn)的是開環(huán)控制，控制框圖如下圖所示：圖3-7轉(zhuǎn)鼓主電機變頻開環(huán)控制因為轉(zhuǎn)鼓主電機在工藝中是將粒化過的高爐渣與其中的水分離開來。所做的是離心運動。其機械特性曲線如下圖所示：圖3-8轉(zhuǎn)鼓主電機機械特性曲線如上如所示，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入速度之間的函數(shù)關(guān)系是二次方率形式，即T正比于速度的平方。例如在n0點的輸入轉(zhuǎn)速送至PLC，通過現(xiàn)場總線送至MM440變頻器，經(jīng)過變頻器內(nèi)部計算輸出給轉(zhuǎn)鼓主電機。通過輸出轉(zhuǎn)矩的采樣，校正電機輸出的速度。MM440變頻器有多中控制方式。通常常用的有：恒磁通（V/f）控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。本次設(shè)計中采用的是矢量控制方式，同V/f控制相比，矢量控制有如下優(yōu)點：（1）在負載和給定值改變期間的穩(wěn)定性；（2）對于給定值改變有很短上升時間(→較好的控制性能)；（3）對于負載改變有很短上升時間(→較好的噪聲/干擾特性)；（4）可用一個最大可調(diào)轉(zhuǎn)矩進行加速和制動；（5）在電動和再生運行時，利用可調(diào)轉(zhuǎn)矩限幅可保護電機和傳動機械；（6）同速度無關(guān)地控制傳動系統(tǒng)和制動轉(zhuǎn)矩；（7）在0速時可以輸出全部停車轉(zhuǎn)矩。2、MM440變頻器的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在主站系統(tǒng)組態(tài)完畢情況下，如下圖：圖3-9組態(tài)DP主站在DP網(wǎng)上組態(tài)MM440變頻器，組態(tài)步驟如下：（1）打開硬件組態(tài)，在右側(cè)選擇“PROFIBUSDP”→“SIMOVERT”→“MICROMASTER4”，添加到DP總線上，如圖3-10。（2）在彈出窗口中選擇地址為4，如圖3-11所示。（3）選擇“MICROMASTER4”→“4PKW，2PZD(PP01)”，添加到從站中，如圖3-12所示。（4）從站組態(tài)完成，設(shè)置地址，PKW讀為IB288~IB295，PZD讀為IB296~IB299，PKW寫為QB272~QB279，PZD寫為QB280~QB283，如圖3-13。圖3-11插入MM440從站圖3-12設(shè)置MM440從站地址圖3-13組態(tài)從站3、MM440參數(shù)設(shè)置要使變頻器能夠用PLC通過Profibus來控制，變頻器也需要一定的參數(shù)設(shè)置才能實現(xiàn)：P700命令源6（從CB來）P918站號4（必需要與硬件組態(tài)時保持一致）P1000頻率設(shè)定源6（從CB來）4、程序的編寫對PZD(過程數(shù)據(jù))的讀寫：a.在Step7中對PZD(過程數(shù)據(jù))讀寫參數(shù)時調(diào)用SFC14和SFC15b.SFC14(“DPRD_DAT”)用于讀Profibus從站(MM440)的數(shù)據(jù)c.SFC15(“DPWR_DAT”)用于將數(shù)據(jù)寫入Profibus從站(MM440)d.硬件組態(tài)時PZD的起始地址：W#16#108(即264)(1)建立數(shù)據(jù)塊DB1，將數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)地址與從站(MM440)中的PZD、PKW數(shù)據(jù)區(qū)相對應(2)在OB1中調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15，完成從站(MM440)數(shù)據(jù)的讀和寫：其中：LADDR表示：硬件組態(tài)時PZD的起始地址（W#16#108即264）；RECORD表示：數(shù)據(jù)塊（DB1）中定義的PZD數(shù)據(jù)區(qū)相對應的數(shù)據(jù)地址；RET_VAL表示：程序塊的狀態(tài)字，可以以編碼的形式反映出程序的錯誤等狀態(tài)。在本例中設(shè)定值和控制字可以從數(shù)據(jù)塊DB1中傳送，DB1.DBW20設(shè)為047E再變?yōu)?47F后DB1.DBW22中的頻率值將輸出。狀態(tài)字和實際值可從DB1.DBW8,DB1.DBW10讀出。要對變頻器其他不同項目的參數(shù)進行設(shè)置，只要編程改變RECORD地址里的數(shù)值即可。對PKW(參數(shù)區(qū))讀寫a.在Step7中對PKW(參數(shù)區(qū))讀寫參數(shù)時同樣調(diào)用SFC14和SFC15b.SFC14(“DPRD_DAT”)用于讀Profibus從站的數(shù)據(jù)c.SFC15(“DPWR_DAT”)用于將數(shù)據(jù)寫入Profibus從站d.硬件組態(tài)時PKW的起始地址：W#16#108(即264)讀寫過程和對PZD(過程數(shù)據(jù))的讀寫相同，只要編程改變RECORD地址里的數(shù)值即可。上位機主要實現(xiàn)監(jiān)控功能，在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中充當操作員站的角色。它是傳動監(jiān)控系統(tǒng)可視化部分，完成人機界面的功能。通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)對下位機以及現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。本課題上位機人機界面采用西門子組態(tài)軟件WinCC來實現(xiàn)監(jiān)控界面的設(shè)計。組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺工具，是工業(yè)應用軟件的一個組成部分。它具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強大。組態(tài)軟件已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史。目前國內(nèi)的組態(tài)軟件產(chǎn)品大致可分為三類：1、國外專業(yè)軟件廠商提供的產(chǎn)品；2、國外硬件或系統(tǒng)廠商提供的產(chǎn)品；3、國內(nèi)自行開發(fā)的國產(chǎn)化產(chǎn)品。國內(nèi)組態(tài)軟件市場大部分份額被國外軟件占據(jù)著。國外的專業(yè)組態(tài)軟件主要有美國Wonderware公司的InTouch，澳大利亞CIT公司的Citect組態(tài)軟件，德國西門子公司的WinCC組態(tài)軟件。西門子組態(tài)軟件在歐洲已經(jīng)成為最流行的組態(tài)軟件。西門子組態(tài)軟件與其它組態(tài)軟件相比主要有以下優(yōu)點：(1)與自動化系統(tǒng)的無縫集成。WinCC與相應的硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，通過統(tǒng)一的組態(tài)和編程，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)一的通訊，極大地降低了用戶軟硬件組態(tài)的工程量，實現(xiàn)了整個產(chǎn)品范圍內(nèi)的高度集成。這也是選擇是WinCC組態(tài)軟件