西門子變頻器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在中厚板精整系統(tǒng)的應用

1、西門子變頻器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在中厚板精整系統(tǒng)的應用摘 要：隨著計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的飛速發(fā)展,處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)需要一種能多點數(shù)字通信而形成廉價可靠的底層網(wǎng)絡系統(tǒng),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正是滿足這種需求的工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。近年來，PROFIBUS現(xiàn)場總線技術得到了日益發(fā)展，這樣如何為一個設備開發(fā)PROFIBUS現(xiàn)場總線通信接口，使設備能接到PROFIBUS現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡中就顯得尤為重要。PROFIBUS現(xiàn)場總線是工業(yè)自動控制領域最新最流行的控制技術，本文針對該總線的工作原理和特點，介紹了西門子變頻器在該系統(tǒng)中的應用情況，詳細分析了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的拓撲結構、系統(tǒng)中主站和從站的

2、建立、變頻器GSD文件的導入，給出了總線系統(tǒng)中控制字和狀態(tài)字的數(shù)據(jù)格式，敘述了該系統(tǒng)在中厚板精整系統(tǒng)中的應用。關鍵詞：變頻器；PROFIBUS-DP；中厚板；精整系統(tǒng)Siemens frequency changer network control system in cut deal finishing system applicationABSTRACT：Along with technical and so on computer, correspondence, network rapid development, are in the production process first

3、 floor the observation and control automated system to need one kind to be able to select the digital communication to form the inexpensive reliable first floor network system, the field bus control system are precisely meet this kind of need the industry network control system. In recent years, the

4、 PROFIBUS field bus technology obtained has flourished more and more daily, how like this was an equipment develops the PROFIBUS field bus correspondence connection, enabled the equipment to receive the PROFIBUS field bus in the network to appear especially importantly.The PROFIBUS field bus is the

5、industry automatic control domain most newly most popular control technology, this article in view of this main line principle of work and the characteristic, introduced the Siemens frequency changer in this system application situation, in multianalysis PROFIBUS-DP network topology, the system the

6、master station and from the establishment, frequency changer GSD document induction which stood, has given in the main line system the control word and the condition character data format, narrated this system in cut deal finishing system application.Keywords: Frequency changer; PROFIBUS-DP; Cut dea

7、l; Finishing system前 言當今世界，信息技術突飛猛進，整個人類社會正在步入信息時代。隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋生產(chǎn)、生活的各個方面和各個層次。這一切，引起自動化領域的深刻變革?，F(xiàn)場總線應運而生，并且成為自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制技術領域的一個新時代。現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入輸出模塊、智能信號裝置、過程調(diào)節(jié)裝置、可編程序控制器（PLC）和 PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把IO通道分散到實際需要的現(xiàn)場設備附近，使安裝和布線的費用開銷減少到最小，從而使成本費用大大節(jié)省。原因之二是標準化的現(xiàn)

8、場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散IO裝置和現(xiàn)場設備，同時也可以方便地實現(xiàn)二級及三級網(wǎng)絡的連接。中厚板精整區(qū)域的主要設備有冷床輸入輥道、輸入提升鏈、滾盤、輸出提升鏈及輸出輥道、潤滑站及冷床冷卻風機，另外還有火焰切割系統(tǒng)、運輸輥道、翻板機、電磁起重機等。由于中厚板精整區(qū)域由于設備數(shù)量較多，同時又分散在較大的范圍內(nèi)，因此特別適合采用現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。本文結合當前網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中的應用情況闡述了中厚板精整系統(tǒng)的工作原理，設計出交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)場總線的總體拓撲結構圖以及變頻器與總線網(wǎng)絡的連接方式，并分析了它們之間的通訊機理,設計出了通訊程

9、序，確定了變頻器和其他控制設備的型號，并設定了變頻器的功能參數(shù)，并且在試驗裝置進行了試驗，經(jīng)分析驗證，該系統(tǒng)能安全、可靠、穩(wěn)定的運行，達到了此次設計的預期目標。第一章 系統(tǒng)概述1.1 現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，它的關鍵標志是能支持雙向多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價低廉、維護成本低等特點。Profibus（Process Field bus），是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技

10、術，可實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信。 Profibus協(xié)議的結構根據(jù)ISO7498國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OSI為參考模型，Profibus-DP（分散型外圍設備）只用了第一層、第二層和用戶接口。第一層PHY，規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。Profibus-DP通過差分電壓輸出的RS485實現(xiàn)電流連接。在線性拓撲結構下采用雙絞線連接。第二層MAC，描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方法。Profibus-DP采用一種混合訪問方法。第二層FLC，規(guī)定了對低層接口。第二層FMA1/2完成第二層MAC特定總線參數(shù)設定和第一層設定。Profibus-DP是采用主從通訊

11、和令牌通訊的，主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應進行通訊。主站和主站之間靠得到總線控制權(令牌)進行通訊。RS-485是Profibus-DP最常用的一種，通稱為H2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，只要符合Profibus-DP協(xié)議的設備都可以掛在總線上。RS-485每段最多32個站點, 帶中繼器最多可到127點。傳輸可選9.6kbps12Mbps, 最大距離12Mbps時為100m，用中繼器可以加大傳輸距離，網(wǎng)絡最大傳輸距離可達90km。Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。另外一種傳輸介質(zhì)是光纖FO傳，它用于干擾很大地環(huán)境?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

12、、管理系統(tǒng)三個部分組成，而通信部分的硬、軟件是它最有特色的部分?，F(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)的特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進行調(diào)整。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進行網(wǎng)絡組態(tài)。在網(wǎng)絡運行過程中對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等?，F(xiàn)場總線的

13、設備管理系統(tǒng)則可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備制造信息。例如FisherRosemoune公司，推出AMS管理系統(tǒng)，它安裝在主機算機內(nèi)，由它完成管理功能，可以構成一個現(xiàn)場設備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎上實現(xiàn)設備的可靠性分析以及預測性維護。將被動的管理模式改變?yōu)榭深A測性的管理維護模式AMS軟件是以現(xiàn)場服務器為平臺的T型結構，在現(xiàn)場服務器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。1.2 中厚板精整系統(tǒng)簡介中厚板精整區(qū)域的主要設備有：冷床輸入輥道、輸入提升鏈、滾盤、輸出提升鏈及輸出輥道、潤滑站及冷床冷卻風機，另外還有火焰

14、切割系統(tǒng)、運輸輥道、翻板機、電磁起重機等。在精整區(qū)域中，涉及設計、供貨廠商不下十家，主體硬件使用SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives，可以用于交流鼠籠異步機和小容量的同步電機。將三相固定頻率和電壓的輸入轉換為三相交流可率和電壓的輸出電源，為交直交變頻控制，由于直流電壓源的箝位作用，交流側電壓波形為矩形波，與負載阻抗無關，而交流側的電流波形和相位因負載阻抗角的不同而異，其波形或接近三角波，或接近正弦波。使用形式各自不同：厚板廠主體驅(qū)動設備由德國SIEMENS提供，用的是標準的6SE70系列SIMOVERT Masterdrives控制，為柜式傳動單元集中控制，如冷床、剪切線

15、、冷矯、涂漆線、噴印機及各類輥道控制；也有的采用SIMOVERT緊湊式單元單獨控制，具有單體容量小、體積小、便于控制等特點，如LOI提供的熱處理線，這條線與其它各生產(chǎn)線驅(qū)動控制相比，還有一個特點，就是采用了冗余的CBP2控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能；也有采用6SE71系列的SIMOVERT產(chǎn)品，如USF設計的拋丸線，這種驅(qū)動設備采用的是SIEMENS整合技術，結構標準、使用也相當可靠。當然，從投資部分考慮，對小區(qū)域輔助設備也采用了部分MICROMASTER變頻裝置。1.3 課題研究的意義現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入輸出模塊、智能信號裝置、過程調(diào)節(jié)裝置、可編程序控制器（PLC）和 PC之間的數(shù)

16、據(jù)傳輸，把IO通道分散到實際需要的現(xiàn)場設備附近，使安裝和布線的費用開銷減少到最小，從而使成本費用大大節(jié)省。原因之二是標準化的現(xiàn)場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散IO裝置和現(xiàn)場設備，同時也可以方便地實現(xiàn)二級及三級網(wǎng)絡的連接。濟鋼中厚板三期工程精整區(qū)域由于設備數(shù)量較多，同時又分散在較大的范圍內(nèi)，因此特別適合采用現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。PROFIBUS具有較廣的制造基礎和較多的使用經(jīng)驗，其應用領域包括制造業(yè)加工自動化、過程自動化、樓宇自動化、交通、鐵路、電力領域的自動化和自動控制等方面。采用這種技術，系統(tǒng)結構簡單，監(jiān)測和操作使用高可靠工控機，在軟硬件兩方面保

17、證了系統(tǒng)的高可靠性，同時系統(tǒng)可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，集成度高，控制電纜的敷設大大減少。許多變頻調(diào)速系統(tǒng)都是利用PROFIBUSDP網(wǎng)絡實現(xiàn)，并且基于PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計靈活、易于重構、易于維護，因此，研究設計基于PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的應用具有十分深遠的意義。1.4 課題的發(fā)展趨勢現(xiàn)場總線應用工程的發(fā)展趨勢可歸類為以下幾個方面：1 通過應用技術發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)勢現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)越性很多，主要突出它的哪一種優(yōu)點。我們認為首先要突出現(xiàn)場總線降低系統(tǒng)投資成本和減少運行費用的優(yōu)點。這一點很重要，有了這一基本思想，在進行總線類型的選擇和網(wǎng)絡設計時，就會有明確的方向。但是，現(xiàn)場總線的這項優(yōu)

18、點能否發(fā)揮，與應用者是否合理地使用現(xiàn)場總線、充分發(fā)揮它的潛能有關。2 不同類型的現(xiàn)場總線組合更有利于降低成本針對不同的情況選用不同的總線可以最大限度地降低系統(tǒng)成本。位式總線的能力很有限，用位式總線作為大型系統(tǒng)的信息傳輸主體是不可能的。但是它在成本，速度等方面的優(yōu)勢又是其它高層次總線無法替代的。因此它常常與其它總線混合使用。用戶可能會擔心，用了多種現(xiàn)場總線，會使整個系統(tǒng)的操作、管理變得復雜。實際現(xiàn)在一些通用的人-機界面軟件，都支持多種現(xiàn)場總線，因此到人-機界面這一層，不同總線的區(qū)別對使用者來說是不大的。3 現(xiàn)場總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化 一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處

19、理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線和智能儀表后，可以從現(xiàn)場得到更多的診斷、維護和管理信息。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量大大增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力、減少多余信息的傳遞。另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返。如果僅僅把現(xiàn)場總線理解為省掉了幾根電纜，是沒有理解到它的實質(zhì)。信息處理的現(xiàn)場化才是智能化儀表和現(xiàn)場總線所追求的目標，也是現(xiàn)場總線不同與其它計算機通信技術的標志。4 網(wǎng)絡的設計 一般控制系統(tǒng)也有網(wǎng)絡設計問題，網(wǎng)絡設計的重點是從物理形態(tài)上考慮通信網(wǎng)絡和輸入、輸出線纜網(wǎng)絡的布置。許多現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡形態(tài)是

20、線形的，每一組網(wǎng)段上的節(jié)點數(shù)是有限制的。由于網(wǎng)段上的節(jié)點數(shù)較少，因此除考慮網(wǎng)絡的物理布置之外，還要考慮減少信息在網(wǎng)絡上的往返傳遞。減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭砀纳葡到y(tǒng)響應時間的好處。因此，網(wǎng)絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。例如多回路調(diào)節(jié)中，一個調(diào)節(jié)回路的節(jié)點應盡量放置在同一條支路里。5 系統(tǒng)組態(tài)簡單化 現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網(wǎng)絡支路上有許多功能類同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。 考慮

21、這個問題的原則是盡量減少總線上的信息往返，一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關系比較復雜，如果不是對現(xiàn)場總線非常熟悉，很難將系統(tǒng)設置到最佳狀態(tài)。顯然，廣大用戶對這種狀態(tài)不滿意。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的制造商也正在努力，以使系統(tǒng)組態(tài)逐步簡單化。現(xiàn)場總線的發(fā)展很快，我國在現(xiàn)場總線的開發(fā)和應用方面都緊跟了世界潮流，其發(fā)展速度超出預料?，F(xiàn)場總線是一種不可阻擋的發(fā)展趨勢，其先進的技術有著極強的生命力，使傳統(tǒng)的工控系統(tǒng)發(fā)生了全新的變化，對工業(yè)控制發(fā)展起著深遠的影響，可以斷言，工控領域的下一個時代必將是現(xiàn)場總線的時代。第二章

22、PROFIBUS的網(wǎng)絡配置中厚板精整區(qū)域的主要設備有冷床輸入輥道、輸入提升鏈、滾盤、輸出提升鏈及輸出輥道、潤滑站及冷床冷卻風機，另外還有火焰切割系統(tǒng)、運輸輥道、翻板機、電磁起重機等。中厚板廠的原有自動化設備，絕大多數(shù)采用SIEMENS公司的產(chǎn)品。為了便于維護和網(wǎng)絡連接，精整區(qū)域的自動化控制設備也以SIEMENS的產(chǎn)品為主，PLC選用S7300，其中CPU型號為3152DP。傳動系統(tǒng)全部為SIMOVERT MASTERDRIVERS矢量控制型變頻器。2.1 PROFIBUS系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖2.1 PROFIBUS系統(tǒng)網(wǎng)絡結構在此次設計中，l#冷床及精整區(qū)域PROFIBUSDP系統(tǒng)中，2#站S730

23、0為主站，本站的模塊均為冷床系統(tǒng)輸入輸出點。3樣站，17樣站為遠程ET-200，其中3樣站ET-200是精整系統(tǒng)的遠程IO，17樣站ET-200則作為冷床操作臺遠程IO。48#站是輸入輸出系統(tǒng)傳動變頻器，916#站是1#冷床系統(tǒng)傳動變頻器，182l樣站則是2#冷床系統(tǒng)傳動變頻器。我們選擇具有CPU 315-2 DP的S7-300 PLC和PC+PROFIBUS網(wǎng)卡CP5611作為主站。SIMATIC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，它有中央處理單元CPU315-2DP：，用于數(shù)字量和模擬量輸入輸出的信號模塊SM，用于連接網(wǎng)絡和點對點連接的通訊處理器CP5611，用于高速計數(shù)，定位操作和閉環(huán)

24、控制的功能模塊，用于多機架配置時連接主機架CR和擴展機架ER的接口模塊和用于將SIMATICS7300連接到120230V交流電源負載電源模塊PS-307。2.2 主/從站設計 一類主站根據(jù)本此設計的要求我們選擇具有CPU 315-2 DP的S7-300 PLC做一類主站。S7-300 PLC系統(tǒng)處理器CPU315-2DP內(nèi)置一個符合EN50170標準的PROFIBUS-DP和一個MPI接口。PROFIBUS-DP接口使用一個九針D型插頭，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞電纜，傳輸速率為9. 6Kbps - 12Mbps。傳輸距離為l00m到1200m，通過中繼器后傳輸距離還可加長。可連接的DP從站最大數(shù)目

25、為63.一類主站S7-315-2DP PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，利用它內(nèi)部較大工作存儲器(64K)，以及內(nèi)部集成96K的裝載存儲容量，儲存設備的運行參數(shù)。S7-315-2DP PLC負責采集和控制現(xiàn)場總線及各附屬設備，最大限度保證設備正常運行。 二類主站選擇PC+PROFIBUS網(wǎng)卡CP5611做二類主站。二類主站主要用于完成系統(tǒng)各站的系統(tǒng)配置、編程、參數(shù)設定、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與存儲等功能。在本實驗系統(tǒng)，采用PHI微機+PROFIBUS網(wǎng)卡CP55611作為二類主站。二類主站上主要運行Siemens公司提供的組態(tài)軟件包Step 7用以對現(xiàn)場總線上的設備組態(tài)，運行WinCC軟件包用于對現(xiàn)場

26、的監(jiān)視，過程數(shù)據(jù)及報警信息的歸檔等。二類主站主要強化“上位機”的數(shù)據(jù)處理以及監(jiān)視功能，而淡化其控制的功能，以保證系統(tǒng)具有一定的抗干擾，提高整個系統(tǒng)的可靠性。 DP從站的選擇在這里ET200是一個帶PROFIBUS-DP接口的分散式I/O，它是一種模塊式結構的遠程I/O站。ET 200遠程I/O可使用CPU 315-2 DP S7-300的SM-321I/O模塊進行輸入和輸出。通過ET 200，可以直接將電梯實驗模型連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，從而實現(xiàn)對具有52個開關量輸入點電梯實驗模型的控制。 主站卡設計 DP主站卡是FM811主控單元內(nèi)的一塊插卡，是一塊智能DP協(xié)議卡，能完成Pro

27、fiBus-DP協(xié)議鏈路層和物理層功能，減輕主站CPU的負擔。工作原理框圖如圖6.2所示。圖2.2 工作原理框圖DP主站卡的主要性能指標如表2.1所示。表2.1 性能指標2.3 PROFIBUS的網(wǎng)絡配置2.3.1 S7-300西門子公司的PLC抗干擾能力強，可靠性高；控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強；編程方便，易于使用；功能完善；設計、施工、調(diào)試的周期短；體積小，維護操作方便。而西門子的S7300系列的PLC提供了多種性能遞增的CPU和豐富的卻帶有許多方便功能的I/O模塊，各種功能模塊，可以非常好地滿足和適應自動控制任務，使用戶完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊，當控制任務增加且愈加復雜時，可隨時附加

28、模塊對PLC進行靈活的擴展，并且，S7-300性能價格比越來越高，具有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算能力，為鋼鐵企業(yè)提供了完成控制任務既方便又經(jīng)濟的解決方案。所以被系統(tǒng)采用西門子300系列的PLC作為控制器，達到對中厚板精整的靈活控制。SIMATIC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，但它能滿足中等性能要求的應用。它的模塊化、無風扇結構、易于實現(xiàn)分布和易于用戶掌握等特點使得其成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的解決方案。它還有各種大范圍的功能模塊可以非常好地滿足和適應自動控制任務，而且控制任務增加時，它可以使用附加模塊對PLC進行擴展。系統(tǒng)組成：中央處理單元(CPU)：各種C

29、PU有不同的性能，例如有的CPU上集成有PROFIBUSDP通訊接口等。信號模塊(SM)：用于數(shù)字量和模擬量輸入輸出。通訊處理器(CP)：用于連接網(wǎng)絡和點對點連接。功能模塊(FM)：用于高速計數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。負載電源模塊(PS)：用于將SIMATICS7300連接到120230V交流電源，或244860110V直流電源。接口模塊(1M)：用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(ER)。S7300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER)，可以操作多達32個模塊。運行時無需風扇。SIMATICS7300適用于通用領域：高電磁兼容性和強抗振動，沖擊性，使其具有

30、最高的工業(yè)環(huán)境適應性。SIMATICS7300的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護，其主要功能如下： 1 高速的指令處理：0.10.6u s的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應用領域。2 浮點數(shù)運算：用此功能可以有效地實現(xiàn)更為復雜的算術運算。方便用戶的參數(shù)賦值：一個帶標準用戶接口的軟件工具給所有模塊進行參數(shù)賦值。3 人機界面(HMl)：方便的人機界面服務已經(jīng)集成在S7300操作系統(tǒng)內(nèi)、因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面(HMl)從S7300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。4

31、診斷功能：CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件(例如：超時、模塊更換等)。5 口令保護：多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改，操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。6 通訊：這是一個經(jīng)濟而有效的解決方案；方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。SIMATICS7300具有多種不同的通訊接口：多種通訊處理器用來連接ASI接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通訊處理器用來連接點到點的通訊系統(tǒng)；多點接口(MPl)集成在CPU中，用

32、于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7C7等自動化控制系統(tǒng)。CPU 作為DP類型1主站，CPU位于控制中心，本系統(tǒng)采用CPU315-2DP模塊化中型PLC，它具有強大的處理能力，并集成了Profibus-DP現(xiàn)場總線接口裝置，同時還具有0.3ms處理1024個語句的速度。PLC程序在上位機的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU315，并存儲在CPU315中。CPU315可自動運行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設備。2.3.2 PC主機MICRO DOS/WINDOWS的PC機、筆記本計算機、工業(yè)級計算機均可配置成PROFIB

33、US的編程、監(jiān)測、操作工作站。SIEMENS公司為其自動化系統(tǒng)專門設計提供了堅固結構工業(yè)級工作站，即PG。2.3.3 CPU 在本次的設計中，我們采用的CPU型號是CPU315/3152DP：CPU315是具有中到大容量程序存儲器和大規(guī)模的CPU。 CPU3152DP 是具有中到大容量程序存儲器和PROFIBUSDP主/從接口的CPU，它包括分布式及集成式I/O的任務中。CPU封裝在一個牢固而緊湊的塑料機殼內(nèi)，面板上有狀態(tài)和故障指示燈、方式選擇鑰匙開關、MPI接口。另外，CPU還有后備電池盒和存儲器插槽。CPU以梯形圖、功能塊FBD或語句表STL進行編程，同時可以采用工程工具如S7-GRAPH

34、、S7-Hi-Graph、SCL、CFC或SFC。SIMATIC S7-300可采用不同性能級別的多種CPU，其中CPU315-2DP用于要求中到大規(guī)模程序和通過PROFIBUS-DP進行分布式配置的設備。CPU315-2DP的內(nèi)置為96K字節(jié)公羊，其插入式存儲卡最大為512K字節(jié)FEPROM。CPU有4種操作模式：STOP（停機）、STARTUP（啟動）、RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口和其它設備通信。1 STOP模式：CPU模塊通電后，自動進入STOP模式，在該模式下不執(zhí)行用戶程序，可以接收全局數(shù)據(jù)和檢查系統(tǒng)。2 RUN模式：執(zhí)行用戶程序，刷新輸入和輸

35、出，處理中斷和故障信息服務。3 HOLD模式：在起動和RUN模式執(zhí)行程序時遇到調(diào)試用的斷點，用戶程序的執(zhí)被掛起（暫停），定時器被凍結。4 START UP模式：啟動模式，可以用鑰匙開關或編程軟件啟動CPU。如果鑰匙開關在RUN或RUNP位置，通電時自動進入啟動模式。 輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊統(tǒng)稱為信號模塊（SM），包括數(shù)字量（或稱開關量）輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。S7300的輸入/輸出模塊的外部接線接在插入式的前連接器的端子上，前連接器插在前蓋后面的凹槽內(nèi)。不需斷開前連接器上的外部連線，就可以迅速的更換模塊。第一次

36、插入連接器時，有一個編碼元件與之持配合，這樣該連接器就只能插入同樣類型的模塊中。 ET200ET200系列幾乎能完全適應環(huán)境條件處理所有的任務。對ET200而言，不存在任何冗余設計或是安全工程，他具有簡單的輸入和輸出，更多位于現(xiàn)場的工藝模塊，大量的I/O通道， 能在酷熱、嚴寒、強壓、潮濕、多塵埃的環(huán)境條件下工作。ET200的“按位模塊化”的新結構意味著可以使用16路或32路的高密度模塊，也可以使用2路或4路的輸入、輸出模塊。用“按位模塊化”的模塊種類有數(shù)字量/模擬量的輸入/輸出模塊，以及單面通道高速記數(shù)及定位模塊等。ET200具有集成的附加性能，可在減少成本的同時提高系統(tǒng)的功能度，可以將數(shù)字量

37、I/O和模擬量I/O和分布式智能、安全技術電機啟動器、工藝模塊等功能結合使用。ET200提供了連接光纖PROFIBUS網(wǎng)絡的接口，這可以節(jié)省費用昂貴的抗電磁干擾措施。2.3.6 PROFIBUS網(wǎng)卡CP5611CP5611網(wǎng)卡是Siemens公司提供的將PC機加入到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的通信處理器卡。 CP5611卡提供一個PROFIBUS - DP接口，使PC機成為一個PROFIBUS -DP 二類主站，使二類主站具有DP協(xié)議諸如初始化、數(shù)據(jù)庫管理、故障、數(shù)據(jù)傳送及控制等功能。 PC機通過網(wǎng)卡CP5611實現(xiàn)對現(xiàn)場總線設備的組態(tài)及監(jiān)視。2.3.7 SIMOVERT MASTERDRIV

38、ERS矢量變頻器矢量控制，最通俗的講是為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優(yōu)秀的運行性能及很高的控制性能，通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需要的轉矩。當然相對于標量控制而言，矢量控制的結構復雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數(shù)。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度(萬分之五)，而前者為千分之五。在中厚板精整系統(tǒng)中我們采用的是SIMOVERT MASTERDRIVERS矢量變頻器。其優(yōu)點有：1、控制特性非常優(yōu)良；2、能適應要求高速響應的場；3、調(diào)速范圍大(1:100)；4、可進行轉矩控制。2

39、.3.8 PS-307電源PS-307電源模塊將AC120/230V電壓轉換為DC 24 V電壓，為S7300、傳感器和執(zhí)行器供電。輸出電流有2A、5A或10A三種。本系統(tǒng)用到的是PS 307電源模塊10A 6ES7 307-1KA00-0AA0。S7-300需要24伏直流電源，而PS-307負載電源模塊可將120/230伏交流電壓轉化為該單元的24伏直流工作電壓，這樣就可以使用線路電源來運行SIMATIC S7-300和過程傳感器及執(zhí)行元件了。PS-307的起動電流（在25時）為55A，輸出電流為10A，輸出電壓為24V（直流），并且具有電子式非鎖定短路保護和開路保護，還具有可靠的隔離特性，

40、輸入功率為270W，功率損耗大約為30W，效率可達89%。為了線路保護，我們盡可能安裝一個小型斷路器（MCB）以保護PS7300電源模塊（10A）的電源進線電纜。其斷路器指標應為：230VAC時額定電流：16A；跳閘類型：B或C。PS-307 電源模塊(10A)具有以下顯著特性：1 輸出電流10A；2 輸出電壓24VDC 防短路和開路保護；3 連接單相交流系統(tǒng) (輸入電壓120/230 VAC 50/60Hz)；4 可靠的隔離特性符合EN 60 950；5 可用作負載電源。2.3.9 接口模板PROFIBUS-DP區(qū)分主動和被動兩種總線節(jié)點。主動節(jié)點為主設備，被動節(jié)點為從設備。運行過程中，網(wǎng)絡

41、中的各節(jié)點共享傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)需要控制對網(wǎng)絡的訪問。在圖1中，按主從令牌方式訪問網(wǎng)絡的原則，只有主動節(jié)點才能接受訪問網(wǎng)絡的權利。通過從一個主站將令牌傳遞給下一個主站來訪問網(wǎng)絡的權利。如果不需要發(fā)送，令牌就傳遞給下一個主站。被動的總線節(jié)點是直接通過主模塊的輪詢來分配的。如果采用一般的標準網(wǎng)絡部件就不能滿足通信協(xié)議的實時性。因此，必須采用相應的接口模板來實現(xiàn)其通信性能。比較典型的接口模板有：1 主接口模板IM180IM180主接口模板能獨立地處理整個總線的控制，能將第三方設備作為主設備連接到PROFIBUS-DP上，減輕可編程控制器（PLC）、個人計算機（PC）、驅(qū)動控制器和人-機界面（HMI）的通

42、信處理工作量。組成：IM 180 接口模板主要由ASIC芯片APSC2、80C165微處理器和FLASH-EPROM、RAM組成。ASPC2由48MHZ晶振提供脈沖。模板尺寸為100×100 mm，適合face-to-face方式的安裝。IM 180還需要一塊母板IM181，IM 181是一塊 ISA 短卡，可用于一般編程設備或PC機。主要技術指標：最大數(shù)據(jù)傳輸速率12M bit/s。PROFIBUS-DP協(xié)議由ASPC2ASIC芯片處理。模塊核心組件：80C156CPU、40MHZ晶振、2×128K BYTES RAM、256KWORDS EPROM。主系統(tǒng)接口：16/8

43、位數(shù)據(jù)總線連接雙口RAM（8K×16BIT）；64針連接器（4排）；可選的16/8位數(shù)據(jù)總線連接表。通過雙口RAM實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)交換；5VDC供電。其結構圖如圖2.3所示。圖2.3 IM180模板結構圖 IM180模板能夠完全獨立地處理總線通信協(xié)議，由于與主機系統(tǒng)的通信是經(jīng)過一個雙端口RAM接口實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)交換由用戶程序處理，因此，數(shù)據(jù)可以不受總線周期的影響而傳輸。 圖2.3中PROFIBUS控制器ASPC2為中斷控制器芯片，ASPC 2芯片是一種用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS協(xié)議。通過段耦合器也可連接PROFIBUS-PA。ASPC 2

44、可完成信息報文、地址碼、備份數(shù)據(jù)序列的處理，ASPC 2 與相關FRIMWARE可支持PROFIBUS-FMS/DP的全部協(xié)議。ASPC 2可尋址1M字節(jié)的外部信息報文存儲器?？偩€存取驅(qū)動由硬件完成。ASPC 2 主要技術指標：支持PROFIBUS-DP、-FMS、-PA協(xié)議；最大數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s；最多可連接125個ACTIVE/PASSIVE站點；16位數(shù)據(jù)線、2條中斷線；5VDC供電，最大功率損耗0.8W。 工作時，中斷控制器向處理器80C165報告事件的變化。這些事件主要是確認/表示信息和不同的錯誤事件。中斷控制器包括最多16個事件，可以連接一個或兩個中斷輸出，不提供優(yōu)先級和

45、中斷向量。ASPC2中斷控制器的結構如圖2.4所示。圖2.4 ASPC2中斷控制器結構圖控制器中有一個中斷請求寄存器（IRR）、一個中斷屏蔽寄存器（IMR）、一個中斷寄存器和一個中斷響應寄存器（IAR）。每次中斷事件存儲在IRR中。IMR可用于禁止各中斷。IRR中的輸入與中斷屏蔽無關。在IMR中未被禁止的中斷信號通過一個S網(wǎng)絡產(chǎn)生X/INT-EV interrupt.此外，可獲得第二個中斷輸出。利用模式寄存器0中的“SEP-INT”參數(shù)，CON/IND既可以被連接到公共的X/INT-EV中斷（“SEP-INT=0”），也可連到獨立的X/INT-CI interrupt(“SEP-INT=1”)

46、。一旦有了X/INT-EV，處理器必須讀ASPC2的中斷寄存器（IR），以確定是哪個中斷請求。中斷寄存器是IMR的輸出。每個被處理器響應的中斷必須通過IAR（也可以是CON/IND）清除，此時須在響應位上置邏輯“1”。如果在前一個已確認的中斷正等待時，IRR又收到一個新的中斷請求，則此中斷被保留。接著處理器使能屏蔽，以確保IRR不裝有以前的輸入。出于安全考慮，使能屏蔽之前必須清除IRR中的位。執(zhí)行中斷程序之前，處理器必須在模式寄存器中設置“End of Interrupt-Signal(EOI)=1”，此跳變使兩個中斷線失效。如果一個中斷仍保存著，則當EOL使之失效后，該中斷輸出將再次激活，這

47、樣可以利用沿觸發(fā)的中斷輸入再次進入中斷程序。EOL的無效時間可以設置為1us1ms，中斷輸出的極性可以設置，硬件復位后輸出低電平有效。2 從接口模板IM183-1IM183-1用于智能從設備，能將第三方設備作為從設備連接到PROFIBUS-DP上。IM183-1從接口模板的最大傳輸速率為12Mbit/s，且可自動檢測總線數(shù)據(jù)傳輸速率。模板核心：ASIC芯片SPC3，SPC3芯片使用48MHZ石英晶振；80C32微處理器；20兆時鐘頻率；32K字節(jié)SRAM用戶程序；32K字節(jié)或者64K字節(jié)EPROM程序存儲器。主機接口是接口模板上的地址和數(shù)據(jù)總線。主要連接：用于與主機網(wǎng)絡設備連接的50插針連接器

48、；用于RS232的14插針連接器；用于PROFIBUS-DP的RS485 10插針連接器。具有軟件復位功能。其組成結構如圖2.5所示。圖2.5 從接口模板IM183-1組成結構圖IM183-1能夠完全獨立地由專用集成電路SPC3 芯片處理PROFIBUS-DP總線協(xié)議的所有通信任務，與主機系統(tǒng)的通信是經(jīng)過引導連接電纜的地址和數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)交換由用戶程序處理，因此，數(shù)據(jù)可以不受總線周期的影響而傳輸。3 從接口模板IM184IM184用于諸如傳感器、執(zhí)行器等的簡單從設備，能將第三方作為從設備簡單地連接到PROFIBUS-DP上。IM184從接口模板的最大傳輸速率為12Mbit/s。32個可組

49、態(tài)的輸入/輸出，其中最多16個可作為診斷輸入，8個獨立的診斷輸入。組成 ：IM 184 接口模板主要由ASIC芯片LSPM2、EEPROM擴展槽和一個用于PROFIBUS-DP的RS-485接口組成。LED可顯示“RUN”、“BUS ERROR”和“DIAGNOSTICS”狀態(tài)。LSPM2由48MHZ晶振提供脈沖源。連接：用于與主機網(wǎng)絡連接的2*34插針連接器；用于RS485的10插針連接器；用于PROFIBUS-DP的浮置RS485接口。其結構組成如圖2.6所示。圖2.6 從接口模板IM184結構組成圖IM184的專用集成電路LSPM2芯片能完全獨立地處理PROFIBUS-DP總線協(xié)議，經(jīng)過

50、一根連接電纜即可實現(xiàn)與主機系統(tǒng)的通信，通信過程中所需的輸入/輸出信號必須經(jīng)插針饋送到這根連接電纜上。當它從主設備那里接收到一個無差錯的報文幀時，會獨立地產(chǎn)生需要的回答幀。IM 184不需要任何FRIMWARE，模塊上的ASIC可處理全部協(xié)議。2.3.10 PROFIBUS的實現(xiàn)現(xiàn)場總線實現(xiàn)的3個重要條件是：系列芯片、軟件技術和開發(fā)工具。由于目前PROFIBUS協(xié)議芯片系列廣泛，所以實現(xiàn)起來既簡單又便宜。原則上只要微處理器配有內(nèi)部或外部的異步串行接口(UART), PROFIBUS在任何微處理器上都可以實現(xiàn)。但是如果協(xié)議的傳輸速度超過500Kbps或與IEC1158-2傳輸技術連接時，建議使用A

51、SIC協(xié)議芯片。至于采用何種實現(xiàn)方法主要取決與現(xiàn)場設備的復雜程度、需要的性能和功能。表2.2是PROFIBUS芯片的技術數(shù)據(jù)。表2.2 PROFIBUS芯片技術參數(shù) 芯片技術參數(shù) LSPM2 SPM2 SPC3 SPC4 ASPC2符合協(xié)議PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP PA FMSPROFIBUS-DP FMS最大數(shù)據(jù)傳輸率/Mbps 12 12 12 12 12數(shù)據(jù)傳輸速度自動識別 是 是 是 是 是是否需要微處理器 否 否 是 是 是系統(tǒng)軟件大小 不要 不要 6KB830KB 80KB電源要求 DC5V DC5V DC5V DC5

52、V DC5V功耗按需求定 按需求定 0.5W 0.6W 0.8W允許環(huán)境溫度按需求定 按需求定40850C 40850C20700C表2.2中ASPC 2 是一種用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS協(xié)議。通過段耦合器也可接PROFIBUS-PA。這種芯片可使可編程序控制器、個人計算機、驅(qū)動控制器、人機接口等設備減輕通信任務負擔。ASPC 2 可完成信息報文、地址碼、備份數(shù)據(jù)序列的處理?？蓪ぶ?M字節(jié)的外部信息報文存儲器，總線存取驅(qū)動由硬件完成。SPC3是一種用于從站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP協(xié)議。具有1.5Kbyte的信息報文存儲器，SP

53、C 3可獨立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，這樣可加速通信協(xié)議的執(zhí)行，而且可減少接口模板微處理器中的軟件程序?？偩€存取由硬件驅(qū)動。數(shù)據(jù)傳送來自一個1.5Kbyte的RAM。與應用對象之間通信采用數(shù)據(jù)接口，因此數(shù)據(jù)的交換獨立于總線周期。在與應用對象之間硬件連接方面，微處理了提供方便的接口。SPC4也是一種用于從站的智能通信芯片，由于該芯片具有低功耗管理系統(tǒng)，因此特別適合用于本征安全場合。SPC 4 用于PROFIBUS-DP從站連接時使用帶隔離的RS-485驅(qū)動。SPC 4 還提供了連接SIM 1 的同步接口。SIM 1芯片用于PROFIBUS-PA單元，數(shù)據(jù)傳輸符合IEC 1158-2

54、。SPC 4具有1.5Kbyte的信息報文存儲器?？商幚韴笪?、地址碼及備份數(shù)據(jù)序列，可完全按照協(xié)議，完成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)通信，加快了協(xié)議的處理過程，現(xiàn)場設備及接口模塊中微處理器的工作也可以減輕。總線存取采用硬件驅(qū)動。SPM2（Siemens PROFIBUS Multiplexer）和LSPM2（Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer）是用于簡單從站協(xié)議芯片?？捎糜趥鞲衅?、執(zhí)行機構、開關設備、顯示設備和熱電偶測量。這兩種芯片支持PROFIBUS-DP協(xié)議。SPM2具有64I/O位接口，部分I/O可設置為輸入或輸出，具有I/O診斷位。SPM2可完全獨

55、立處理數(shù)據(jù)而不需要外加微處理器和其它硬件。因此使用SPM2和其它一些外圍器件即可完成連接PROFIBUS-DP功能。LSPM2具有同SPM2同樣的功能，但它只有32位I/O，SPM2和LSPM2可完全獨立處理通信協(xié)議。只需將其管腳連接到I/O信號線上及總線電纜上即可。SPM2和LSPM2的操作如同PROFIBUS-DP上的一個從站。當它從主站接受到一個無錯報文后，可獨立向主站發(fā)出應答報文。2.4 網(wǎng)絡配置明細表表2.3：網(wǎng)絡配置明細表：序號元件名稱型號或規(guī)格數(shù)量1PC主機12CPU315-2DP6ES7 412-2XG00-0AB013CP5611通訊卡6GK1 561-3AA0014ET20

56、0信號模塊15FM350-2 計數(shù)模塊6ES7 350-2AH00-0AE016FM355C 閉環(huán)控制模塊6ES7 355-0VH10-0AE017PS307/10A6ES7 407-0DA01-0AA018控制柜19UR2主機架110擴展機架ER311IM180主接口模板6ES7 180-0BA01-0AA0112IM183從接口模板6ES7 183-0DA04-0AA0113IM184從接口模板6ES7 184-0EA05-0AA0114CP342-5主/從站接口模塊11516路數(shù)字量輸入/輸出模塊6ES7 334-0CE01-0AA0116MASTERDRIVERS變頻器17CBP通訊板

57、1189針D型連接器119PROFIBUS-DP總線電纜6XV1 830-0EH1050米20總線連接器6ES7 972-0BA12-0XA0421電氣鏈路模塊6GK1 105-3AA0122530mm導軌6ES7 390-AF30-0AA022364K存儲卡6ES7 951-0KF00-0AA0124變頻電機25SIMATIC WinCC 5.0監(jiān)控軟件6GK1 704-1CW61-3AA0126編程軟件STEP 76ES7 810-4CC05-0YX012.5 PROFIBUSDP的電磁干擾問題安裝PROFIBUSDP的標準方法是：有接地基準電位，即必須把所有模塊機架和負載電流回路與公共的基準電位（地）相連接，從而確保由于不合理的PROFIBUSDP電纜敷設或設備安裝不當而產(chǎn)生的干擾電流能被盡快分流掉。采用這種安裝方法時，將各個部件的接地（S7300、ET200、SIMOVERT MASTERDRIVERS）連接到控制柜的公共接地點。在這種方式下，總線插頭連接器將PROFIB