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西門子S7-300控制系統(tǒng)在煤氣加壓站中的應(yīng)用

【摘 　 要】：本文根據(jù)工廠實際的運用介紹了西門子300系列PLC通過Profibus-DP總線在煤氣加壓站的應(yīng)用。

1引言

近年來，隨著我國自動化水平的提高，工廠自動化也上了一個新臺階。西門子S7-300系列PLC以其強大的邏輯運算和通信能力以及價格低廉，可靠性高等優(yōu)點在國內(nèi)各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)工廠實際的運用介紹了西門子300系列PLC通過Profibus-DP總線在煤氣加壓站的應(yīng)用。

2系統(tǒng)配置

　　該煤氣加壓站采用的是西門子S7-300控制系統(tǒng)，PLC與上位機之間采用的是工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，以滿足多數(shù)據(jù)的時時交換；PLC與變頻器之間通過Profibus-DP總線，實現(xiàn)對變頻器的起停，轉(zhuǎn)速控制，PID調(diào)節(jié)以及變頻器主要參數(shù)的監(jiān)測。整個系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

3功能實現(xiàn)

3.1變頻器DP通信設(shè)置

加壓機采用西門子G150系列變頻器^[1]調(diào)速，在對變頻器的控制和主要參數(shù)*上，每臺變頻器和PLC的數(shù)據(jù)交換大于4字節(jié)，為了保證數(shù)據(jù)的*性,在程序里面要調(diào)用SFC15給數(shù)
據(jù)打包，調(diào)用SFC14給數(shù)據(jù)解包；變頻器作為DP從站的站地址參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 DP站地址設(shè)置

 設(shè)置好DP從站的DP軟件組態(tài)地址以后，在變頻器的通信模塊上的撥碼開關(guān)也要對應(yīng)撥上相同的站號，再設(shè)置變頻器的通信I/O地址，如圖3所示。

圖3 從站I/O參數(shù)設(shè)置

3.2編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

S7-300PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換，編程實現(xiàn)報文。

SFC14解開DP從站(變頻器)的數(shù)據(jù)包并存放在DB80.DBB0~DB80.DBB35中，參數(shù)LADDR（W#16#118）為變頻器的Inpout參數(shù)區(qū)起始地址，見圖4。

圖4 讀取數(shù)據(jù)程序

SFC15給存放在DB80.DBB44~DB80.DBB47中數(shù)據(jù)打包發(fā)送給變頻器，參數(shù)LADDR（W#16#108）為變頻器的Output參數(shù)區(qū)起始地址，見圖5。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)程序

程序塊的主要參數(shù)說明見表1。

　　　　　　　表1 參數(shù)說明

3.3 PID調(diào)節(jié)

在加壓機的自動調(diào)節(jié)中，加壓機的轉(zhuǎn)速會根據(jù)煤氣出口的總管壓力實現(xiàn)自動PID調(diào)節(jié)，并可實現(xiàn)手動和自動的無干擾切換。PID調(diào)節(jié)采用西門子自帶的FB41功能塊，pid的編程和手自動無干擾切換編程如下，PID的主要參數(shù)說明可以參考STEP7的幫助，FB41在周期性中斷OB32-OB35組織快中調(diào)用。FB41的編程設(shè)置見圖6和圖7。

圖6 PID程序

圖7 手自動無干擾切換

4上位機功能

    上位機采用戴爾的商用計算機，采用普通網(wǎng)卡，2臺上位機通過一個8*換機連接在一起，其中一臺為工程師站（ES），一臺為操作員站(OS),ES站具有畫面組態(tài)和參數(shù)修改權(quán)限，OS站只有數(shù)據(jù)*和現(xiàn)場設(shè)備操作權(quán)限，監(jiān)控軟件采用西門子的wincc系列。

5結(jié)束語

本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗闡述了S7-300控制系統(tǒng)和wincc監(jiān)控軟件在煤氣加壓站的運用，實現(xiàn)了煤氣加壓機的自動調(diào)節(jié)控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，*和記錄，本系統(tǒng)一次試車成功，并投入運行。

作者簡介

龍虹均男助理工程師，現(xiàn)就職與重慶韜瑞科技有限責(zé)任公司，從事自動化系統(tǒng)集成和智能安防系統(tǒng)工作。

6ES7 312-1AE13-0AB0 西門子CPU312,32K內(nèi)存,
升級為6ES7312-1AE14-0AB0 
6ES7 312-5BE03-0AB0 西門子CPU312C,32K內(nèi)存 10DI/6DO
升級為6ES7312-5BF04-0AB0 
6ES7 313-5BF03-0AB0 西門子CPU313C,64K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO
升級為6ES7313-5BG04-0AB0 
6ES7 313-6BF03-0AB0 西門子CPU313C-2PTP,64K內(nèi)存 16DI/16DO
升級為6ES7313-6BG04-0AB0 
6ES7 313-6CF03-0AB0 西門子CPU313C-2DP,64K內(nèi)存 16DI/16DO
升級為6ES7313-6CG04-0AB0 
6ES7 314-1AG13-0AB0 西門子CPU314,96K內(nèi)存,
升級為6ES7314-1AG14-0AB0 
6ES7 314-6BG03-0AB0 西門子CPU314C-2PTP 96K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO
升級為6ES7314-6BH04-0AB0 
6ES7 314-6CG03-0AB0 西門子CPU314C-2DP 96K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO
升級為6ES7314-6CH04-0AB0 
6ES7 315-2AG10-0AB0 西門子CPU315-2DP, 128K內(nèi)存
升級為6ES7315-2AH14-0AB0 
6ES7 315-2EH13-0AB0 西門子CPU315-2 PN/DP, 256K內(nèi)存
升級為6ES7315-2EH14-0AB0 
6ES7 317-2AJ10-0AB0 西門子CPU317-2DP,512K內(nèi)存
升級為6ES7317-2AK14-0AB0 
6ES7 317-2EK13-0AB0 西門子CPU317-2 PN/DP,1MB內(nèi)存
升級為6ES7317-2EK14-0AB0 
6ES7 318-3EL00-0AB0 西門子CPU319-3 PN/DP,1.4M內(nèi)存
升級為6ES7318-3EL01-0AB0 
內(nèi)存卡 
6ES7 953-8LF20-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡 64kByte(MMC)
6ES7 953-8LG11-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡128KByte(MMC)
6ES7 953-8LJ20-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡512KByte(MMC)
6ES7 953-8LL20-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡2MByte(MMC)
6ES7 953-8LM20-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡4MByte(MMC)
6ES7 953-8LP20-0AA0 西門子SIMATIC Micro內(nèi)存卡8MByte(MMC)
開關(guān)量模板 
6ES7 321-1BH02-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,24VDC)
6ES7 321-1BH10-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,24VDC)
6ES7 321-1BH50-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,24VDC,源輸入)
6ES7 321-1BL00-0AA0 西門子SM321開入模塊(32點,24VDC)
6ES7 321-7BH01-0AB0 西門子SM321開入模塊(16點,24VDC,診斷能力)
6ES7 321-1EL00-0AA0 西門子SM321開入模塊(32點,120VAC)
6ES7 321-1FF01-0AA0 西門子SM321開入模塊(8點,120/230VAC)
6ES7 321-1FF10-0AA0 西門子SM321開入模塊(8點,120/230VAC)與公共電位單獨連接
6ES7 321-1FH00-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,120/230VAC)
6ES7 321-1CH00-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,24/48VDC)
6ES7 321-1CH20-0AA0 西門子SM321開入模塊(16點,48/125VDC)
6ES7 322-1BH01-0AA0 西門子SM322開出模塊(16點,24VDC)
6ES7 322-1BH10-0AA0 西門子SM322開出模塊(16點,24VDC)高速
6ES7 322-1CF00-0AA0 西門子SM322開出模塊(8點,48-125VDC)
6ES7 322-8BF00-0AB0 西門子SM322開出模塊(8點,24VDC)診斷能力
6ES7 322-5GH00-0AB0 西門子SM322開出模塊(16點,24VDC,獨立接點,故障保護)
6ES7 322-1BL00-0AA0 西門子SM322開出模塊(32點,24VDC)
6ES7 322-1FL00-0AA0 西門子SM322開出模塊(32點,120VAC/230VAC)
6ES7 322-1BF01-0AA0 西門子SM322開出模塊(8點,24VDC,2A)
6ES7 322-1FF01-0AA0 西門子SM322開出模塊(8點,120V/230VAC)
6ES7 322-5FF00-0AB0 西門子SM322開出模塊(8點,120V/230VAC,獨立接點)
6ES7 322-1HF01-0AA0 西門子SM322開出模塊(8點,繼電器,2A)
6ES7 322-1HF10-0AA0 西門子SM322開出模塊(8點,繼電器,5A,獨立接點)
6ES7 322-1HH01-0AA0 西門子SM322開出模塊(16點,繼電器)
6ES7 322-5HF00-0AB0 西門子SM322開出模塊(8點,繼電器,5A,故障保護)
6ES7 322-1FH00-0AA0 西門子SM322開出模塊(16點,120V/230VAC)
6ES7 323-1BH01-0AA0 西門子SM323模塊8點輸入,24VDC;8點輸出,24VDC模塊
6ES7 323-1BL00-0AA0 西門子SM323模塊16點輸入,24VDC;16點輸出,24VDC模塊
西門子S7-400 PLC系列相關(guān)型號及訂貨號如下:
電源模塊 
6ES7 407-0DA02-0AA0 電源模塊(4A)
6ES7 407-0KA02-0AA0 電源模塊(10A)
6ES7 407-0KR02-0AA0 電源模塊(10A)冗余
6ES7 407-0RA02-0AA0 電源模塊(20A)
6ES7 405-0DA02-0AA0 電源模塊(4A)
6ES7 405-0KA02-0AA0 電源模塊(10A)
6ES7 405-0RA01-0AA0 電源模塊(20A)
6ES7 971-0BA00 備用電池
CPU 
6ES7 412-3HJ14-0AB0 CPU 412-3H; 512KB程序內(nèi)存/256KB數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 414-4HM14-0AB0 CPU 414-4H; 冗余熱備CPU 2.8 MB RAM
6ES7 417-4HT14-0AB0 CPU 417-4H; 冗余熱備CPU 30 MB RAM
6ES7 400-0HR00-4AB0 412H 系統(tǒng)套件包括 2 個CPU、1個H型*機架、2個電源、2個1M 存儲卡、4個同步模塊、2根同步電纜,以及4個備用電池(PS407 10A)
6ES7 400-0HR50-4AB0 412H 系統(tǒng)套件包括 2 個CPU、1個H型*機架、2個電源、2個1M 存儲卡、4個同步模塊、2根同步電纜,以及4個備用電池(PS405 10A)
6ES7 412-1XJ05-0AB0 CPU412-1,144KB程序內(nèi)存/144KB數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 412-2XJ05-0AB0 CPU412-2,256KB程序內(nèi)存/256KB數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 414-2XK05-0AB0 CPU414-2,512KB程序內(nèi)存/512KB數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 414-3XM05-0AB0 CPU414-3,1.4M程序內(nèi)存/1.4M數(shù)據(jù)內(nèi)存 1個IF模板插槽
6ES7 414-3EM05-0AB0 CPU414-3PN/DP 1.4M程序內(nèi)存/1.4M數(shù)據(jù)內(nèi)存 1個IF模板插槽
6ES7 416-2XN05-0AB0 CPU416-2,2.8M程序內(nèi)存/2.8M數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 416-3XR05-0AB0 CPU416-3,5.6M程序內(nèi)存/5.6M數(shù)據(jù)內(nèi)存 1個IF模板插槽
6ES7 416-3ER05-0AB0 CPU416-3PN/DP 5.6M程序內(nèi)存/5.6M數(shù)據(jù)內(nèi)存 1個IF模板插槽
6ES7 416-2FN05-0AB0 CPU416F-2,2.8M程序內(nèi)存/2.8M數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 416-3FR05-0AB0 CPU416F-3PN/DP,5.6M程序內(nèi)存/5.6M數(shù)據(jù)內(nèi)存
6ES7 417-4XT05-0AB0 CPU417-4,15M程序內(nèi)存/15M數(shù)據(jù)內(nèi)存
模擬量模板 
6ES7 331-7KF02-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(8路,多種信號)
6ES7 331-7KB02-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(2路,多種信號)
6ES7 331-7NF00-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(8路,15位精度)
6ES7 331-7NF10-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(8路,15位精度)4通道模式
6ES7 331-7HF01-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(8路,14位精度,快速)
6ES7 331-1KF01-0AB0 西門子SM331模擬量輸入模塊(8路, 13位精度)
6ES7 331-7PF01-0AB0 西門子SM3318路模擬量輸入,16位,熱電阻
6ES7 331-7PF11-0AB0 西門子SM3318路模擬量輸入,16位,熱電偶
6ES7 332-5HD01-0AB0 西門子SM332模擬輸出模塊(4路) 
6ES7 332-5HB01-0AB0 西門子SM332模擬輸出模塊(2路) 
6ES7 332-5HF00-0AB0 西門子SM332模擬輸出模塊(8路) 
6ES7 332-7ND02-0AB0 西門子SM332模擬量輸出模塊(4路,15位精度)
6ES7 334-0KE00-0AB0 西門子SM334模擬量輸入(4路RTD)/模擬量輸出(2路)
6ES7 334-0CE01-0AA0 西門子SM334模擬量輸入(4路)/模擬量輸出(2路)
PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于電力、機械、紡織、電子、交通運輸、石油化工等行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。PLC是專門為工業(yè)控制設(shè)計的，在設(shè)計和制造過程中采取了多層次的抗干擾措施，使系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設(shè)備一起工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性很高。PLC整機的平均*時間可達幾十萬小時。

　　PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于電力、機械、紡織、電子、交通運輸、石油化工等行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。PLC是專門為工業(yè)控制設(shè)計的，在設(shè)計和制造過程中采取了多層次的抗干擾措施，使系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設(shè)備一起工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性很高。PLC整機的平均*時間可達幾十萬小時。

　　隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能也越來越強，使用越來越方便。但是，整機的可靠性高只是保證系統(tǒng)可靠工作的前提，在設(shè)計和安裝PLC系統(tǒng)的過程中還要采取相應(yīng)的措施，才能保證系統(tǒng)可靠工作。如果PLC的工作環(huán)境過于惡劣，如溫度過高、濕度過大、振動和沖擊過強，以及電磁干擾嚴重或安裝使用不當(dāng)?shù)龋紩苯佑绊慞LC的正常、安全和可靠運行。如果外圍電路的抗干擾措施不當(dāng)，整個控制系統(tǒng)的可靠性就大大降低。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)予以充分的考慮，在硬件上進行適當(dāng)?shù)呐渲?，并輔以相應(yīng)的軟件，以實現(xiàn)系統(tǒng)故障的防范。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗*力是整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。因此，分析研究PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)是十分必要的。要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，既要在硬件上采取措施，又要在軟件上設(shè)計相應(yīng)的保護程序。

　　1.PLC控制系統(tǒng)中的干擾源

　　PLC系統(tǒng)的干擾源根據(jù)其來源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源兩類，一般主要包括以下幾個方面。

　?。?）來自電氣控制柜設(shè)備內(nèi)部的干擾

　?、賮碜訮LC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，主要由PLC系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)而相互影響，以及元器件間的相互不匹配使用等。這屬于PLC制造商對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，作為使用者是無法改變的。

　　②電氣控制柜中使用諸如大功率變頻器和交流接觸器等容易產(chǎn)生干擾的器件。此類干擾有電路參數(shù)和工作點選擇不當(dāng)而引起的震蕩或波形畸變、快速上升的脈沖源以及在信號傳送時阻抗的不匹配、器件的物理噪聲（如元件熱噪聲、觸點熱電勢等）。

　?、塾捎谠骷季植缓侠碓斐傻膬?nèi)部信號相互串?dāng)_。如線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩以及由于電路邏輯設(shè)計和系統(tǒng)電氣設(shè)計不合理所產(chǎn)生的干擾。

　　（2）來自電氣控制柜外部的干擾

　?、賮碜噪娫吹母蓴_。由于PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，如高壓斷路器、隔離開關(guān)、大容量變壓器等的影響，大型電力設(shè)備起停和交直流傳動裝置引起的諧波，各種電氣設(shè)備（電動機、空氣開關(guān)等）、電焊機及電力系統(tǒng)的短路故障等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但制造工藝等因素使其隔離性并不理想。由于分布電容的存在，隔離是不可能的。

　?、趤碜孕盘柧€引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號線除了傳送各類有效的信息之外，還會受到空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾。這類干擾信號會引起PLC的I/O信號工作異常。

　?、蹃碜越拥叵到y(tǒng)的干擾。由地線侵入的靜電耦合或電磁耦合可對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在PLC控制系統(tǒng)中，由于各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，形成共模噪聲，影響系統(tǒng)正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾。錯誤的接地不僅會引入干擾信號，接地線本身還會成為天線向外輻射噪聲，干擾PLC控制系統(tǒng)的正常工作。

　?、馨粹o、繼電器等工作時觸點間產(chǎn)生的電弧、靜電產(chǎn)生的火花放電、外界的高頻加熱器、高頻淬火設(shè)備、雜亂的無線電波信號等帶來的干擾等。

　?。?）其他干擾

　　①雷擊造成的過電壓和過電流。

　　②溫度變化引起的接觸電阻的變化。

　　③機械振動。

　　2.干擾途徑

　　PLC控制系統(tǒng)受到干擾的主要途徑有電源線、輸入/輸出線和空間傳播等。電源受干擾后，PLC控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量變差，會引起PLC控制失靈。輸入/輸出線受干擾后，會出現(xiàn)輸入/輸出控制紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)形式使PLC的CPU出現(xiàn)誤操作。

　　3.PLC控制系統(tǒng)中的抗干擾措施

　　PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中占有重要地位，在實際設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體特點和應(yīng)用環(huán)境的具體條件，靈活地選擇行之有效的可靠性設(shè)計技術(shù)和抗干擾措施，全面、合理地考慮系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計，從總體上提高系統(tǒng)的抗*力和可靠性。

　　PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，因此在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需做具體分析。在實際開發(fā)過程中，應(yīng)充分考慮到對PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設(shè)計和安裝中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，才能保證控制系統(tǒng)安全、可靠地運行。

　　要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，針對干擾產(chǎn)生的原因，必須從設(shè)計階段就采取相應(yīng)的抑制措施，常見的措施有提高裝置和系統(tǒng)的抗*力、抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑等，基本的抗干擾措施如表1所示。