6ES7231-7PF22-0XA0正规授权

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1tosline-s20网络的系统构成
莱钢中型型钢生产线plc控制系统主要由加热炉(rhf)、粗轧(bd)、精轧(fm)、精轧辅助1(fm aux1)、精轧辅助2(fmaux2)、公用(ut)、热锯/冷床/矫直(hs/cb/ss)、编组/冷锯/检查(ct/cs/ib)、码垛(pb)、打捆/成品/剔除(bm/sb/rb)等10套东芝的t3hplc控制系统组成，各plc与操作站和过程机系统通过以太网进行数据通信，而整个plc控制系统则由东芝的tosline-s20网连接在一起，实现plc与plc之间的数据通信，另外，各plc还通过tosline-s20网与东芝的变频器相连，实现plc与变频器之间的数据通信。整个plc控制系统的tosline-s20网络图如图1所示。图1中:os1—触摸屏;os2~os8—操作站;rhfp/c—加热炉过程机;mill p/c—轧机过程机;vf-a5、t-250、t-350、cyc850-变频器。
2 tosline-s20网络的硬件组成
2.1 sn系列工作站
在tosline-s20系统中，工作站采用东芝公司sn系列模块，即s20-站，s20-站有多种系列，可用于东芝不同型号的plc和不同的传输介质。模板上有状态指示灯、站号设定开关、站复位开关、传输电缆连接接口、rs232c串行接口等。

2.2 传输介质
tosline-s20网络系统可采用两种类型的传输介质，即同轴电缆和光缆。同轴电缆使用特征阻抗为75Ω的5c-2v(jisc3501)型的细缆，网络覆盖范围可达1km;光缆采用石英玻璃制成的gi型(jis c6820)50/125μm的光导纤维电缆，网络覆盖范围可达10km。不同的传输介质对应不同的sn模板。莱钢中型型钢生产线采用光缆为传输介质。
2.3 网络互连设备
(1) bnc连接器 同轴电缆的端头均采用bnc-p-5型连接器。
(2) t型头 当连接分支同轴电缆和sn模板时，采用bnc-ta型的t形头。
(3) 星型耦合器是一种光纤分配器，有多路光纤端口，当sn模板与传动通信时，先通过光缆连接sn模板与星型耦合器，再通过星型耦合器使用光缆连接到各个变频器上，以进行数据通信。
3 tosline-s20网络的软件系统
3.1 s-ls软件
s-ls软件是tosline-s20网的专用软件,该软件可运行于ibm及其兼容机上，用于设定传输参数、监视tosline-s20网上各站的运行状态，在该系统中，由s-ls设定的传输参数存储在plc的eeprom内。
3.2 t-dps软件
t-pds(v1.3)软件是东芝公司提供的编程软件，该编程软件基于bbbbbbsnt/95系统，适用于东芝t-系列plc，可进行离、在线编程、监视执行状态、数据设定等，操作方面、直观，具有在线跟踪和程序诊断功能[1]。
t-pds可连接s20-站的串行口(和t3h cpu模块上的编程口一样)，通过s20网对任一站进行远程编程和监控。
4 tosline-s20网络的基本原理
tosline-s20网是一个令牌总线网络，s20网大传输距离10km，通信速率可达2mbps，大可挂接64个站，传输编码采用曼彻斯特或差分曼彻斯特编码，调制方式采用基带传输方式，提供扫描传输(周期广播)和消息传输(请求传输)通信服务。
在tosline-s20网上，工作站是以数据包的形式来发送信息，数据包包括扫描帧和数据帧。数据包的发送顺序如图2所示，首先，由主工作站发送同步帧，然后，每一个工作站按照其站号顺序依次发送数据包，当后一个工作站发送完毕，主站又重新发送同步帧，开始下一轮的数据传输。其中，s表示同步帧，用于标记一个传输周期(扫描周期)的起始，并使接收端在数据接收过程中始终与发送端保持同步。

目标扫描时间是tosline-s20网的一个重要时间参数，它用来限制一个扫描周期内数据传输的时间。如果传输周期(即工作站从上次获得数据传输令牌到该次获得令牌的时间)比目标扫描时间长，则该工作站只允许发送扫描帧而不能发送数据帧。这样就能保证所有的工作站可以获得相对均等的数据传输机会，并可以防止因接受端的缓存溢出而造成网络堵塞的现象。因此目标扫描时间必须大于所有工作站发送扫描帧所用的总时间。
在tosline-s20网上始终有一个令牌在网中循环，只有拥有令牌的工作站才有权发送数据。每个工作站都有一个通用存储单元，该存储单元的大小为1024字节。当一个工作站要发送数据时，它将数据写到通用存储单元中，在网上以广播的形式传播。其他工作站将收到的信息暂时存储到通用存储单元中，所以每个站通用存储单元中的数据在每次扫描周期内都是不一样的。该存储单元在使用之前必须由s-ls软件划分成发送块和接收块，并由t-pds软件将为每个块分配寄存器地址。
每一个工作站都必须有一个唯一的站号，tosline-s20网允许的站号范围是1-64，站号是通过sn322模块上的旋钮开关设定的，stnh和stnl旋钮分别对应高位和低位，例如，如果stnh=2，stnl=3，则站号对应23。当所有的工作站接入tosline-s20网并上电后，具有小站号的工作站将成为主站，其余的站为从站，主站负责确定整个网络的时钟。站号确定后还必须对每个工作站的数据发送块进行划分，接收块由系统自动设定，这项工作通过s-ls软件来设定。
5 tosline-s20网络的ras功能
5.1 维护功能
在同轴电缆连接方式下，如果任何一个站下线或掉电，则该异常的站就会从s20系统断开，剩余站的通信将重新启动。如果同轴电缆被损坏，由于出现异常的终端阻抗，则s20系统将不能再继续进行正常的通信。
在光缆连接方式下，如果是发生一个站下线，则该异常的站就会从s20系统断开，剩余站的通信将重新启动;如果是一个站掉电，则s20系统将在掉电的站处把s20系统分成两个独立的s20系统。如果光缆的传送和接收线路均被损坏，则s20系统就被分成两个独立的s20系统;如果只损坏了一根，则s20系统仍将系统分成两个系统，但是由于其中一个系统的干扰，另一个系统将不能进行正常的通信。
5.2 自诊断功能
s-20系统有下述自诊断功能:
(1) 初始化自诊断
a) 对rombcc、ram读/写、cpu及外围lsi、站号进行检查。若异常，该站将下线，不能再与其它站进行通信，该站需要重新断电后再上电或按sn模板上的复位开关。
b)对传输参数(eeprom)进行检查，若异常，该站将变为备用状态，不能再进行扫描传输(周期广播)，但还能进行消息传送，该站需要对传输参数进行重新设定。
(2) 运行自诊断
a)对看门狗定时器、异常传输进行检查，若异常，该站将下线，不能再与其它站进行通信，该站需要重新断电后再上电或按sn模板上的复位开关。
b) 对接收帧进行检查，若异常，该站忽略该异常的帧。
c) 对响应进行检查，在消息传输情况下，如果从目的站来的响应没有接收到，该源站将重新发送一次消息帧。
d) 对无信号情况进行检查，如果无信号情况不超过规定的时间(主站下线)，该站将重新组态运行。
5.3 led指示功能
s20站有stn、onl和scan等leds，通过这些leds，可以指示各站的运行状态。
5.4 t3h及s-ls监控的ras信息
s20系统ras信息(例如站状态、在线映像、备用映像、扫描状态映像等)映射在t3h的专用寄存器(sw)中，该信息可通过t3h的用户程序进行解读。
通过s-ls，也可以监控s20系统的ras信息(例如站状态、在线映像、扫描状态映像、站下线信息等)。
6 结束语
tosline-s20网络运行情况一直非常稳定可靠，功能比较强大，能完全满足控制要求和生产要求。

1引言
工业锅炉是我国一次能源的消费大户，目前运行的工业锅炉不仅热效率很低，而且安全性较差，已极不适应目前能源形势的状况。锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数，为克服以上缺点，我们开发了一套适用于中小型工业锅炉的给水控制系统，该系统按“蒸汽锅炉安全技术监察规程”可靠供水的有关要求而进行研制，可直接安装在现行的给水系统上，极大的tigao了锅炉的热效率和安全稳定性。
2 控制系统总体方案
该系统控制装置由单片机和plc组成，执行机构由切向调节阀和电动执行机构两部分组成。锅炉蒸汽量频繁波动时，将引起水位与调节阀开度的不平衡，单片机采集前端水位信号和阀位反馈信号，将数据进行处理后送出到plc，plc通过模糊控制算法产生相应的输出，电动执行机构将根据控制器的输出调节自动给水执行机构的位置，改变调节阀的流通面积，增减给水liuliang以达到调节锅炉水位的工艺目的，使锅炉水位与阀位达到新的平衡状态，锅炉水位在变化工况下始终保持在“规程”规定的正常范围内，从而实现锅炉给水量随蒸发量变化的自动调节。
3 控制系统硬件结构设计
本系统采用单片机与plc相结合的设计思想，在不改变系统性能的前提下极大的降低了系统成本。硬件结构图如图1所示。

先通过单片机对数据进行处理，再把信号以二进制编码的格式送入plc，这样plc只需要较少的输入点，就得到了较多的状态。在系统安全性方面也有周密的考虑，现场水位计来的高低保护信号直接接入plc，即使单片机受现场干扰造成“死机”，当实际汽包水位威胁到锅炉运行安全时，可以直接通过plc去实现停炉操作，保障了设备的安全运行。并采用两个水位计冗余技术，避免了单片机稳定性差的缺陷。由此可见，整个系统的安全性、经济性都是较高的。
3.1 前端水位测量原理
水位计测量元件是均匀分布，间距为5mm的干簧管，测量范围是-100mm～+100mm，磁浮筒对干簧管产生磁场作用，使相应的干簧管吸合，对应生成相应的水位信号，以89c2051为核心的信号采集电路，将这些开关信号采集且转换成对应的水位值，并通过rs485通讯将水位信号送到控制室。
3.2 控制箱设计
控制箱主要由8031为核心的单片机系统和plc(cpmia-30)组成，rs485的通讯过程和信号的输入、输出如图2所示。

8031通过rs485方式与现场两个水位计通讯，rs485采用平衡驱动，差分接收的方式，抗干扰能力强，远传输距离为1200m，能驱动32个接收/发送对。数据的读写控制由p3.7来完成，当p3.7为高电平时rs485的de端有效，则允许数据发送，当p3.7为低电平时rs485的有效，则允许数据接收，这样在半双工的方式下实现了数据的发送与接收。8031单片机有4个8位双向并行i/o端口，每个i/o端口除可作为字节的输入/输出外，每条i/o线也可以单独地用作输入/输出线，设计中充分利用这一特性，将p0口作为输入口，接收现场的状态，p1和p2口作为输出口，完成报警、水位、阀位信号的输出。
4 控制系统软件设计
单片机程序采用模块化设计的程序设计方法，既方便程序的修改和调试，又能实现软件的自诊断，tigao了软件的易理解性和易维护性。对plc采用梯形图的组态方式，通过cpt编程可实现相应的保护联锁功能和控制算法。整套系统组态灵活、修改方便。
4.1 rs485通讯程序设计
通讯程序的设计包括:通讯协议的约定、报文的信息格式、通讯的任务、多机通讯的实现方法、通信的校验方法、编程方法。
(1) 通讯协议:
本系统采用主从式的通讯方式，主机为8031，从机为两台89c2051，地址分别设为00h和01h，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，传输速率为:1200bps。多机通讯的实现方法是:8031首先发送地址主动联络2051，两台2051同时收到地址与本机地址比较，若相同则将本水位计采集的水位值发送出去，若不相同则不反应，主机和从机都采用中断方式接收，这样tigao了程序的执行效率并避免了通讯错误发生时死机。
(2) 报文信息格式:

主机与从机都采用这样的信息格式发送数据，@字符作为报文起始位，状态位用来标识单片机的运行状态，校验位为前四位异或的结果，回车符作为报文结束标志。
(3) 通讯出错处理办法:
rs485通信具有高抗干扰能力，但由于系统所处环境干扰较严重，为增强系统通信的可靠性，软件设计中主、从机间的通信采用关键字重发的方法。通讯错误主要有两种:接收不到水位计的数据和接收到错误的数据，接收不到数据时，主机将重新发送地址，如果还是收不到返回的水位信息且次数达到3次，则主机认为这台水位机出现故障;接收的数据如果校验位不正确，则说明接收的数据错误，则主机要求从机重新发送数据，若错误次数达到3次则主机认为水位计有故障。
4.2 模糊控制策略的实现
锅炉是典型的复杂热工系统。锅炉建摸与控制问题一直是人们关注的焦点。工业锅炉汽包水位的主要动态特性包括:非线性、非小相位特性、不稳定性、时滞和负荷干扰，以及汽水分离器动态的不稳定性等。若采用单一的水位反馈控制或能够反映动态特性的三冲量给水系统，由于锅炉水位控制系统的动态特性不断变化，采用各种自校正措施会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差，在现场工况变化后难以适应控制要求。本系统基于现场操作经验，运用模糊控制策略控制复杂的工业锅炉汽包水位，从而获得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理过程
现场操作人员用以调整汽包水位而观察的对象过程参数为:(a)汽包水位实际水位值;(b)汽包实际水位与水位设定值偏差;(c)调节阀开度。操作人员基于以上参数观察一下水位，估计一个入水量与蒸汽liuliang间的平衡关系，然后操作主控入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。调整操作之后。操作人员再进一步观察运行效果，以决定是否需要进一步调整，模糊控制器的设计正是要体现以上反映人的思维的经验过程。
(2) 模糊推理规则
本系统中，根据水位变化趋势和水位测量值来调节主控入水阀开度校正量和泵的起停，“+1”表示水位上升，“-1”表示水位下降，其控制规则如附表所示。

以水位的上升为例，调节阀与泵的动作过程如下:水位在-20mm到+10mm之间为正常范围，此时a泵开，b泵关，当水位超过+10mm时开始关阀，若关阀后水位继续上升，达到+70mm时开始满水报警，达到+80mm则关掉a泵，若还是上升，达到+95mm则停炉。这一控制规则，充分体现了现场操作人员的经验，实现起来简单、方便，在实际应用中控制效果良好。
5结束语
本文提出了一种利用单片机和plc组成的锅炉汽包水位控制系统。本系统采用仿人模糊控制策略，用于中小型工业锅炉的技术改造，取得了良好的控制效果。本系统既可以大幅度地tigao劳动生产率，改善劳动条件，tigao热效率，节约能源，降低成本;又具有结构简单，价格便宜，使用方便，投资少，效率高的优点。

1吊具信号的采集
集装箱单箱吊具中输入信号有:4个吊具着床限位，4个已开锁限位，4个已闭锁限位，4个导板抬起限位，2个20'限位，2个40'限位，1个油泵压力开关;输出信号控制的有:4个开锁电磁阀，4个闭锁电磁阀，4个导板控制电磁阀，2个20'电磁阀，2个40'电磁阀，1个油泵起停控制信号。原吊具通过吊具电缆送给主控站的信号是:着床，已开锁，已闭锁，20'到位，40'到位;从主控站传到吊具上的信号为:开锁，闭锁，20'，40'，这些信号均为综合信号。如果发生某电磁阀故障，操作人员只知道该回路有故障，而不了解具体是吊具的哪个角发生故障，吊具上没有具体故障指示，维修人员到现场后还需要根据主站plc故障信号来进一步判断故障部位，这样一个来回，维修时间就较长，从而生产效率会受到很大的影响。

集装箱吊具运行的工况是非常恶劣的，其故障发生的概率占系统总故障的30%以上，为使故障判断更加快速准确，本文提出采用在吊具电控箱内增加plc输入输出和通讯模块，并采用无线通讯的方式代替原昂贵的吊具电缆，plc主站能够得到吊具内的所有信息并能方便地判断故障位置。吊具内增加的plc与吊具内的信号关系如图1所示。图1中，plc采用versamax的以太网模块ic200ebi001，由此模块与无线modemap-1002通讯，实现与上位plc的信号联系，其带有的开关量输入采用ic200mdl640模块，开关量输出模块采用ic200mdl742模块。外围的每个输入输出与该从站的输入输出一一对应，即共有21个开关量输入，17个开关量输出。一个plc模块mdl640有32个输入，一个mdl742有32个输出，满足使用需要，除上述输出外，还设有综合信号指示灯:着床，已开锁，已闭锁，20'到位，40'到位;另10个输出用于表示具体故障:四个开锁故障，四个闭锁故障，1个20'故障，1个40'故障。
2 plc硬件组态
plc主站采用ge9030系列plc，cpu为带有以太网口的cpu364，在该cpu的硬件组态中，选择通讯模式为egd，即以太网全局数据结构定义，在ethernetglobe date设置对话框内，“produced exchanged”中的“ipaddress”设置为吊具以太网模块的ip地址，表示该plc站后续“addexch”的“refereance”地址的存储器内容将发送到吊具以太网模块中的对应存储器去，同样在该plc配置的“consumedexchange”中的“ip address”设置为吊具以太网模块的ip地址，表示该plc站后续“addexch”的“refereance”地址的存储器内容是从吊具以太网模块中的对应存储器传送来而得到。对应ebi001中的配置，也应将“producedexchanged”和“consumed exchange”中的“ipaddress”设置为主站plc的ip地址，即主站plc发送的数据是到吊具分站的，而分站发送的数据是送给主站plc的。为保证传输中两边定义的数据能一一对应，2个站采用同样的存储地址。2个通讯模块中“producedexchanged”和“consumedexchange”中还需要各定义2个寄存器用于存放通讯状态，需要时，plc可读取该状态字了解plc的cpu364与versamax通讯模块ebi001之间的通讯故障原因。配置好后，在分站中输入信号变化，在主站中立即可以看到，同样，主站cpu运行控制吊具的输出送到该plc通讯的存储区，在分站中立即可以看到输出的变化，两者形成一一对应的镜像关系。

3无线通讯的实现

通常通过吊具电缆传递吊具信号，该电缆为要求具备很高的柔性和韧性，电缆内芯数有限，如果上述吊具所有输入输出也通过该吊具电缆，则会因信号线太多而无法实现。随着现代通讯技术的发展，无线工业以太网已在工业控制网中逐渐被接受，要求的可靠性和稳定性已得到满足，而且其通讯速度也达到十兆以上。本方案中采取无限工业以太网络通讯的方式来实现信号传递，采用点对点联系方式，中间不需要服务器，选用的产品为rfnet公司的ap-1002型号，网络结构如图2所示。无线网络仅采用网桥实现主从站的联系，即简单的点对点方式。其性能简述如附表。

在使用无线通讯模块前，要对该模块进行设置，先用pc机与该模块相联，设定pc机的ip地址前3位与该模块地址的一致，直接用internetexplorer可进入模块的设定网页，将模块的ip地址改成所需要的地址并确定后退出，将pc机的ip地址也改成所需要的地址，再用internetexplorer 进入模块的新地址，并将要与模块相联的plc地址输入到“hostip”中，两个模块均设好后，在该两个无线模块之间即建立的网桥通讯，即主站与从站的联系就像用网线连通一样。
4 吊具的plc程序故障诊断
吊具信号输入采集后，plc根据其输出信号与相应输入信号比较，可以诊断出具体故障部位，以旋锁控制闭合锁为例，其程序如图3所示，图3中lkls1、2、3、4分别表示旋锁闭合限位，lkls表示吊具旋锁已全锁;同样，unlkls表示旋锁已全开，bedls表示四个角已全部着床。从程序中可以看出在旋锁回路正常情况下，即命令lkco与实际状态lkls一致，lkf表示吊具闭锁故障为0，即此时无闭锁故障;如控制吊具闭锁lkco=1，而在延时时间ton0的设定时间到后，lkls=0仍然为未全锁，则lkf=1并自保，需要正常恢复后按复位信号rst，而lkf=1表示该闭锁回路有故障，但具体是哪个角出现问题，程序中安排指令lkco与每一个限位信号比较，如lkco与lkls1不一致且延时超过设定，则自动产生lkf1故障信号，表示在吊具角1出现了吊具旋锁故障。依次类推，可以得到各角处的开锁故障、闭锁故障、着床信号等判断与显示。其中显示可以在司机室触媒屏上看到，在吊具上同样安排有具体指示，这样方便维修人员。而主程序内容增加不多，但效果良好。
5 结束语
采用无线通讯的方式控制吊具及实现吊具具体故障的判断显示是一个新的尝试，实际试验效果良好，原来担心的无线通讯问题并没有出现，在吊具恶劣工况下，吊具上的plc和通讯模块工作正常，因通讯速度达10mhz，而数据量有限，所以控制是实时的，增加的系统稳定性和可靠性在集装箱装卸桥实际生产中得到验证。该方案可以进一步推广到场地龙门吊及其他相关场所使用，是一个方便容易实现而又适合现场的系统。