西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0参数说明

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0、概述 　　计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步；特别是近10年来兴起的现场总线技术（fieldbus），是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于plc及dcs控制技术系统发展的必然归宿。 　　现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。依照现场总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。 　　现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线技术的控制系统（fieldbuscontrol system -fcs）与人们预想的一样，对传统的plc、dcs系统形成了巨大的冲击。fcs已不再是一种预测、一种设想，而是实实在在的作为先进控制系统产品出现在市场上。本文将描述传统plc控制系统向基于现场总线控制系统的演变过程，以现场总线prohbus为背景，描述一个基于现场总线控制系统的结构组成，并分析系统的市场前景。 　　本文中提到的一些名词及缩写： 　　fcs：基于现场总线技术的控制系统（fieldbus control system -fcs） 　　现场设备：指现场级检测及执行设备，如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。 　　基于plc的控制系统：指以plc、远程i/o及plc网络为基础的分布式控制系统。 　　控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。 1、传统控制系统向基于现场总线控制系统的演变 　　现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统fcs。 　　1．1从plc到通用工业pc 　　（1）在传统控制系统中，控制器（或称cpu、或处理器）与i/o模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。典型的结构是i/o模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（公司设计产品而自定义总线）连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品的连接技术是封闭的，第3方面想开发兼容产品必须得到厂家允许。 　　（2）基于现场总线的控制系统中，控制器与现4场设备（i/o模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等）连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的i/o模块产品（这与插在plc机架上的i/o模块的配置方法不同），可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器趋向于采用标准的、通用的硬件平台一工业计算机（industrialcompactcomputer），如inbbb/bbbbbbs类pc机。近年来嵌入式控制器（如pc/104产品）的发展和bbbbbbs-ce的推出，使用嵌入式控制器硬件和bbbbbbs-ce软件作为控制器平台。 　　采用通用的工业pc做控制系统控制器优点如下： 　　（1）开放性、标准化系统软件与控制器硬件不再维持捆绑关系，自动化软件厂家可以独立开发不依赖于控制器品牌的fcs系统软件。基于bbbbbbs/nt的操作系统平台，具有大量的标准的软件工具和数据文件格式可以兼容。 　　（2）价格 通用的工业pc容易形成规模经营，因此，价格比plc便宜。 　　（3）性能指标高、产品更新换代快 通用的工业pc搭乘pc机技术发展快车，技术指标高、产品更新换代快。 　　（4）向上连接计算机管理网络（如iec802.3tcp/ip）技术成熟、方便。并可以借用odbc、sql等技术与管理数据库连接。 　　1．2从plc的i/o模块到现场总线分布式i/o 　　在fcs系统中，插在控制器机架上的i/o模块将被连接到现场总线上的分散式i/o模块所取代。分散式i/o不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第3方厂家的产品；廉价的、专用的、具有特殊品质的i/o模块（如高防护等级、本征安全、可接受rtd、mv、高压、大电流信号等）将具有广阔市场。fcs的控制器与传统plc配置方式的比较见图1。 　　1．3从plc i/o控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备 　　现场设备如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等；传统plc系统使用i/o连接与plc i/o模块连接，plc通过模拟量4-20ma或开关量（如24vdc）控制监测现场设备。在fcs系统中，现场设备具有现场总线接口，控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。 　　1．4系统软件 　　在传统plc系统中，系统软件（包括plc系统软件和编程软件）与plc硬件联系紧密，技术上对外是封闭的。在fcs系统中，控制器采用通用工业pc平台，系统软件不再与控制器、i/o、现场设备等硬件捆绑，可运行在通用标准的工业pc+bbbbbbs/nt平台上。 2、基于现场总线的先进控制系统组成 　　以工业pc机及bbbbbbs/nt为平台，加载fcs系统软件做控制器；通过现场总线连接各种现场设备，这便是基于现场总线的先进控制系统的基本组成。下面以现场总线profibus为例，虚构一个基于现场总线profibus的先进控制系统一acsbpb（advancedcontrol system based on profibus technology），说明基于现场总线的先进控制系统组成。 　　2．1现场总线（proflbus）概况 　　现场总线profibus技术于1987年，由siemens公司等13家企业和5家科研机构联合提出：1989年批准为德国标准din192450经应用完善后，于1996年6月批准为欧洲现场总线标准en50170v.2。目前，根据国际iec标准委员会达成的关于现场总线的妥协方案，profibus现场总线标准已成为国际现场总线标准iec61158的一个组成部分。 　　目前国际上有250多家企业，生产1600多种符合prorbijs标准的产品。在不阔的应用领域中已有200多万个设备安装运行。应用涉及到工业自动化的各个主要领域，包括：制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓储系统）楼宇自动化（供热、空调系统）、交通管理自动化、过程自动化（清洗工厂、化工和石化工厂、造纸和纺织品工业）、电力工业和电力输送（发电厂、开关装置）。profibus标准产品在欧洲现场总线产品市场占有率，超过40%。 　　profibus用户组织已建立了质量认证程序，在德国和美国建立了测试实验室，包括硬件测试和一致性、互操作性测试。 　　2．2现场总线proflbus技术概要 　　（1）profibus由3个兼容部分组成，即profibus-dp(decentralizedperiphery)、profibuspa(process automation)、profibus-fms(fieldbusmessagespecification)。profibus-dp是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。profibijs-pa专为过程自动化设计，并有本征安全技术规范。profibus-fms用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 　　（2）profibus协议结构profibus协议结构是根据is07498，以开放式系统互联网络（open systeminterconnection-sio）作为参考模型。profibus-dp、fms、pa定义了第12、7层和用户接口。第3到6层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规。 　　（3）profibus传输技术profibus提供了4种数据传输类型：用于dp和fms的rs485传输、用于pa的iec1158-2传输及光纤、红外传输。 　　（4）设备类型2类主站（dpm2）指可进行编程、组态、诊断的设备。1类主站（dpm1）是可编程序控制器，如plc、pc等。从站是指带开关量或模拟量的现场设备，如驱动器、阀门等。 　　（5）电子设备数据文件（gsd）为了将不同厂家生产的profibus产品集成在一起，厂家必须提供gsd文件（电子设备数据库文件），描述产品的功能参数。profibus组态工具可根据将厂商提供的gsd文件将其设备集成在同一总线系统中。 　　2．3基于现场总线（prof18us）的先进控制系统的结构及组成 　　基于现场总线（prohbus）的先进控制系统acsbpb是一个面向制造业自动化、现场及车间级自动化控制系统。 　　（1）系统网络结构acsbpb由2级网络结构组成：底层是基于profibus-dkpa的现场级设备层控制系统；上1层是基于profibus-fms或工业以太网及tcp/ip的车间级监控系统。监控层计算机向上支持工厂管理级网络接口及通信驱动和数据库接口。底层prohbus-dp支持9.6k~12m的通信速率和中继器（repeater）的扩展功能。底层profibus-dp还支持基于光纤传输介质的通信；可支持点对点、总线及环形光纤网。控制器可配置成双机热备及冗余通信模式，用于对可靠性要求很高的场合，详见图2。基于现场总线（profibus）的先进控制系统acsbpb系统网络结构图。 　　（2）控制器或主站控制器基于通用工业pc机、bbbbbbs/wt软硬件平台。现场总线接口一般采用pci总线的profibus网卡（自主开发）。系统控制器或主站应具备双机热备、冗余通信系统功能。 　　（3）acsbpb系统软件acsbpb系统软件基于win/nt系统软件平台。它包含一个实时多任务操作系统内核，并为系统提供以下功能： 　　·用于系统组态工具包。 　　·基于iec61131程序编辑软件包和软逻辑功能模块。 　　·绘图、数据库编辑工具包和实时在线监控软件包，包括流程、棒状图、趋势图显示功能。 　　·故障报警及记录、实时数据采集、存储、查询、统计、报表打印功能。 　　·基于intranet/internet技术的远程数据流浏览、远程维护功能。 　　·支持opc、dde驱动接口。 　　·支持odbc、sql数据库接口。 　　（4）具有现场总线（profibus）接口的底层现场设备。 　　·分散式i/o从站通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的分布式i/o从站。 　　·智能分散式i/o-plc从站通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的智能分散式i/o从站。 　　·智能交直流驱动器通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的智能交直流驱动器。智能交直流驱动器的参数化符合profibus-dp行规要求。 　　·智能执行机构包括气动、电动执行机构。通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过prohbus标准认证的智能执行机构。 　　·人机接口hmi 包括字符型和图形、crt/led、带/不带触摸屏。通过profibus接口，可连接一定型号的人机接口。 　　·传统现场设备与现场总线通信接口的软硬件接口可以是内置式或外置式，主要用于老设备的通信连网。接口1端是标准的profibus接口，另1端视具体设备要求而定，如另一端可以是自由编程/asiic码的rs-232/485接口、i/o、pc/104、pci等等。 　　·传感器与变送器包括电量监测及保护装置、开关设备、温度、压力、liuliang变送器。 　　（5）现场总线网络器件产品电缆、光缆、光端机模块、profibus-dp/pa接头、profibus-pa总线接插件。 　　（6）不同现场总线标准协议之间的通信接口的软硬件包括藕合器、路由、网关。 　　（7）专用应用软件包包括自动化立体仓库软件包、生产线监测系统软件包、同步控制算法软件模块、张力控制算法软件模块、船闸控制系统软件包、船闸船只优调度算法软件等等。 3、基于现场总线的先进控制系统市场前景分析 　　3．1市场需求 　　目前，国内各行业竞争激烈。企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。企业有追求新技术、改造现有系统的需求。现场总线技术是未来自动化技术发展主流，基于现场总线的先进控制系统以其明显的技术优势和价格优势，在分布式控制系统市场中将逐步替代plc产品。 　　3．2企业效益 　　（1）对现场设备制造商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品tigao了一个技术水平。由于现场总线技术的开放性，企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。比如，采用国外控制器和自主开发生产的分布式i/o或其他现场设备集成，将组成一个性能、价格都比较平衡的系统，根据笔者经验，这种配置在国内工程项目中是很有竞争力的。企业因产品技术进步将得到更多的市场机会。 　　（2）对自动化系统集成商应用现场总线的先进控制系统的自动化系统集成商有条件以系统为平台，利用自身在行业领域中的优势，开发出具有专用技术的控制系统，使系统集成增值，增加利润并扩大市场份额。 4、结束语 　　现场总线技术以其标准化、开放性使参与其中的企业收益；一切有远见和市场头脑的自动化行业志士仁人，都不会视而不见、无动于衷、漠视它的存在。丧失机会和主动将在未来市场中淘汰出局。国内企业应吸取在plc、dcs技术和产业化方面发展的经验教训，把握机遇，结成技术及市场同盟，开发出拥有自主知识产权、基于现场总线技术的控制系统，并在优势行业上应用推广。这样，既可带动国内自动化行业的发展，也可将国内工业自动化装备tigao到一个新的水平，使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席之地。本文的分析和观点，如能为国内自动化行业的技术专家、企业家和政府领导的决策提供有价值的参考，作者将感到十分高兴。

　一、 项目简介
　　能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接tigao其生产效益。将军烟草集团有限公司成立于1993年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上先进的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工5000 余人，总资产 73 亿元，是全国烟草行业 36 家重点企业之一。
　　本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。
　　二、 系统介绍
　　本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为tigao厂内能源管理使用水平提供了可信依据。
　　本系统cpu主站选用siemens 的simatics7-400的cpu414-2dp和s7-300的cpu314，400plc主站配置9个et200m子站。cpu414-2dp集成mpi通讯口和profibus-dp通讯口，各子站与400plc主站采用profibus-dp方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；同时400plc主站通过mpi接口与上位机实现通讯。300plc主站通过mpi接口与上位机实现通讯。采用simaticwincc作为上位监控软件，采用vb6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。
　　系统清单如下表

　　三、 控制系统构成

　　1．系统的结构：系统配置如图1所示。

图1 能源管理监测系统图

　　本系统共分为三大部分：上位监控中心、plc主站、plc从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400plc主站通过mpi协议与服务器相连。mpi可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过profibusdp相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400plc主站，400plc主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过mpi网络传到服务器。客户机和服务器之间通过opc方式进行数据的传递。
　　2．软件设计
　　本系统plc主站、plc从站的编程使用step7编写，实现plc对过程数据的初步处理；上位机监控使用simaticwincc编写服务器软件（wincc server）和客户端软件（winccclient），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用visualbasic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。
　　（1）plc主站程序：该程序包括6个ob块、20个fc块、15个db块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽liuliang补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块ob1）流程图如下：

　　图3 主程序（组织块ob1）流程图

　　（2）上位机wincc程序：根据客户的要求，使用wincc编写友好的上位机人机界面。如下图：

图2上位机空压气分布界面

　　3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择
　　能源监测评估程序是用vb6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。
　　（1）方案一：使用vb6.0开发一个opc客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。
　　缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成opc连接中段，造成死机。
　　（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。
　　缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。
　　（3）方案三：opc通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的wincc客户端应用程序，利用wincc内部集成的opc接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用vb6.0开发一个opc客户端应用程序，实现该程序与客户机上的wincc进行通讯。
优点：使用wincc内部集成的opc接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。
　　（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。

图3 方案三示意图

　　四、 控制系统完成的功能
　　1．系统主要功能
　　本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：
　　(1)实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。
　　（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。
　　（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。
　　（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表
　　（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。
　　2．项目中的技术难点
　　用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，同时各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用vb的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，wincc.client的角色非常特殊，它对于wincc。server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。
　　五、 结束语
　　本系统已经投入使用，系统运行可靠稳定，tigao了数据的可靠性、正确性和计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。并且极大的节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担，并取得了良好的社会效益和经济效益。