6ES7223-1PM22-0XA8产品规格

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　　0 前言

　　大同煤业集团马脊梁集运站以前主要使用电机振动给煤机、输送带把洗煤厂精洗过的煤送至装车系统，电机振动给煤机存在煤块破碎率高、易堵塞、噪声大、给煤量小、给煤量无法调节等缺点，为了减少装车时间、jingque控制装车量，设计了基于plc控制的新型远控液压给煤机，主控计算机安装在集控室，距现场plc的距离大于300m，在组态王组态的人机控制界面上可控制给煤要求的闸门开关、破拱、振动等动作;通过旋转编码器jingque控制闸门旋转的角度，从而jingque地控制给煤量;并能直观地在控制界面上动态显示。主控计算机与plc之间采用mpi通讯协议，实现了数据的远距离传输。可直接触摸屏幕进行控制、也可用鼠标点击控制，操作简单、灵敏，能够实现就地控制，也可实现远距离(>300m)控制。

　　该给煤机运行1 a 多以来，改善了现场工作环境，减少了操作人员的装车时间，运行安全可靠，使用状况良好，更好地满足了生产要求。

　　1液压系统的工作原理

　　给煤机具有液压破拱、振动给料、弧形闸门转动等控制，液压控制系统原理如图1 所示。

　　液压系统中，换向控制集成块4、6 通过液压缸5 的活塞杆控制弧形闸门的转动， 换向控制集成块10 通过液压缸9的活塞杆实现破拱动作。在电磁溢流阀12 卸荷情况下，电动机空载起动。旋转编码器为autonics e40s-1000 型，每转发出1000 个脉冲，通过平行四边形机构与闸门转轴相连接，能保证两者旋转的角度相等。

　　液压泵1 启动后， 液压油通过单向节流阀2 流入蓄能器3，当蓄能器中的压力达到压力继电器11的调定压力后，11 发出信号，电磁溢流阀12 失电，液压泵卸荷。液压泵1 正常工作时，当换向控制集成块6 中的a 口与c 口、b 口与d 口相通时，弧形闸门开启;当换向控制集成块6 中的a 口与b 口、c口与d 口相通时，液压缸5 活塞伸出，弧形闸门关闭。突然停电时，液压泵1停止供油，换向控制集成块4 的a1口与b1口、c1口与d1口相通， 在蓄能器3中的高压油的作用下，弧形闸门关闭，避免煤仓中煤继续落到输送带上， 造成输送带无法启动现象。

　　2远控系统结构与工作原理

　　该远程控制系统可控制6 台液压给煤机。其组成：elo 触摸屏;610h 型研华工控制机;cp5611 通讯卡、西门子s7-200226 型plc;em221 扩展模块;em223 扩展模块。如图2 所示。

　　工控机上装了组态王5.2 和step 7 -micro/win v4.0 sp4。使用组态王组态控制界面。控制界面之一如图3所示。

　　在工控机中加装了西门子cp5611 通讯卡，工控机与s7 之间采用mpi 通讯协议， 实现信号的远距离传输，本控制系统中信号的实际传输距离为300 m。由于需要控制6 台给煤机， 控制的动作较多，所以输入输出点数较多：输入48 点、输出32点共80 个i/o 点， 而s7-200 226cpu 只有24 个输入点、16 个输出点共40 个i/o 点，不能满足实际i/o点的需要，加装了em221、em223 两个扩展模块。

　　3远控系统的主要功能

　　根据实际给煤作业的要求，该控制系统有远控及就地控制2种功能，为了方便设备的日常保养与维护，就地控制主要实现闸门开关手动、破拱手动、振动点击手动等控制功能。为了能在装车集控室远程控制给煤机，方便、高效地完成煤炭装车任务，远控系统主要实现如下的控制功能：

　　(1)闸门旋转角度的jingque控制

　　为了jingque控制给煤量的大小，就需要jingque控制闸门的旋转角度。所开发的高精度远控液压给煤机闸门旋转角度的理论误差小于0.2°，在实际应用中，由于机械摩擦、机械刚度及液压油弹性的影响， 在旋转角度为0~78°内，实际误差小于1.2°。旋转角度的控制过程：在控制界面中，按下“闸门开度输入”按钮，输入要求的闸门转角，根据旋转编码器的型号转换为一定数量的脉冲数，plc中高速计数器测得旋转编码器的实际脉冲数，当输入脉冲数与实际脉冲数相等时，闸门停止转动，保持在要求的位置。本研究所用autonicse40s-1000 型，每转发出1 000 个脉冲，脉冲数n 与旋转角度φ 的关系为

　　因为脉冲数应该为整数，所以n 值应该取为整数。

(2)破拱控制

　　当给煤机的上方出现煤拱，需要破拱时，可按下“破拱”按钮，控制破拱活塞杆的升降。通过plc内的时间继电器的合理设置，点动破拱按钮一次，可以实现如下的破拱动作：破拱活塞杆上升3s，到达破拱高位置;为了减少液压冲击，同时也给电磁换向阀一定的换向时间，在此停留1 s，随后破拱活塞杆下降4.2s，到达破拱低位置，完成一次破拱循环。

　　(3)振动电机控制

　　在开始给煤之处， 煤仓中的煤处于静止状态，为了加快其流动，开机时，在plc 中设置振动电机自动振动30s。在工作过程中，当出现煤拱或者下煤不畅时，按下控制界面上的“电机振动”按钮，2个振动电机同时振动，要停止振动，再次点击该按钮即可。

　　4远控给煤机的特点及应用情况

　　远控给煤机与其它型式给煤机相比具有如下特点：

　　(1)给煤量调节方便、准确在触摸屏控制界面上，输入闸门的旋转角度，传输至plc，plc通过旋转编码器能够jingque控制弧形闸门旋转至该角度，从而jingque控制给煤量;

　　(2)噪声小，低于63 db，比原来使用的电机振动给煤机降低了31db，在给煤过程中抛洒少，减轻了现场清理的工作量，极大地改善了职工的劳动环境;

　　(3)运行稳定可靠，不论是数据的远距离通讯还是液压系统均运行稳定可靠。能耗低，维修量小，运行费用低;

　　(4)输送量大，单台给煤机可达2 400 t/h，输送效率高， 装车时间由原来的3 h 减少到不足2h，减少了装车集控人员的工作时间，明显地提高了装车作业效率。

1 系统总体方案

　　系统包括一个网络总站和五个现场控制站。plc选用德国siemens公司的可编程控制器s7-315和profibus-dp现场总线。profibus-dp是profibus的协议模型的一种,即分布式 i/o。该总线具有以下特征：通道分配是基于主-从方式的令牌传送;数据可由双绞线或光缆传输;开放的总线系统可自由扩展多家厂商的产品;模块化的扩展方式。系统各非电量模拟参数的采集由各传感器/变送器完成。考虑工业现场环境与系统综合性能,采用敏感元件与变送器一体化的传感器。远传信号采用通用4ma ～20ma 标准大信号。

　　系统通过现场总线获得各磨机运行状态数据;通过s7-315dp管理各现场i/o站;通过工业计算机提供人机界面(报表、监视、查询、记录);通过s7-315dp执行应用程序在pc机关机条件下独立完成系统监控功能。通过一个开放的标准化现场总线系统连接各个部件,见图1。

　　2 系统主要功能

　　2.1 网络功能

　　针对磨机在油温油压控制方面的缺陷,选用德国siemens公司的可编程控制器s7-315,作为网络总站管理各现场i/o站,网络总站控制柜设在中控室;选用simaticet200m模块化i/o站作为现场工作站对模拟输入信号进行控制。通过一个开放的标准化现场总线系统对球磨机轴承巴氏合金轴瓦温度和油压进行模拟量数据(4ma～20ma)采集,数据经网络工作站et200m中的模拟量输入(ai)模板sm331处理成为数字信号通过profibus-dp总线传输给网络总站和现场控制站。

　　2.2 数据采集功能

　　一体化温度传感器/变送器和压力传感器作为一次仪表对球磨机和同步电动机轴承巴氏合金轴瓦温度和油压进行模拟量数据(4ma～20ma)采集,数据经网络工作站et200m中的模拟量输入(ai)模板sm331处理成为数字信号通过profibus-dp总线传输给网络总站和现场控制站。

　　2.3 监控功能

　　系统通过数字量输入(di)模板sm321将低压开关柜送来的外部数字信号(如磨机开停车信号)转换成s7-315内部信号电平通过profibus-dp总线传输给网络总站。

　　系统通过输出(do)模板sm322将网络总站内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平(声光报警、跳车信号)通过profibus-dp总线传输给现场工作站,进行声光报警和自动跳车。

　　网络工作站(见表1)其主体为西门子公司simaticet200m模块化i/o站,每个i/o站包含有电源、im153模板用于连接现场总线、s7-300自动化系统的i/o模板包括模拟量输入(ai)模板sm331与数、字量输入(di)模板sm321、输出(do)模板sm322及其它附属设备。

　　(1)sm321数字输入模块。

　　数字输入模块将过程送来的外部数字信号电平转换成s7-300内部信号电平。这种模块适合于接开关和二线接近开关。本系统用于判断磨机开停车状态。

(2)sm322数字输出模块。

　　sm322数字输出模块将s7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。该模块运用于连接电磁阀、接触器、小电动机、灯和电动机启动器。在本系统用于输出或控制声光报警。

　　(3)sm331模拟输入模块。

　　模拟输入模块是将过程的模拟信号转换成s7-300内部处理用的数字信号。该输入模块可以连接电压和电流传感器、热电偶、热电阻传感器。本系统是将各传感器/变送器采集的各非电量模拟参数转换成s7-300内部处理用的数字信号经现场总线传输到总站。

　　3 数据采集

　　系统各非电量模拟参数数据采集点的选择和信号采集的准确度和可靠性是决定磨矿机油温、油压在线监控系统这个项目成功与否的重要因素,这是一个难点。如果数据采集不准确,整个系统形同虚设。系统各非电量模拟参数的采集由各传感器/变送器完成,每一机组都设立一个独立的dc24电源向传感器供电,工业标准两线传感器信号连接到plc模拟输入接口。如图2,对于轴瓦油压的数据采集点设置在稀油润滑站出油管路上可以保证所监测到压力的可靠性;油温信号的采集点无法直接接触运行中的油面, 只有在瓦背上钻一个洞接近巴氏合金表面, 将温度传感器插入其中采集数据,该数据是油温经巴氏合金瓦面测得,因此有误差;需对这些监测数据在计算机系统中的读数与实际值进行反复较核,以确保计算机系统获取的参数能够反映客观数值。

　　4 结语

　　该系统改造以后,对油温、油压全方位进行实时监测及保护,从方案上全面解决了对轴瓦的保护问题。另外,一体化温度传感器和压力传感器比电接点压力表可靠性强, 故障率低,保证了对油温、油压的实时监测。可编程序控制器比二类电器使用寿命大大加长,保证了系统的稳定性,对轴瓦的保护更为可靠。

现场总线是20世界80年代中期在国际上发展起来的。它应用在生产现场，实现微机化测量设备之间的散化、网络化、智能化方向的发展，一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，到全世界的普遍关注。自80年代末以来，几种现场总线技术如ff、lonworks、canbus、profibus等已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响。profibus等已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响。profibus是processfieldbus的缩写，是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。
胶带运输是煤矿生产中十分重要的环节，监控系统在该环节的投入是煤矿现场化生产的趋势。本文以皖北矿务局祁东煤矿的井下胶带监控系统为例，简介profibus现场总线技术在监控系统中的应用。
1profibus现场总线技术
1.1profibus概貌
profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。profibus根据应用特点分为profibus-dp、profibus-fms、profibus-pa三个兼容版本。其中profibus-dp是一种高速（数据传输速率9.6kbit/s～12mbit/s）的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散i/o之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；profibus-pa采用iecii58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高及由总线供电的场合；profibus-fms主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

1.2总线拓朴结构
根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构可有多种形式，通常采用以下三种：线形、树形和环形。profibus采用的是线形结构，其特点是简明，用一根总干线从控制器连到机械装置（控制对象），总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有i/o站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道。在这种总线结构下，可实现多主式和对等工通信，可以两个控制器共享同一个系统中的信息和i/o站。另外，不需关闭总线系统就可以把一个i/o设备从总线上拆下，这给总线系统的维护带来了很大方便。
1.3profibus-dp的设备类型
根据实际设计需要，本系统采用profibus-dp。每个profibus-dp系统包括以下三种不同类型的设备：
（1）dp主站类型1它是profibus-dp应用的中心部件，在一个规定的、重复的信息周期内，中央控制器或pc机与分布式从站（dp从站）交换信息。非循环传输的数据与循环的测量值相比不是经常变动的，因此这种数据与快速循环的有用数据一起传输，但它以较低的优先级传输。主站中的中断确认保证由dp从站来的中断可靠传输。
（2）dp主站类型2这种类型的设备（如编程器、组态设备或操作设备）用于dp系统的启动、组态或用于正常运行过程（如诊断）中的系统操作。此类型的主站可以读取由设备来的输入、输出、诊断和组态数据。
（3）dp从站一个dp从站是一个i/o设备，它读取输入信息并向i/o提供输出信息，输入和输出信息数取决于设备类型，大为244字节。

1.4profibus-dp的通信协议
profibus现场总线采用了osi模型的物理层、数据链路层，如图1所示。其传输速率为9.6kbps～12mbps，大传输距离在12mbps时为100m，在1.5mbps时为400m，可用中断器延长到10km。其传输介质既可以是双绞线，也可以是光缆，多可挂接127个站点。
profibus-dp物理层与iso/osi参考模型的层相同，采用eia-rs485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。
profibus-dp数据链路层协议媒体访问控制（mal）部分采用受控访问的令牌总线（tokenbus）和主从方式。令牌总线与局域网ieee8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其它主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合hdlc中的非平衡正常响应模式（nrm）。该模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链数中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和链路释放。正常响应模式主站与从站之间传输帧的格式如图2所示。
f为帧标志字段（8位）。a为从站地址字段。控制字段c表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将hdlc帧分为三种类型：信息帧、监控帧和无编号帧。其中信息帧用于应用数据的传输并捎带应答；监迭帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态作出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种无编号命令和响应，例如建立链路工作模式、释放链路及报告特殊情况等。信息字段由pkw+pzd的应用数据构成，pkw用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4kb长，而pzd用于存储控制器的具体控制值、设置站点或状态字的参数，一般为2～10b长，如pzd的第二个字节可设为0#～7#设备的起停止位。fcs是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（crc）校验。hdlc帧长可达24b。
profibus-dp并未采用iso/osi的应用层，而是自行设置一用户层。该层定义了dp的功能、规范与扩展要求等。
可知，profibus-dp的实时性远高于其它局域网，因而特别适用于工业现场。

2井下胶带监控系统的硬件结构
profibus-dp被应用于皖北矿务局祁东煤矿井下胶带监控系统，硬件系统如图3所示，整个系统由上位机、profibus-dp主站、profibus-dp从站及其现场设备组成。profibus-dp总线将所有设备连接起来。其中，profibus-dp主站、profibus-dp从站均采用simatics7-300的模块系列，主站为cpu315-2dp系列模块，从站为相应i/o模块。
（1）分布式i/o系统，本系统采用et200通讯模块等profibus-dp相连接，et200充分利用了simatics7-300的模块系列，将所有的s7-300i/o模块通过接口模板im153与现场总线相连。i/o模块下的执行器和传感器连接到现场设备，i/o模块按主/从模块向现场设备提供输出数据并向cpu或上位机馈送输入数据。i/o模块属于dp从站。
（2）cpu作为dp类型1主站，cpu位于控制中心，本系统采用cpu315-2dp模块化型plc，它具有强大的处理能力，并集成了profibus-dp现场总线接口装置，同时还具有0.3ms处理1024个语句的速度。plc程序在上位机的编程工具step7中编译完成后下载到cpu315，并存储在cpu315中。cpu315可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有i/o模块的状态字，控制硬件设备。
（3）上位机是dp类型2主站。本系统采用研华工控机作为上位机，通过现场总线接口卡cp5611使工控机与现场总线相连。这样工业pc机与现场总线网段就连接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。为了保证系统的稳定性，系统运用了双机冗余，钭另一台工控机通过同样的现场总线接口卡cp5611与现场总线相连，若其中一台工控机发生故障，另一台可继续运行。
3井下胶带监控系统的软件结构
软件结构部分包括bbbbbbsnt操作系统、下位机编程软件、上位机监控软件。
3.1下位机编程软件
本系统采用simatics7-300的配套编程工具step7完成硬件组态、参数设置、plc程序编制、测试、调试和文档处理。通常，用户程序由组织块（ob）、功能块（fb、fc）和数据块（db）构成。其中，ob是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。fb、fc是用户子程序。db是用户定义的用于存储取数据的存取区，本系统中它是上位机监控软件与step7程序的数据接口点。在mpi中配置与其相对应的db块就可实现上位机监控软件fix与step7程序的数据接口。
3.2上位机监控软件
fix工控组态软件是由美国inbbblution公司开发的基于bbbbbbs9x&nt的大型应用软件，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通讯等组件，提供一个友好的用户界面，使用户可根据实际生产需要生成相应的应用软件。

3.2.1与profibus现场总线的接口
（1）数据流程fix运用i/o驱动程序从设备中读写数据，每个i/o驱动程序支持其特定硬件。对于本系统的profibus网络，采用mpi驱动程序获取其上数据。fix组态软件首先通过mpi驱动程序软件接口从现场的过程硬件中获取数据，存入dit驱动程序映象表中（驱动程序映象表在系统运行时实际上是一块内存区），fix的内部数据库（pdb）通过sac程序从dit表中获取它所需的数据，应用软件（如fix的画面运行程序、报表生成程序等）都通过内部数据库访问软件从fix内部数据库中获取来自过程硬件的信息，这样就可以实现工业流程画面上动态地显示现场各过程硬件的运行状态，数据也可以按相应的顺序写回现场过程硬件，执行控制操作。相应的数据采集流程如图4所示。
（2）mpi配置mpi驱动程序的应用中很重要的问题是step7和fix的地址转换问题，在step7中设置的db块应转换为mpi的db块，这需要在mpi配置中实现。对mpi进行配置包括通道、设备、起始地址及其它一些参数，令mpi的db块与step7中设置的db块相对应，fix的应用程序才能获取现场数据。
3.2.2用户界面开发
本控制系统开发的人机接口界面有以下几种：
（1）信息显示画面
信息显示画面主要显示各胶带当前运行状态信息值，如当前胶带带速、储煤仓的仓位以及一些故障信息，如胶带跑偏、堵塞、打滑等，并可用不同的颜色来表示当前状态来正常还是异常。
（2）设备控制画面
尽管下位机程序能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，并实现pid控制等一些简单的控制算法，但算法的控制功能仍需要在上位机上实现人工控制，在画面中点击相应设备按钮就可对该设备进行单独控制。
（3）实时报警处理
对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理并自动进行相应的设备控制，如对胶带故障信号的解锁及其恢复等。
（4）报表打印
利用fix的dde功能开发出实时报表并具有随时打印功能。
（5）实时数据曲线显示
监视设备重要参数的变化趋势曲线，从而可以了解设备在一段时间的运行状况。
（6）历史趋势画面
功能与实时数据曲线类似，只是它显示的是过去一段时间设备的运行参数值。
皖北矿务局祁东煤矿井下胶带监控系统现已投入运行，设备运转情况良好，经济效益显著，深受用户好评。