西门子6ES7223-1BL22-0XA8产品规格

西门子6es7223-1bl22-0xa8产品规格

　1 台30 t 码头固定门座起重机，2002 年投入用于公司原料入口卸船和外销矿装船，两班制作业。该机由起升、变幅和旋转3大机构组成。原机电气系统为常规继电器控制，使用主令控制器、控制继电器、时间继电器、热继电器、断路器和限位等多种元器件对接触器进行控制。各机构电动机转子回路采用串接电阻方法启动和调速。各机构均采用3档速度，利用时间继电器自动延时切除电阻。

　　1 改造目的与预期目标

　　1. 1 改造目的

　　该机原电控配置落后，经过多年连续运行，电器元件老化明显，故障频繁，已经影响到生产的正常进行，决定结合电气系统大修实施技术改造。

　　1. 2 预期目标

　　根据起重机作业工况和电控系统技术状况，结合起重机结构特点，本着技术进步、安全可靠的原则，确定采用plc控制技术对整机电气操纵控制系统进行改造。通过改造，预期实现以下目标:

　　1) 改造后的系统必须保持起重机原有功能，载重量、速度和工作等级不变;

　　2) 电气系统改造后实现plc 控制，使起升、变幅和旋转3大机构保持既可单独又能复合操作，其操作的灵敏可靠性要优于原系统，使起重机装卸作业效率有所提高;

　　3) 通过整机plc 控制改造，相对于原机常规继电器控制，减少所有的时间继电器和中间继电器触点，利用plc内部无触点继电器特点，降低故障率，提高运行可靠性和可开动率。

　　2 改造方案

　　2. 1 起重机结构与改造方案确定

　　2. 1. 1 起重机基本结构

　　起重机1 层平台为机房，布置有操作室、起升和回转工作机构、电源和3 大工作机构及起重电磁铁控制柜。2层露天平台装有变幅机构、吊机门架、起重电磁铁变压器和停电保磁装置。2 层平台的结构布置十分紧凑，无多余空间。

　　2. 1. 2 总体改造方案

　　在plc控制中，一般都以变频器实现调速控制。受该机结构所限，改造方案放弃使用变频器而保留切电阻调速，仅对各接触器及其相关部分采用plc控制。涉及范围包括起升、变幅和旋转3 大工作机构，联动操作台以及各工作机构的安全联锁和联动控制。由变幅旋转及电源控制柜、起升及plc控制柜、联动操作台、电阻箱等结构单元组成。

　　2. 2 控制功能的实现

　　1) 起升机构的4 级全常规切电阻加速与能耗制动和变幅、旋转机构的4 级全常规切电阻加速控制，实现3大工作机构的启动和调速。

　　2) 起升、变幅和旋转机构的限位开关线、主令控制线均汇集到plc 设备。plc得到限位和主令信号后对各机构的接触器等元件实施控制，使系统实现运行功能。

　　3)中文故障监控系统对各机构工作状况进行实时监控记录，实现故障监控功能，包括各个限位、热继电器、断路器和各接触器的状态反馈，故障点位置，历史故障记录，都通过触摸屏显示。

　　3 改造后电气系统控制原理

　　3. 1 电源控制

　　电源电缆由接线箱通过起重机中心受电器引至总电源总断路器，再引至变幅/旋转控制柜、起升plc控制柜，向各工作机构及其它用电系统供电。

　　总电源断路器设置在电源/起升柜中，整机工作电源由总电源断路器出线端引出，向机上各机构的主回路供电。联动台上设有紧停按钮，紧急情况下可用来分断总电源断路器，切断整机工作电源。总电源部分设置了电流表、电压表和电压表换相开关，检测电源各相电压是否平衡或缺相以及工作电流。设置的相序检测功能在进线电源相序相反的情况下，系统将会无法启动并报故障。

　　电源柜中设置ac380 v/ac220 v 的控制变压器和照明变压器各1 个，为紧停回路、各工作机构控制回路、plc电路、系统信号和照明提供电源。

　　3. 2 起升机构

　　起升机构2 台yzr280s - 8 型45 kw电动机采用常规转子串电阻调速，能耗制动控制方式。通过联动台主令控制器给plc信号，相应切除各级电阻实现电动机调速。抓斗开闭通过联动台脚踏开关控制。plc 根据程序输出各信号，控制上升或下降速度。力矩限制器设定为额定负载( 或力矩) 时自动报警，110% 额定负载则安全装置起作用，货物只能下降不能上升且旋转变幅机构不能动作。起升机构设有起升(下降) 减速和终点2 道独立限位。

　　3. 3 变幅机构

　　变幅机构1 台yzr225m - 6 型30 kw 电动机采用常规转子串电阻调速。通过联动台主令控制器给plc信号来相应切除各级电阻实现电动机调速。变幅机构设有减幅( 增幅) 减速和终点2道独立限位。

　　3. 4 旋转机构

　　旋转机构1 台yzr225 - 8 型22 kw电动机，采用转子回路串电阻调速。旋转机构的静压缸制动器通过脚踏制动联锁开关，保证切断电动机电源，避免电动机在通电情况下抱闸引起过载。通过联动台主令控制器给plc信号，相应切除各级电阻实现旋转转速的改变。

　　3. 5 plc 控制系统

　　3. 5. 1 硬件组成和应用软件

　　整机控制系统采用欧姆龙公司c200h 系列plc，模块化结构，其中plc 的cpu 选用cpu42- e 1个，数字量输入模块ia222 6 个，数字量输出模块oc225 2 个。应用软件由bbbbbbs 界面下的cx - p 支持。

　　3. 5. 2 主要结构功能

　　1) plc 输入接口除接受来自主令控制器、按钮旋钮( 吊钩/抓斗转换、强迫增幅、能耗制动等各外部命令)、起升限位、变幅限位等控制信号外，还接受各断路器( 起升主断路器、旋转主断路器、变幅主断路器等) 、接触器(上升接触器、下降接触器、起升速度1 接触器、起升速度2 接触器等) 以及超负荷限制器等辅助触点信号，作为故障诊断和联锁用途。

　　2) 在plc 接入地址表中共有199 个地址，其中序号1 ～ 73 为plc 输入地址，序号74 ～ 102 为plc输出地址，序号103 ～ 153 为故障继电器地址，序号154 ～ 194 为内部变量地址，序号195 ～199为内部数据地址。

　　3) 起升、变幅、旋转各机构通过plc 控制切转子电阻来实现调速。

　　4) plc 和触摸屏通过rs232c 接口连接，按串口协议进行通讯。各机构的操作指令信号和检测指令信号，全部通过plc统一处理。

　　5) 触摸监视屏对plc 各种开关量实时监控功能，分主菜单起始画面、起升界面、开闭界面、旋转界面、变幅界面、plc输入输出点状态、实时故障、历史故障、各机构回路状态、帮助等各个界面，进入各个界面可以获得各种需要的信息。

　　3. 6 plc 温控调节装置

　　考虑到码头露天工作夏季高温环境，对plc控制柜实施风扇排气通风- 空调器温控调节技术( 控制原理见图1)，即在控制柜顶部安装排气风扇，在plc 柜右侧面加装一个机柜空调器。在夏季环境气温下，将断路器1接通，机柜空调器得电运转，接触器线圈得电后使其串在风机回路的常闭点断开，柜内风机断电停止运转，控制柜处于空调降温工况。在其它季节环境气温下，将断路器1断开，机柜空调器失电不工作，柜内风机得电运行，控制柜处于风机降温工况。空调器的工作温度可以设定调节。

　　3. 7 系统保护及照明

　　1) 根据起重机械安全技术要求，系统设置的电气保护包括:过流、短路、缺相保护、欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护。其中欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护由plc控制。

　　2) 照明系统由1 台ac380 v/ac220 v 变压器单独供电。照明系统独立于系统主回路，不受plc 控制。

3. 8 联动台主要功能

　　1) 试灯按钮，用于检查联动台面板上所有指示灯是否损坏;

　　2) 紧停按钮，保留直接连线，用于紧急情况下切断总断路器，断开整机工作电源，即使plc功能失效也能实现紧急停机;

　　3) 蜂鸣器，用于提示起重机电气部分发生故障或机构运行到达极限位置时报警;

　　4) 故障复位按钮，使所有故障复位，同时存贮故障内容，并使故障监控系统保持一定容量，以便查询;

　　5) 主令控制器带有机械连锁、自动回零功能用来控制各个机构的启动、调速与停止;

　　6) 除了紧停按钮外，联动台的其它所有按钮、主令、旋钮信号进入plc 输入模块，各指示灯、蜂鸣器由plc输出模块直接输出显示。

　　4 两种控制方式比较

　　4. 1 原控制方式

　　该机原配电气系统采用常规继电器控制，以起升机构为例:起升允许功能就需要总电源通电、继电器通、起升控制电源开关通、起升制动器电源开关通、起升电机热继电器正常等信号分别串入，才允许工作。起升工作需要主令控制器发出上升命令，并在限位允许信号、超载允许信号、下降不工作信号、能耗不工作信号同时出现，上升接触器动作，电机才启动。加速时，主令控制器发出加速命令，一系列的中间继电器、时间继电器通过接触器分别将接入起升电机转子侧的外接电阻依次切除，使电机达到额定转速才达到加速的目的。整个过程需要多个中间继电器和时间继电器的辅助触点进行连接。

　　4. 2 plc 控制方式

　　改造后，plc 内部实现的逻辑控制将控制命令和目标继电器分离，对各控制点进行集中管理和显示屏显示。同样以起升机构为例:起升各个空气开关、热继电器、限位、接触器的辅助触点进入plc 输入模块，起升命令通过主令操作直接输入plc，plc内部进行逻辑运算后通过输出模块输出给起升或加速继电器，继电器控制接触器动作，电机便可实现启动和加速。正反转延时切换也不再采用时间继电器，而由plc内部提供的软时间继电器通过程序对时间进行设定。

　　4. 3 plc 控制的优点

　　4. 3. 1 元件减少结构简化

　　plc 控制相对于原机常规继电器控制，减少了所有的6 个时间继电器，减少的中间继电器触点达149 个( 其中起升部分触点71个，旋转部分29 个，变幅部分49 个) 。利用plc内部无触点继电器的特点，使电控系统元件大幅减少，结构得以简化，为降低故障发生频率，提高运行可靠性提供了可靠的设备保证。

　　4. 3. 2 动作可靠故障率降低

　　与原控制方式比较，plc控制作为集成的逻辑器件，输入信号为各器件的单独信号，不与其它器件进行串并联，仅需必要的控制信号、反馈信号和保护信号，不需要其它中间继电器进行转接。同时反馈信号的输入可以实现plc自动故障检测。输出信号直接到各接触器，因此动作可靠，其平均无故障时间远远高于继电器控制系统。

　　4. 3. 3 控制简单操作灵敏调试方便

　　plc 作为可编程设备，逻辑控制完全由plc的cpu完成，大大减少了逻辑控制的硬连线。工况更改时，仅需要改变程序，就可满足要求，尤其是在进行起升、变幅或旋转的复合工况操作时，机构反应灵敏，动作更为协调，使吊机作业效率得以大幅度提高。调试时，仅需要对程序进行调试，无需更改硬件回路，大大节省了调试时间，使系统控制更快捷。本项改造安装完成后的调试仅花了4h，且获得一次性成功。抓斗启闭、起升、变幅和旋转等各种作业动作，调试人员完全根据操作人员的要求，通过时间数字的调整变换得以实现。

　　4. 3. 4 查找故障快捷方便

　　系统一旦出现故障，只要看启动、停止和输出信号。其连接线路正常与否，可通过plc模块上相应的信号状态就可确定，十分简单明了。通过采集到的信号进入plc，可以清楚地在故障显示屏上看到该接触器的工作状态，也就是说只要是接入plc的信号，就能很容易知道其状态，是在工作位还是在故障位，排除故障所需时间大大缩短。

　　5 主要元件选型

　　1) 柜内低压元器件(断路器、接触器、中间继电器、热继电器、选择开关、信号指示灯、按钮等)采用施耐德产品，其它电器件选用合资或国产优质产品;

　　2) plc 选用omron c200he 系列产品;

　　3) 端子排采用az1 系列产品，端子排上接线端子采用o 型冷压头;

　　4) 触摸屏采用gp2301s 彩色中文触摸屏。

　　6 使用效果

　　1) 该机于2007 - 12月底改造调试完成，经上海市特种设备监督检验技术研究院现场安全检验合格，正式投入生产运行。plc控制的可靠性使电控系统原先频发的故障得到了消除，至目前为止，改造后的电控系统已连续无故障运行2年时间。较改造前相比，吊机可开动率提高5% 左右，年创效益15 万元以上。

　　2) plc 控制使起重机起升、变幅和旋转3 种工况的复合操作更为灵敏可靠，装卸作业效率得到提高。

　　3) 机柜空调温控平衡技术的应用，确保了plc 元件在夏季高温环境下的可靠运行，为改造方案的有效实施提供了可靠保证。

　　4) 触摸屏应用使故障原因得到快速查找，2008 年因电网电压波动引起的1次故障停机，在触摸屏准确的提示下通过设计人员的远程指导使故障很快得到确认并排除。

引言

　　自动化控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线（fieldbus）正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统fcs（fieldbuscontrolsystem），是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统dcs后的基于现场总线的新一代控制系统。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线（ff，foundationfieldbus）、lonworks、profibus、can和hart等等。其中，profibus是当前为流行的现场总线技术之一。

　　profibus是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号din19245。profibus于1996年成为欧洲标准en50170，1999年底成为iec61158的组成部分，已被全世界接受。

　　profibus根据应用特点可分为profibus-dp，profibus-fms，profibus-pa三个兼容版本。

　　profibus-dp：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散i/o之间通信设计，使用profibus-dp模块可取代价格昂贵的24v或0～20ma并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。

　　profibus-fms：解决车间级通用性通信任务，提高大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。

　　profibus-pa：专为过程自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了iec1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。

1 profibus 基本特性

1.1 协议结构

　　profibus协议的结构定向根据iso7498以开放系统互联网络osi为参考模型。profibus协议结构采用osi的层、第二层和第七层。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据和应用软件。

1.2 传输技术

　　由于单一的传输技术不可能兼顾传输可靠性、传输距离和高速传输等要求，profibus提供三种类型：dp和fms的rs485传输;pa的iec1158-2传输;光纤（fo）传输。profibus-dp和profibus-pa之间可通过dp/pa耦合器（coupler）或链接器（bbbb）相连接。

1.3 存取协议

　　profibus的dp，fms，和pa均使用单一的总线存取协议，通过osi参考模型的第二层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。profibus总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和从站之间的主从方式。任意时刻只能有一个主站拥有令牌，直到该主站的时间片用完或已无信息传递，才将令牌按一定的环路传给下一个主站。这样保证每个主站在一个有限时间内得到总线的控制权。同时主站与从站采用轮询（polling）存取方式，这样系统配置可能实现下列三种：纯主-从系统;纯主-主系统;混合系统。

2 simatic s7-200系列plc的基本通信方式

　　simatics7-200系列plc适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论是独立运行还是相连成网络皆能实现复杂控制功能。此系列plc的cpu型号有：cpu221，cpu 222，cpu 224，cpu 226和cpu 226xm。本控制系统采用cpu224，它具有四种通讯方式：

　　一：ppi方式

　　ppi通讯协议是通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，物理上采用rs485电平，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。ppi通讯网络是一个令牌传递网。

　　二：mpi方式

　　s7-200可以通过内置接口连接到mpi网络上，波特率为19.2kbit/s，187.5kbit/s。s7-200cpu在mpi网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。

　　三：自由通讯方式

　　s7-200可以由用户自己定义通讯协议，与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯。波特率高为38.4kbit/s（可调整）。

　　四：profibus-dp网络

　　在s7-200系列的cpu中，都可以通过增加em277扩展模块的方法支持profibusdp网络协议。高传输速率可达12mbit/s。

3 现场信号与系统监控软件之间的连接桥梁——opc

　　现场总线作为开发的控制网络能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信息出现在计算机的各应用平台上，opc完美地解决了此类信息传递问题。opc（olefor process control）是过程控制中的对象链接嵌入技术，建立在bbbbbbs的对象链接嵌入（ole，bbbbbbbbbbing and bbbbbding）、部件对象模块（com，component bbbbbbmodel）、分布部件对象模块（dcom，distributed component bbbbbbmodel）技术的基础上进行开发的。opc是一个开放的接口标准、技术规范。它的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各客户/服务器之间可组成如图1所示的链接方式，各客户/服务器间形成即插即用的简单规范链接关系。

图1

　　有了opc作为通用接口，就可把现场信号与上位机监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与pc机的某些通用开发平台链接起来，如vb,vc++,excel等。这样给我们开发上位机监控软件带来很大的方便。

4 系统实例简介

　　在石油工业中，由于控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，所以在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如plc和现场总线技术如profibus。在智能发油控制系统中就是采用simatics7-200 cpu224控制发油泵，并通过profibus-dp现场总线由工控机（或pc机）进行监控。

4.1 智能发油控制系统组成

　　本系统是由profibus-dp构成的单主站系统，具有简单设备一级的高速数据传输特性。系统组成如图2所示。

图2

　　（1）整个控制系统连接在两路profibus-dp总线上，每路总线包含一个总站和20个dp从站，两个总站和开票机构成局域网，主站和从站之间为主从关系。

　　（2） 两个工控机主站和发票机通过tcp/ip协议，组成局域网。

　　（3）系统以simatic工控机作为dp类型2主站，通过现场总线接口卡cp5611使工控机与profibus-dp总线相连，能完成组态、运行、操作等功能。主站上的应用程序与cp5611的信息传递采用opc通用接口服务软件实现。

　　（4） 每个从站完成对两路发油系统的监控和控制，采用simatic s7-200系列cpu224模块，通过em277扩展模块以dp从站形式接入profibus-dp网络，按主/从模式向上位机发送数据。

4.2 智能发油控制系统的软件设计

　　软件部分包括bbbbbbs 2000操作系统、simatic opc接口服务软件、主站监控软件和从站编程软件。

4.2.1 从站发油控制系统plc通信接口软件设计

　　从站发油控制系统的plc采用了simatics7-200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、调试和文档处理等功能。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的接口界面，用于控制程序运行;fb、fc是用户子程序;db是用户定义的数据存储区，在本系统中它是上位机监控软件与step7程序的数据接口点，配置与其相对应的db块就可实现上位机监控软件opc与step7程序的数据接口。其通信接口程序如下。

　　call “dp-send”

　　cpladdr：=w#16#170

　　send ：=p#db1.dbx0.0 byte240

　　done ：=m0.0

　　error ：=m0.1

　　ststus ：=mw1

　　call dp-recv

　　cpladdr：=w#16#170

　　recv ：=p#db2.dbx0.0 byte240

　　ndr ：=m128.0

　　error ：=m128.1

　　status ：=mw46

　　dpstatus：=mb120

　　l db2.dbw 0

　　l 0 == i

　　jc m001

　　call fc 63

　　m001: nop 0

　　call fc 64

4.2.2 主站通信接口软件设计

　　工控机作为主站，是通过通讯卡cp5611与从站进行数据交换的。选择操作系统控制面板的set pg/pa interface选项，对其硬件进行设置，可自动完成总线各部分配置。但对于自行开发的、带有profibus-dp接口的从站，需要自己编写一个＊.gsd文件加入到配置库中。本系统将em277的gsd文件加入至opc服务接口配置库中，完成对总线配置后，即生成一个ldb文件供系统运行使用。

4.2.3 工控机人机界面设计

　　工控机的人机界面设计，即发油控制管理系统，以bbbbbbs2000操作系统作为平台，通过标准通讯接口opc，采用microsoftvc++程序设计语言编制程序，完成系统的控制要求，实现对油库的储运收发过程进行监控和管理。开票机开出发票后，通过局域网将信号传给发油机，发油机则使用profibus-dp网通知下位机plc，由plc控制油泵，并检测油量计和温度，自动完成发油过程。图3为发油机主程序流程图。图4为plcs7-200主程序流程图。

图3

图4

5 结束语

　　工程实践证明,本控制系统采用profibus-dp网络技术实现分布式控制,网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，提高了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求扩展至较大的系统