西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0产品规格

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1、引言由我院技术总承包、近期已顺利投产的张家港华达涂层有限公司年产15万热镀锌板工程和我院目前为济南钢铁公司技术总承包的年产20万吨热镀锌板工程，采用新型自动化系统配置模式，从根本上改进和简化了自动化系统，目前张家港项目运行良好，济钢项目进展顺利。2、系统配置原则和方式冷带连续加工机组的过程控制系统一般按照工艺特点可以进行比较详细的分类，如焊机控制、锌锅控制、加热炉控制、辊涂控制、光整机控制等，但一般而言，冷带连续加工机组(镀锌机组、彩色涂层机组还是退火机组等)其通用的过程控制系统均为传动控制系统和与它关系密切的plc系统再加上上位监控系统;20世纪80年代，宝钢2030冷轧厂08镀锌机组(1850mm、年产30万吨)的自动化系统根据当时自动化技术水平按照工艺区段方式共配置5台西门子公司的s5-150kplc和一台上位工业控制机300-r30，属当时国际先进水平，目前自动化技术与20世纪80年代相比，进步极大，沿袭2030冷轧厂带钢生产机组工艺分段配置自动化系统的传统模式已不适应目前的自动化技术水平，表1为s7-400系列plc、s7-300系列plc与s5-150k系列plc的技术性能对比;以表1技术性能对比为依据，通过分析，济南钢铁公司20万吨镀锌机组集成的自动化系统我们采用一块s7-400主cpu:cpu416-2dp;张家港机组(年产15万吨)采用一块s7-300主cpu:s7-315-2dp，实践证明，我们的系统配置模式完全满足生产要求;可以有以下结论:目前国内大型钢铁企业年产在20万吨左右的冷带连续加工机组自动化系统，只需1台s7-400主cpu就可以满足生产要求，对于年产在15万吨以下的中小机组只需要一台s7-300主cpu:cpu315-2dp就完全可以满足生产要求，这无疑极大地简化了冷带加工机组的自动化系统，使广大用户从中受益。点击此处查看全部新闻图片 采用新型方式配置冷带连续加工机组自动化系统的好处可以归纳如下:(1)充分发挥cpu技术性能，淘汰按照工艺区段分配plc的老模式，从根本上简化自动化系统结构，降低设备投资。(2)充分采用现场通讯总线技术和远程i/o单元，从而大量节省输入/输出点和施工电缆，降低投资费用。(3)充分采用现代hmi技术，省却大量操作按钮、指示灯和显示仪表，从而提高自动化生产的操作和管理水平，使操作更加人性化和简约化。

   3、系统组成及功能

    冷带连续加工机组自动化系统构成方式为:基础传动+plc+上位监控;plc(主cpu、远程i/o站)、hmi、传动系统之间通过profibus-dp网络进行信息交换，具体结构见图1。

    3.1上位机监控系统组成及功能

    监控系统通过profibus-dp总线与plc主cpu连接，接受和采集原料、生产过程、产品有关信息，实现生产管理人员-设备-原料-产品之间的信息交换，对机组的正常生产和产品进行自动化管理;通过网络，把工艺参数设定值和对电气设备的操作从人-机界面接口传送到plc，把机组的状态、电气参数及故障由plc收集送到人-机接口的crt显示器上;我院目前为济南钢铁公司技术总承包的20万吨热镀锌板工程上位监控系统采用wincc组态技术对整个机组运行状态进行监控，系统配置见表2。

    上位监控系统软件功能如下:

    (1)原料数据(板材宽度、厚度、钢卷编号等)，过程数据(机组各段张力、机组速度)，产品数据(钢卷卷号、卷重、卷径、焊缝位置等)的自动生成、存储和修改，将自动生成的配方工艺参数下载到plc。

    (2)所有生产技术数据的汇总、存储、打印;

    (3)各主要工艺设备状态显示;(4)在人-机界面上或者在操作台上对上述生产技术数据进行人工干预;

    (4)加热炉的温度显示、运行状态监视、故障报警;

    图2为采用wincc软件组态的济钢20万吨热镀锌机组主画面。

  3.2plc系统组成及功能

    以济南20万吨热镀锌项目为例，plc系统采用西门子公司s7-400系列plc，主cpu采用s7-416-2dp，远程i/o采用et200，由cpu、存储单元、电源模板、通讯模板、输入/输出模板、高速计数模板、中继器等组成，plc与分布式i／o及传动系统采用profibus-dp网。具体配置见表3。

    plc控制系统主要完成加工线工艺功能的控制，根据工艺需要完成区段速度设定、张力设定、活套控制、逻辑控制、监测和报警、与上位机进行通讯等控制功能;在三个操作台(入口操作台、工艺操作台、出口操作台)上分别设有模块化i/o单元，由通讯电缆汇总到plc系统，为提高系统可靠性，plc与各自的远程i/o站之间的通讯、plc与调速传动装置之间采用独立通讯网络，plc把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人-机接口的crt上显示。 

4、plc软件功能

    冷带连续加工机组的plc软件主要是焊缝跟踪任务，包括自动刹车、慢速定位和紧急刹车;焊缝跟踪任务是靠现场远程i/o站信号通过profibus-dp与s7-400主cpu通讯，依据编制好的过程控制软件完成，它的任务主要包括:

    (1)根据带钢焊缝在机组的位置实现机组的自动刹车

    a)开卷机的自动甩尾刹车。

    b)入口活套/出口活套的自动刹车。

    c)卷取机的自动刹车。

    d)拉矫机的辊道自动开/闭。

    (2)根据焊缝位置实现机组的慢速定位

    a)入口上/下通道带头在焊机处的慢速定位。

    b)入口上/下通道在助卷器和夹送辊两种方式下的穿带。

    c)入口/出口侧剪刀处的带钢定位。

    d)焊缝的自动打孔。

    e)根据焊缝位置计算带长。

    (3)机组的紧急刹车

    a)传动设备故障的机组紧急刹车。

    b)断带故障的紧急刹车。

    (4)4个程序模块

    上述所有工艺要求的控制功能其软件核心为4个程序模块，根据需要分别在自动刹车、慢速定位和紧急刹车过程中调用，它们是:

    a)状态控制模块mdct01。

    b)张力调节模块tead01。

    c)定位模块posi01。

    d)自动刹车模块aubk01。

    定位模块posi01、自动刹车模块aubk01的功能主要是接受来自现场状态控制点的状态，并且根据状态控制点状态去触发或者调用状态控制模块mdct01和张力调节模块tead01的不同设定值程序,它们附属于张力调节模块和状态控制模块，主要是开关顺序连锁和通／断关系;状态控制模块mdct01和张力调节模tead01的主要功能是速度-张力的设定，其具体内容见表4。

    状态控制模块mdct01和张力调节模块tead01按照机组工作状态的不同可以分为目标速度非“0”状态的生产请求和目标速度为“0”生产请求两种基本情况;

(5)目标速度非“0”状态的生产请求，可以分为两种情况:

    a)初始速度为“0”，既生产线为停止状态，这种情况下，首先要进入张力准备阶段，根据工艺要求进行张力预选，接通张力，建立静态张力，其次是张力调节阶段，建立该运行区所有设备的工作张力，并且对张力的建立和调节进行确认和检查，在确认和检查无误的情况下，进入速度调节阶段，经过一定时间Δt(如出口段为4秒、工艺段为3秒、出口段为6秒)检查速度不为“0”，说明请求实现，具体张力-速度请求-确认曲线模型如图3所示。

    b)初始速度不为“0”，既生产线为正常生产状态，这种情况下，所有张力均已存在，各段张力均为正常生产值，此时，可以直接进行速度调节，具体张力-速度曲线模型如图4所示。

    目标速度为“0”，这种请求是实现目标速度为“0”的状态，具体张力-速度曲线模型如图5所示。

    由图4可以知道，当速度为“0”后大约0.7秒，取消工作张力，建立静态张力，若没有外部中断请求，那么在大约900s之后，系统自动取消静态张力，张力值“0”。

    图6表示镀锌机组入口段软件功能框图，整个框图基本包括状态控制模块mdct01、张力调节模块tead01、定位模块posi01和自动刹车模块aubk01。

    冷带连续加工机组的plc控制程序编制，应该注意以下情况:

    a)现场执行元件的可靠性直接关系到自动化系统的稳定运行，传动电机、抱闸和限位开关、光电检测在自动化系统中具有同样的重要性，机组的连续性生产和限位开关这样小的元件密切相关。

    b)冷带连续加工线自动化系统控制的主要设备是辊系设备，主要参数是张力-加速度-速度-位置这样四个力学参数，其控制过程属于刚性物料输送过程，其前后联系非常紧密，单体设备之间相关性极大，在控制精度上有一定要求，否则会出现断带、拉带、堆带或者机组振荡故障现象。

    c)冷带连续加工线自动化系统的硬件结构应合理采用远程i/o和总线通讯方式，软件结构上应该按照程序模块把所有开关量信号与张力-加速度-速度-位置参数有机地整合在一起，否则，机组静态张力、穿带张力、工作张力、入口/出口活套充/放套等工作状态很可能会出现意想不到的故障。

1 引言
风洞是空气动力试验系统。它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。也可以说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。风洞是研制飞机必需的一种试验装置。它模拟飞机飞行中各种空气动力条件，只在地面就可以获取飞机在空中飞行时的各种参数。
气流的改变通过调节风洞系统中的风速，风速采用富士g11系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度速度控制。可编程控制器(也称为plc)工业控制部件因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。但是其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文所述的风洞调速系统中，变频器、plc及人机界面之间以串行通信方式，可以在人机界面上直接对风洞内的风速、速压进行设定、控制及监视，并且可以通过趋势图随时观察气流改变时风洞内9个环境参数(温度、大气压、落压差等)的变化。该系统具有稳定、可靠性高的特点。
2 硬件配置设计
2.1 原理设计
图1是该系统的主要硬件组成图，应用于某风洞实验。

图1 系统主要硬件配置图

设定数据主要是风速，风速分为自动和手动调节两种方式。自动调节时,风速分15个等级，在pod上预先设定好每个等级的数据和工作时间后，按预先设定的等级的数据和时间让风速电机依次连续运行。手动时，pod随时由操作员调节风速电机的速度。通过传感器把风洞内的9个环境参数信号传给三个模拟输入单元。这9个环境参数分别是温度、实验段气压、落压差和力等。
对风速和速压两种方式可以任意选择和任意设定，根据流体力学[1]，由公式:
qi=k1ρvi2=k2△pi ——i=1到15可任意选择(i为实验vi或qi点数)
ρ=k3p/(273+t) ——k1,k2,k3:常数，根据不同系统而定:
qi——速压(kg/m2)
vi——风速(m/s)
△pi——落差压(mbar)
ρ——空气密度(kg*s2/m4)
t——温度(℃)
p——实验段气压(mbar)
可以计算vi和qi，也可以和风速的给定值进行比较。
2.2 配置设计
(1) 根据系统运行和控制要求，选用富士的micrex-sxspb系列plc，其使用简单，功能强大，优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能;并提供了方便、简洁、开放的通信功能;可直接连接pod;使micrex-sxspb系列plc可以很好的满足控制要求[2]。
(2) 人机界面选用带rs-485通信的富士ug430h-ss触摸屏，彩色，128色，10.4寸。进行参数的设定、显示[3]。
(3)变频器选用富士的frenic5000g11s，该变频器具有低噪音、高性能、多功能以及带有rs-485通信接口等特点。配以编码器反馈完成高精度速度控制[4]。
3 系统软件设计
3.1 人机界面的软件设计
本系统人机界面所有画面均用ug00s-cwv3软件进行设计，分为操作画面和检测画面。有主画面、环境参数趋势图显示、风速的自动和手动设定等画面，经ug00s-cwv3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面,如果与plc的通信能正常进行，并且plc侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过rs-422通信电缆直接与与plc编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施plc内部存储器的读写操作。plc完成处理后，回送答复给外部设备。plc侧不用特意编写通信程序。这里只介绍风速的自动和手动两个画面。
(1) 风速自动画面设计
风速的自动调节分为15个等级，每一个等级对应一个风速设定值和相应运行的时间。通过画面显示风速的当前值和系统的累计运行时间。
图2是设计的画面。画面中的自动调节风速是静态文字，对画面起到说明的作用，画面上所有静态文字的设计方法基本相同，设计时应在画面上合理布置，现以“自动调节风速”为例说明如下:在drawtool bar中选择[text],输入文字“自动调节风速”设定文字大小为enlarge x:2;enlargey:2，文字颜色为白色、透明。文字底下的方块、阴影，是在draw toolbar中选择[box]进行重叠的结果，它起到美化的作用，这里就不再详细说明[5]。

图2 风速自动调节画面

在工具栏中单击数值显示部件[num.data display],出现num.display对话框，对该数值进行设置，divisionno设为0，memory设为$u0100,display function设为entrytarget，放置到如图2等级1的下面。用同样的方法，在工具栏中单击数值显示部件[num.datadisplay]，对该数值进行设置，division no设为0，memory设为d0120，displayfunction设为entry target。利用编辑菜单中的multicopy分别对上面设置的两个数值进行复制，复制时次序递增，存储单元地址递增，分别复制15个，放置的位置如图2。然后用draw工具栏中的[line]和[text]画成表格的形式。
图3是对风速和时间设定时弹出的小窗口，在item菜单中选择[multi-overlap],在出现的对话框中设窗口号为0，点击ok，进入多窗口设置画面，在工具栏中单击[overlap],设置弹出窗口大小、颜色、类型，设好后点击ok放置到画面编辑区域里。在编辑区域内单击右键，选择overlap0，工具栏中选择[entrymode]，出现，点击左面的部件，通过设置把键盘到上一步的弹出窗口中。通过[max]和[min]在弹出窗口上可以显示每一个设定值的范围，这里就不再详细介绍了。

图3 风速和时间设定窗口

在图2的画面上设置了三个按钮，通过他们可以转到首页、手动调节风速、风压画面。自动调节风速的数值设好后，系统运行时指示灯亮。显示的当前值是根据前面的公式计算的结果，累计运行时间是从系统运行到停止的总的运行时间。
在依次自动执行15个风速段的程序设计中用到了宏命令模式。每一个风速值对应一个标志位，系统从个数值运行，当到达设定的运行时间后，第二个风速值对应的标志位置1，执行宏命令，把设定值送给变频器、风扇电机，按设定时间运行后，第三个风速值对应的标志位置1，下面的依此类推。
该人机界面内置日历，用来显示当前时间，也可是修改时间的显示格式。如图2右上角显示当前的年月日、日期和时间。
(2) 风速手动画面
图4为风速手动画面

图4 风速手动画面

在风速手动画面上，放置有加一减一键、左右移动键和输入键，通过它们可以改变设定的风速和时间值。
3.2 plc的软件设计
用plc编制的程序主要完成的功能有:对9路环境参数进行转换、运算;完成风速的自动、手动调节;plc程序结构图如图5所示:

图5 程序结构图

plc的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，明显的特点是用了标志位。以风速自动调节为例，对15个等级采用了15个标志位，来分别完成对15个风速等级的控制[6]。
4 变频器功能参数的设置与控制方法
变频器通过rs-485通信线和人机界面相连，通过人机界面对风速电机进行调控[7]。变频器的接线图如图6。利用编码器、编码器反馈卡实现对风速电机转速的闭环控制。风洞风速用变频器的pid调节实现闭环控制。变频器主要功能参数的设置附表。

附表 变频器主要功能参数

图6 变频器接线图

5 系统调试
5.1 脱机调试
为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到plc和人机界面，再用通信线rs-422把plc和人机界面相连，上电检查plc和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变plc和人机界面的通信参数，后使它们能够正常通信。接下来把plc和3个模拟输入单元相连，给模拟输入模块任意通道一个0～10v的电压信号，在plc编程画面里的数据表中看相应的数字变换值，在调试中变换值正确，plc和三个输入模拟单元连接正常。后，有485通信线连接变频器和人机界面，用人机界面显示变频器某个功能代码的值，在调试中，通信正常，并能正确显示功能代码的值。后，把按系统要求编制的程序下到plc和人机界面里，plc的输入接上开关量进行调试，调试通过。
5.2 现场调试
在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。变频器和电机相连，上电，用变频器的键盘面板操作方式，分别按fwd正转键、rev反转键和stop键，看电机是否运转正常。在现场调试中电机旋转方向正确，旋转平稳，加减速平稳。之后增加运行频率，继续试运行，电机运行正常。
6 结束语
由于当时的历史条件所决定，早期建设的低速风洞设备落后，自动化程度不高，这和当前科学技术迅猛发展的时代不相适应，必须对其进行技术改造。经过实际运行表明，针对某风洞改造实现的控制方案较好的达到了预期的效果。