S7-400与PROFIBUS-DP网在电气控制中的应用

摘 要：笔者通过沈阳冀东水泥厂的一期工程介绍了一种优良的适合水泥粉磨系统硬件配置的电气控制系统，同时，针对现场出现的问题提出了解决的办法。
关键词：S7-400 PROFIBUS-DP网 电气控制 应用
1 引言
　　当前，随着计算机技术的飞速发展，水泥工业自动化系统也日新夜异。先进的数字控制技术逐渐取代了传统的模拟控制，自动化设备在设备总投资中的比重已成为工业现代化水平的重要标志。2002年冀东水泥厂在沈阳新建粉磨站工程中，采用了德国西门子公司的PLC控制系统。虽然PLC控制系统已在水泥工业中应用广泛，笔者在文中介绍了一种优良的适合水泥粉磨系统硬件配置的自动化系统，同时把现场出现的问题及解决方案进行了分析。
2 要求
　　该工程项目由南京水泥设计研究院设计，整个生产系统分成以下几个子系统：
　　（1） 储存及输送，矿渣储存，水泥磨配料站
　　（2） 矿渣烘干
　　（3） 熟料储存及输送
　　（4） 水泥粉磨及输送
　　（5） 水泥储存及输送（库顶）
　　（6） 水泥储存及输送（库底），包装及成品库，汽车散装站
　　其中水泥粉磨及输送系统为两条四米磨，分两期建成投产。根据设计要求，生产现场不设岗位工，只设几个巡检工。这就要求自动化水平相当高。中控室不仅可以启停设备，而且可以监视设备运行状态及工艺参数，对生产现场发生的异常情况，中控室操作员能够及时发现并处理，以提高设备运转率，这样才能控制产品的产量和质量。自动化系统构成如下：

　　操作员通过人机界面将控制命令发出，该命令信号通过网络系统快速传送到PLC的CPU.CPU将该命令信号与现场设备状态信号相结合，经过逻辑运算将命令发出，使现场设备产生动作。同时，CPU也可将其检测到的设备状态，通过网络快速传送到人机界面。这样操作员可以监视到所有设备的运行状态及所有工艺参数，对现场发生的异常现象做出快速反应，做到及时处理，以提高设备运转率，降低生产成本。
3 硬件配置
　　3.1 PLC选型
　　根据南京设计院的设计，整个生产系统由中空室控制的设备数量如下：

　　二期工程有水泥磨、水泥库及包装，加上二期工程所有设备所需的I/O点，然后再将每一类型的点加10%—20%的备用点。因此，该工程I/O点统计如下：

　　因此，CPU必须选用S7—400，我们选用的是CPU414—2DP，由于S7—400的I/O摸板价格比较昂贵，采用了ET200M工作站，通过PROFIBUS—DP网与S7—400的CPU进行数据交换。根据以上统计的点数，选用I/O板类型及数量如下：

　　以上这些模块共组成22个ET200M工作站，除第22个工作站外，每个站配8块I/O磨板，每两个ET200站公用一个工作电源PS307，并且每个站配一个PROFIBUS网卡—IM153-2DP。
　　3.2系统配置

4 程序设计
　　4.1 各设备信号在各网络中的编址
　　在以太网上，CPU编址为2，工程师站编址为1，两个操作站编址分别为0（一期工程）和3（二期工程）。
　　在PROFIBUS—DP网上，CPU编址为2，ET200M编址依次为3、4、……、24。对于开关量来讲，要占用CPU的I╱O映像区来读写数据，为了生产维修、维护方便，设备点号与CPU内存编址一一对应，即编址要反应出站号，板号及点号，如：DI181.0对应输入点I181.0即18号站第1块DI板的第0个点;又如：DO187.2对应输出点Q187.2，即18号站第7块DO板的第2个点。而对于模拟量来讲，通过A╱D或D╱A转换占用16位的字，但不占用I╱O映像区，编址从500开始连续编址，不反映站号、板号和点号，维护和维修时必须查看硬件组态和点号表方可确定某个模拟量的操作地址。
　　4.2 软件说明
　　该项目的人机界面由WINCC编写，操作界面由多幅控制流程图组成，可自行切换、搬移，操作十分简便。任意画面的即开窗口功能使得各项操作控制任务的完成十分便捷，并且有很好的实时性，使各项操作简化到鼠标的移动和点击即可完成。另外，系统内的在线帮助系统对操作员的各项控制操作起到指导作用，系统内的多种报表的组态、自动记录和随机打印能满足车间内正常的报表统计、交接班记录等一系列车间生产管理任务。为了满足生产的需要，我们在该系统中还开发了系统各控制量的动态曲线分析模块、报警记录自动弹出窗口及随时查询模块，对车间生产控制过程的分析起到了积极的指导作用。
5 调试中遇到的问题及处理方法
　　5.1 PLC接地问题及处理
　　PLC要求单独接地，绝对要与动力地分开。PLC单独接地不仅仅是为了避雷，而且是为了提高系统的抗干扰能力。由于本项目调试时PLC接地与动力地没有分开，在下载程序时系统提示PLC容量不够，检查PLC的CPU占用率，结果为20%左右，因此CPU并不忙。并且每隔一段时间CPU内存程序丢失。将PLC单独接地以后，以上两种异常现象消失。
　　5.2 模拟量处理
　　该工程项目中的所有模拟量普遍采用4—20mA的电流信号，并且传输电缆的屏蔽层在PLC侧接地，具有较强的抗干扰能力，但在实际中，用FC105处理这些模拟量时，有时仍由于干扰而使FC105报错，有以下处理方法
　　5.2.1 将四线制的电流信号与二进制的电流信号分开，即不要把这两种信号同放在一个AI板上。
　　5.2.2 对于四线制4—20mA的电流信号，将其所在AI板的9号和10号端子短封，再与电流信号的负断短封。
　　5.2.3 对于二进制4—20mA的电流信号，将其所在AI板的11号端子与20号端子短封。
　　5.2.4 加隔离器，将信号隔离。
6 结束语
　　沈阳冀东水泥一期工程投入生产已有几个月，现场运行中PLC工作状态良好，故障率低，维护方便，保证了生产的顺利进行，预计该工程将为企业带来可观的经济效益。
参考文献：
　　[1] 王卫兵、高峻山等编. 可编程序控制器原理及应用. 北京：机械电子出版社，1997
　　[2] 崔亚军编. 可编程序控制器原理及程序设计. 北京：电子工业出版社，1993
　　[3] SIEMENS SIMATIC NET手册