基于PROFIBUS和MODBUS的高炉渣粒化传动监控系统设计_硕士学位论文中期报告-(DOC 36页)

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1、硕士学位论文中期报告论文题目：基于PROFIBUS和MODBUS的高炉渣粒化传动监控系统设计201002443 赵德琦学 号：_控制工程姓 名：_专 业 名 称：_ 指 导 教 师： 田海 2011年12月01日1 绪论1.1高炉渣处理技术研究背景国家“ 十一五” 规划提出了建设资源节约型、环境友好型社会的战略目标，并将节能和减排作为约 束性指标执行。钢铁行业作为国家建设基础行业和 能耗大户，将同时面临机遇和挑战。在现代钢铁工业中，高炉炼铁工序能耗约占钢铁工业总能耗60，是钢铁工业的能耗大户，其节能减排潜力巨大。高炉熔渣由于自身温度高，含热量丰富，对能源工业来说是一种很好的二次能源。通常，高炉

2、渣的处理方式为水力冲渣，在处理过程中不仅浪费、消耗大量的能源、水源，同时也排出大量的有害物质。因此，开展高炉渣显热回收利用的研究十分必要。高炉渣的主要成分是氧化钙、氧化镁、三氧化二铝、二氧化硅，属于硅酸盐质材料。在急冷处理 过程中，熔态炉渣中的绝大部分物质没能形成稳定 的化合物晶体，而是以无定形体或玻璃体的状态将 没能释放的热能转化为化学能储存起来，从而具有潜在的化学活性，是优良的水泥掺和料。因此，在高效回收高炉熔渣显热的同时，还要保证处理后的炉渣可用为水泥原料。1.1.1国内外高炉渣处理工艺现状目前，国内外在生产中应用的高炉渣处理工艺主要是水淬粒化工艺和干渣处理工艺H0。由于后者环境污染较严

3、重，且资源利用率低，现在已很少使用，一般只在事故处理时，设置干渣坑或渣罐出渣。现主要采用水淬粒化工艺，就是将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却，限制其结晶，并使其在热应力作用下发生粒化。水淬后得到的粒化渣(水渣) 绝大部分为非晶态，其含量超过95 ，可用作生产普通硅酸盐水泥的原料。按脱水方式可分为：1) 转鼓脱水法。经水淬或机械粒化后的水渣流入转鼓 脱水器进行脱水， 前者为因巴( INBA)法，后者为图拉( rrYNA)法，2)渣池过滤法。渣水混合物流入沉渣池，用抓斗吊车抓渣，池内的水则通过渣池底部或侧部的过滤层排出，一般称底滤(OCP) 法。3)脱水槽法。水淬后的渣浆经渣浆泵输送到脱水槽内脱水

4、，称为拉萨(RASA)法。4)提升脱水法。水渣由倾斜放置的螺旋输送机向上输送，靠重力实现水和渣的分离，称为明特克(MTC)法。1、因巴法因巴法是20世纪80年代初由比利时西德玛公司与卢森堡 P&W公司共同开发的炉渣处理工艺。于l981年在西德玛公司运行，我国首次引进用于宝钢2号高炉(4063m)，于 1991年投产运行。因巴法工艺流程为：高炉熔渣由熔渣沟流人冲制箱，经冲制箱内的压力水冲成水渣进入水渣沟，然后经滚筒过滤器脱水排出。因巴法分为热因巴、冷因巴和环保型因巴，三种因巴法的炉渣粒化、脱水的方法相同，都是使用水淬粒化，采用转鼓脱水器脱水，不同之处在于水系统。热因巴只有粒化水系统，粒化水直接循

5、环；冷因巴粒化水系统设有冷却塔，粒化水冷却后循环使用；环保型因巴水系统分粒化水和冷凝水两个系统，冷凝水系统主要用来吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氢。与冷、热因巴比较，环保型因巴最大的优点是硫排放量很低，它把硫大部分转移到循环水系统中。 2、图拉法图拉法水渣处理技术是由俄罗斯国立冶金工厂设计院研制，在俄罗斯图拉厂 2000 m 高炉上首次应用。该法与其他水淬法不同，在渣沟下面增加了粒化轮实现机械粒化，粒化后的炉渣颗粒被水冷却、水淬，产生的气体通过烟囱排出。该法最显著的特点是彻底解决了传统水淬渣易爆的问题。熔渣处理在封闭状态下进行，环境好、循环水量少、动力能耗低、成品渣质量好。 3、底滤法底滤法是在冲制

6、箱内用多孔喷头喷射的高压水对高炉熔渣进行水淬粒化，然后进入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池，过滤池内设有砾石过滤层，过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后循环使用，水量损失由新水补充。底滤法冲渣水的压力一般为0.30 .4 M P a ，渣水比为 1：l 01：l 5，水渣含水率为1015，作业率100，出铁场附近可不设干渣坑。4、明特克法 明特克法炉渣处理工艺是由首钢与北京明特克冶金炉技术有限公司联合研制、开发，整套系统于2002年7月在首钢 3号高炉上投入运行。明特克法核心设备是通过特殊设计和制造的一台螺旋输送机和一台过滤

7、器组成。螺旋输送机呈20度倾角安装 在水渣池内，随着螺旋输送机的转动，其螺旋叶片将水渣池底部的水渣向上输送，水则靠重力和渣的翻动挤压双重作用向下回流，从而实现渣水分离和脱水的目的。水渣经脱水离开螺旋输送机的u型槽后，通过皮带系统输送至水渣堆场；冲渣水经浊水渣池溢流日进入过滤器过滤成干净水后进入水循环系统循环使用。1.1.2 高炉渣处理技术的发展趋势在目前钢铁工业生产中，高炉渣的处理主要是采用水淬法进行，水淬处理后的炉渣作为水泥生产的掺合料。但是水淬法渣处理工艺也存在一些缺点，比如水淬法渣处理工艺的耗水量大，对我国钢铁工业的发展来说，水资源的短缺成为除铁矿资源短缺外的另一制约因素。高炉熔渣含有丰

8、富的热量，而水淬渣产生大量的低温蒸汽，除少数钢铁企业用于冬季取暖外，其余全部白白浪费。水淬处理后的炉渣含水率可达10，在做水泥原料使用时必须进行干燥处理，仍要消耗一定的能源。此外,对水淬渣系统而言，电耗和维护工作量大；水冲渣产生的二氧化硫和硫化氢等气态硫化物还带来空气污染。因此，开发能高效回收高炉渣显热、更环保的炉渣处理技术迫在眉睫。这些技术包括干式粒化工艺和化学粒化工艺。高炉渣处理是炼铁生产的重要环节，从目前来说，水淬法处理工艺安全性能最高，技术上最为成熟，应用也最广。但在能源日益短缺的今天，水淬法存在的浪费能源、污染环境等弊端显得尤为严重，急冷干式粒化工艺能有效解决这些困难，具有更好的发展

9、前景，与水淬法粒化工艺相比优势明显：水资源消耗少；炉渣显热回收率高；污染物排放少，可减少环境污染；工艺操作简单；成渣质量高，满足水泥掺合料的要求等。虽然干式粒化工艺还没有达到工业应用的程度，但符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的大趋势，因此开发新型急冷干式粒化工艺来替代传统的渣处理工艺迫在眉睫。1.2课题来源及研究意义本文以包钢炼铁厂的高炉水冲渣系统作为背景，借用先进的可编程控制器技术、现场总线技术、组态技术对现有的高炉渣粒化传动监控系统进行改造，以达到实现提高生产线的生产效率、提高安全可靠性和完成全自动化的目的。现场总线技术是当前控制和自动化领域内发展最快、最为活跃的一项新技术，集合了自

10、动控制、数字通信、网络、计算机、智能传感器等多项技术的最新成果。我们采用现场总线技术对已有的生产线进行改造是有意义和能创造社会价值的。1.3 本论文主要研究内容论文以包钢炼铁高炉水冲渣传动系统的改造工作为背景，采用现场总线技术全面深入的探讨了基于Profibus和Modbus的炼铁高炉水冲渣传动监控系统的设计与研究，着重研究了系统控制的方案设计、硬件的选型与设计、Profibus总线技术、Modbus总线技术，PLC的Profibus网络组态、编写PLC控制程序、PLC通信及上位机监控软件WinCC的界面设计。2 现场总线技术对高炉渣粒化传动监控系统的改造2.1 工艺流程介绍原来生产线采用传统

11、的集中控制系统。原系统采用S7-300PLC作为主控原件，现场的传动设备、传感器与PLC之间仍然是采用I/O硬线传输方式，电缆数量多，信号的信号的传送过程中的干扰问题仍然很突出。整条生产线由一个PLC控制，生产效率低。下图为高炉渣粒化工艺流程图图2-1 高炉渣工艺流程图注：PGR12粒化泵、PCC13冷却泵、PDR13排污泵、PRC12回流泵、PSL12倒渣泵、PRY回收泵、PBO增压泵如上图，此工艺流程为高炉渣粒化的整体过程。主要设备是两个冷却塔、南北粒化泵以及转鼓塔。首先，由冷却泵向南北粒化塔抽取冷却水，粒化泵PGR1和PGR2互为备用。同时，炼铁过程中产生的高炉渣也进入南北粒化塔。冷却水

12、和高炉渣在粒化塔中冲洗产生粒化后的高炉渣，形态和普通建筑用黄沙类似。然后，粒化后的高炉渣进入转鼓塔，由于北粒化炉距离转鼓塔一定距离，要有倒渣泵PSL1和PSL2将粒化后的高炉渣打入转鼓塔。转鼓塔中有转鼓主电机和转鼓辅电机，转鼓主电机由变频器驱动，使进入转鼓塔的粒化高炉渣做离心运动，目的是使水和沙粒分离，离心运动产生出来的水进入转鼓塔下方的水池。此水池由三层嵌套，产生的浊水逐层沉淀净化。同时，由于沙粒中可能掺杂没有完全粒化的高炉渣，故由一二层水池的沉淀物经回流泵PRC1和PRC2向南粒化炉重新填入粒化，此过程循环进行。经转鼓电机分离出来的干粒经皮带卷扬机送入渣仓，待卡车运走。接着，由转鼓塔下第三

13、层水池过滤后的净水经冷却泵PCC1/2/3向冷却塔回收经冷却塔风扇对回收的水进行冷却，以备循环使用。转鼓塔下的水池中的水向向下方的排水池排水，排水池中的水经排污泵PDR1向集水池注水。集水池中的水经回收泵PRY回收进冷却塔1.集水池附近的数个回收池是为了平衡水位防止集水池中水位过高而设计的。其中，若冷却塔水位过高，可经排污泵PDR2向排水池排水。最后，在工艺图的最下方，分别有从外部进入系统的冲洗水及补水。冲洗水经增压泵PBO进入转鼓塔，定期对转鼓塔进行冲洗，另外冲洗水也可对系统各个管道及冷却泵、粒化塔进行冲洗。补水的作用是在于经一定时期运行后，整个系统的水难免流失造成水量不足，此时可打开补水进

14、水电动阀VE5103对冷却塔进行补水。2.2 改造方案设计2.2.1 现场总线技术的应用利用Profibus和Modbus现场总线技术，我们可以对将设备层的各个生产设备连到现场总线电缆上，大大节省电缆费用，并且控制功能分散到现场仪表中，实现了彻底的分散，提高了系统的可靠性。另外，借用现场总线技术可对PLC之间进行组网和通信，传输数据和控制信号。2.2.1 组态软件的使用利用组态软件WinCC对整个生产线实时监控，能及时触发报警并将重要参数进行数据归档，提高整条生产线的自动化程度。2.3 Profibus总线技术概述2.3.1 现场总线概述现场总线是应用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分

15、散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线一词的定义为:现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。其本质含义包括以下6个方面：1、现场通信网路。是一种用于过程以及制造自动化的现场设备或仪表互联通信网路。2、现场设备互连。现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。传输线可以是双绞线、同轴电缆、光纤或电源线。3、互操作性。现场设备和现场仪表种类繁多，没有任何一个生产商能够提一个控制系统所需的全部现场设备。将不同厂家提供的设备按照最佳性价比的则实现“即接即用”，从而构

16、成控制回路，这就是现场总线设备互操作性的含义，即由第三方提供的现场设备自由地集成现场总线控制系统 FCS。4、分散功能模块。FCS 废弃了分布式控制系统（DCS）的输入/输出单元和控站，把 DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且还有比例、积分微分（PID）控制和运算功能块，并具有自诊断功能。由于功能模块分散在多台现场设备中，并且可以同一组态，可以灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统。5、总线供电。总线供电方式允许现场仪表或设备直接从总线上获取能量。对于要求有本征安全的低功耗现场仪表可采用这种供电方式，如煤

17、矿、化工、等对安全性要求较高的行业。6、开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可实现网络数据库的共享。通过网络对现场设备和国内功能模块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的。2.3.2 Profibus-DP技术Profibus-DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。1、Profibus-DP的基本功能（1）传输技术：R

18、S-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。（2）总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主-从设备）数为126。（3）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。（4）运行模式：运行、清除、停止。（5）同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。（6）功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的可动态激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP

19、主站（DPM1）进行配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。（7）可靠性和保护机制:所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。（8）设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC，PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。2、Profibus-DP基本特征（1）速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和

20、512 bit/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。（2）诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：a.本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。b.模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。c.通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。3、Profibus-DP设备类型和系统配置（1）1类DP主站1类DP主站（DPM 1）是系统的中央控制器，DMP 1在预定的周期内与分布式的站（如DP从站）循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。DPM1可以发送参数给从站，读取DP从站的诊断信息，用G

21、lobal Control（全局控制）命令将它的运行状态告知给各DP从站。此外，还可以将控制命令发送给个别从站或从站组，以实现输出数据和输入数据的同步。下列设备可以做1类DP主站：a.集成了DP接口的PLC，如CPU315-2DP和CPU313C-2DP等。b.没有集成DP接口的CPU加上DP主站功能的通信处理器（CP）。c.插有PROFIBUS网卡的PC，如WinAC控制器，用软件功能选择PC做1类主站或是做编程监控的2类主站，可以使用CP5411，CP5511和CP5611等网卡。d.IE/PB链路模块。e.ET200/ETZOOX的主站模块。（2）2类DP主站2类DP主站（DPM2）是D

22、P网络中的编程、诊断和管理设备。DPM2除了具有1类主站的功能外，在与I类DP主站进行数据通信的同时，可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址。下列设备可以做DPM2。a.以PC为硬件平台的2类主站。PC加PROFIBUS网卡可做2类主站。西门子公司为其自动化产品设计了专用的编程设备。不过现在一般都用通用的PC和STEP 7编程软件来做编程设备，用PC和WinCC组态软件做监控操作站。b.操作员面板/触摸屏（OP/TP）。操作员面板用于操作人员对系统的控制和操作，如参数的设置与修改、设备的启动和停机及在线监视设备的运行状态等。有触摸按键的操作员面板俗称触

23、摸屏，它们在工业控制中得到了广泛的应用。西门子公司提供了不同大小和功能的TP和OP供用户选用。（3）DP从站DP从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它只与组态它的DP主站交换用户数据，可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。a.分布式I/O。分布式I/O（非智能型I/O）没有程序储存和程序执行功能。通信适配器用来接收主站的指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分布式I/O由主站统一编址，对主站编程时使用分布式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。ET200是西门子的分布式I/O，有ET200M/B/L/X/S/is/eco/R等多种类型。它们都有

24、PROFIBUS-DP通信接口，可以做DP网络的从站。b.PLC智能DP从站（I从站）。PLC（智能型I/O）可做PROFIBUS的从站。PLC的CPU通过用户程序驱动I/O，在PLC的存储器中有一片特定区域作为与主站通信的共享数据区，主站通过通信间接控制从站PLC的I/O。c.具有PROFIBUS-DP接口的其他现场设备。西门子的SINUMERIK数控系统SITRANS现场仪表、MicroMaster变频器、SIMOREGDC-MASTER直流传动装置都有PROFIBUS-DP接口或可选的DP接口，可以做DP从站。其它公司支持DP接口的输入/输出、传感器、执行器或其他智能设备，也可以接入PR

25、OFIBUS-DP网络。在有些网络监控系统中，除了上述三种独立的设备外，还可以将它们组合在一个设备中，形成一个DP组合设备。在PROFIBUS网络系统中还有一些用于通信的部件必不可少，比如通信介质（电缆）、总线部件（总线连接器、中继器、耦合器、链路）和网络转接器，后者包括PROFIBUS与串行通信、以太网、AS-1和EIB通信网络的转接器。2.4 Modbus总线技术概述Modbus作为一个通信协议是由MODICON公司在1979年首次提出的，它是一个标准的、真正开放的、在工业自动化领域应用最广泛的网络通信协议。SCADA和HMI软件可以通过Modbus协议非常方便地与串行设备集成到一起Mod

26、busTCP协议被开发出来，以容许Intemet用户访问以太网设备。这样，现在的Modbus现场总线通信协议包括了2个部分，分别是基于串行链路的Modbus协议以及基于TCP协议的ModbusTCP协议。2.4.1 Modbus的数据传输标准Modbus端口是使用一个RS232兼容的串行接口，定义了连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调器(以后简称Medems)接入总线(网络)。控制器通讯使用主从技术，即主机能起动数据传输，称查询。而其它设备(从机)应返回对查询作出的响应，或处理查询所要求的动作。典型的主机设备应包括主处理器和编程器，典型的从机包括可编程

27、控制器。主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。从机对于主机的广播查询，无响应返回Modbus协议报据的设备地址，请求功能代码，发送数据，错误校验码，作的代码，建立了主机查询格式，从机的响应信息也用Modbus协议组织，它包括确认动返回数据和错误校验码。动作时，从机会组织一个错误信息，若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求的并向主机发送作为响应。在信息级，尽管网络通讯方法是对等的，但Modbus协议仍采用主从方式，若一台控制器作为主机设备发送一个信息，则可从一台从机设备返回一个响应，类似，当一台控制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原发送信息的

28、控制器。其查询响应周期如下图所示：图2-2 查询响应周期查询中的功能代码为被寻址的从机设备应执行的动作类型。数据字节中包含从机须执行功能的各附加信息，如功能代码03将查询从机，并读保持寄存器。并用寄存器的内容作响应。该数据区必须含有告之从机读取寄存器的起始地址及数量，错误校验区的一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息内容的完整性。从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据，如寄存器值或状态。如出现错误，则修改功能码，指明为错误响应，并在数据字节中含有一个代码，来说明错误，错误检查区允许主机确认有效的信息内容。2.4.2 Modbus的两种串行传输模式控制器可

29、使用ASCll或RTU通讯模式，在标准Modbus上通讯。在配置每台控制器时，用户须选择通讯:模式以及串行口的通讯参数(波特率，奇偶校验等)。在Modbus总线上的所有设备应具有相同的通讯模式和串行通讯参数。选择ASCll或RTU模式用于标准的Modbus总线。它定义了总线上串行传输信息区的“位”的含义，决定信息打包及解码方法。如在MAP和Modbus+，总线上时，Medbus信息以帧的方式出现，并与串行传输无关，如请求读保持寄存器可以在Medbus+上的两个控制器之间处理，而与使用的控制器的Modbus端口无关。2.4.3 Modbus信息帧不论是ASCn模式还是RTU模式，ModbuS信息

30、以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点，使接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备(广播时对全部设备)，以及信息传输的结束时间。可检测部分信息，错误可作为一种结果设定。对MAP或Modbus+协议可对信息帧的起始和结束点标记进行处理，也可管理发送至目的地的信息，此时，信息传输中Modbus数据帧内的目的地址已无关紧要，因为Modbus+地址已由发送者或它的网络适配器把它转换成网络节点地址和路由。基于Moudbus协议的系统一般都采用主一从模式，网络中只有一个主机，通信采用查询一回答的方式进行，主机向从机发送消息，从机正确接收消息后响应主机的查询或根据主机的消息做出响应的动作，而且

31、也只能由主机初始化系统通信设置。网络中通信数据传输是一帧为单位，报文由起始位、设备地址、功能码、数据、CRC校验、结束符按相应格式组成一个消息帧。在ASCll模式中，以(:)号(ASCll3AH)表示信息开始，以回撤一换行键 (CRLF)(ASCllOD)和OAH)表示信息结束。对其它的区，允许发送的字符为16进制字符0-9，A-F。网络中设备连续检测并接收一个冒号(:)时，每台设备对地址区解码，找出要寻址的设备。字符之间的最大间隔为15，若大于15，则接收设备认为出现了一个错误。典型的ASCll信息帧见下表：表1开始地址功能数据纵向冗余校验结束1字符2字符2字符n字符2字符2字符RTU模式中

32、，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间(如下表中的TlT3T4)。接着，个区的数据为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的0一9，A一F。网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。当接收第一个地址数据时，每台设备立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也有一个3.5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间，出现大于1.5个字符的静止时间时，则接收设备刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。同样一个信息后，立即发送的一个新信息，(若无3.5个字符的静止时间)这将会产生一

33、个错误。是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。典型的RTU信息帧见下表：表2开始地址功能数据校验终止T1-T1-T3-T48bits8bitsn*8bits16bitsT1-T2-T3-T4Moudbus从功能上说包括24种命令，每一个功能码都对应一种功能。其中基本的功能主要包括AFAO、DFDO的数据传送。消息帧中的功能代码域包含了两个字符(ASCll)或SBitS(RTU)。可能的代码范围是十进制的1到255。全部的功能代码含义可查阅Moudbus协议详细说明。如常用的“03H”，代码表示主设备需要从设备读取一组保持寄存器的值。Moudbus定义的标准的通信功能码如下表所示：表3功

34、能码hex功能01H读取内部数字量保持线圈02H读取外部输入数字量线圈状态03H读取内部模拟量保持寄存器04H读取外部输入模拟量存储器05H设置单一内部数字量保持线圈状态06H设置单一内部模拟量保持寄存器07H读取内部特定线圈状态08H通讯系统自检测09H设置一组内部数字量保持线圈状态10H设置一组内部模拟量保持存储器Moudbus除了定义了较为完善的通信功能码，它一个重要特点是还定义了较全面的出错码，以便主站根据返回的错误码采取相应的纠错工作，这样保证了整个系统通信的可靠性。Moudbus定义的出错信息主要包括:指定的数据量出错、无法应答请求或执行指令、从站自身出错、指定的地址错误、从站无暇

35、处理主站发送的通信请求指令等。相应的猎误码就代表了相对应的错误信息，具体的对应关系如下表所示：表4出错码hex出错内容01H功能码出错02H指定地址出错03H指定的数据量出错04H从站自身原因无法应答05H、06H其他原因3.1 生产线的总体网络结构设计3.1.1 控制方案简介下图为控制网络图：图3-1 控制网络图本设计采用的控制方法是工业网络控制和I/O硬线控制相结。其中主控制器是西门子公司的S7-300 PLC，上位机插CP5611板卡，利用WINCC组态监控软件对整个系统进行监控。系统中的各个设备由于是采用智能控制也就是网络控制，它们的通讯接口协议是不同的，例如，驱动转鼓主电机的变频器是

36、西门子公司的MM440变频器，此变频器可用的通讯协议是ProfibusDP,而驱动倒渣泵以及粒化泵的变频器是AB公司的PowerFlex 400型号的变频器，它支持的通讯协议只有Modbus。例外其他设备如：电机软启动器和电机保护器等它们支持的通讯协议也是Modbus。因此，在本次设计中采用的一个关键设备，由北京鼎实公司生产的PB-B-MODBUS 总线桥可以将Modbus通讯协议转换为Profibus-DP协议，我们选用的产品型号是PB -B -MODBUS/232/485 / V3x。它在网络中即是DP网的从站，又是Modbus网的主站。因此可以将支持不用的通讯协议的设备整合到一个网络上。

37、最后，一些电动阀门的开合由I/O硬线进行控制，将其连接到S7-300的远程I/O模块（ET-200）上。3.1.2 控制过程简介系统上电运行后，可由S7-300 PLC对系统的开启、停止、报警、急停以及各个环节设备进行控制。通过对系统各部分的流量压力以及温度的采集可对各个电动阀门和变频器进行闭环控制。另外，在转鼓主电机运行过程中，很难对离心运动的过程量进行采集，故只能通过对转鼓主电机的转速力矩的采集，由S7-300 PLC对MM440变频器形成开环控制。在闭环控制中，可采用PID控制，使各个部分的流量压力以及温度保持在一个稳定的范围内。3.1.3 控制最终目的本次设计的最终目的是搭建整个系统，

38、使其安全有效平稳地运行，可由上位机通过WINCC组态软件对系统各部分进行监测及控制。3.2 硬件选型3.2.1 PLC的机型选择随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、口本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。PLC 的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的功能价格比。在选择PLC机型的时候，主要需要

39、考虑的性能指标有以下三个方面：（1）CPU能力：CPU能力是PLC最重要的性能指标，也是机型选择时首要考虑的问题。（2）存储器容量：PLC系统的存储器是由两部分组成的，即存放程序及其所需数据的存储器。前者多由EPROM组成，后者用RAM构成。存放系统程序的存储器（ROM）在机器形成时由生产厂家已将程序写入，用户无法改变也不能访问。它们的容量大小也都已确定，不再变动。后者是随用户生产复杂情况而变的。生产厂家在生产机器时，己按照机器型号的大小设置了一定存储容量的存储器。（3）扫描速度。在CPU选择方面，本文作出如下处理：基于在满足使用的情况下，减少主站的数量，缩短通信时间，提高通信速度，我们将选择

40、能力比较强的CPU处理第一层原料输送层，第三层包装的设备，使得大部分阀门，传感器的状态通过CPU扫描即得到，减少通信次数和时间。程序大小约20MB。这里我们选择S7-300系列里面的CPU 315-2 DP。SIMATIC S7-300系列PLC是针对大中型控制系统而设计的中型PLC，采用模块化及无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构，以及用户友好的操作使 SIMATIC S7-300成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。多种级别（功能逐步升级）的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，

41、不必投入很多费用。任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。CPU315-2DP，拥有1MB高速RAM，提高运算速度，集成1个DP接口和1个MPI接口，与上位机组成DP网络。3.2.2 变频器及其他传动设备的类型选择本设计中的转鼓主电机、粒化泵PGR1/PGR2电机、倒渣泵PSL1/PSL2均用变频器控制。1、正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的

42、通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。变频器在调速系统中的优点：（1）控制电机的启动电流；（2）降低电力线路的电压波动；（3）启动时需要的功率更低；（4）可控的加速功能；（5）可调的运行速度；（6）可调的转矩极限；（7）受控的停止方式；（8）节能；（9）可逆运行控制；（10）减少机械传动部件。在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM440控制转鼓主电机，并且变频器遵循P

43、rofibus-DP通信协议。罗克韦尔公司生产的AB-PF400变频器控制粒化泵以及倒渣泵电机。变频器遵循Modbus通信协议。2、软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，

44、为电动机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。软起动与传统减压起动方式的不同之处是：（1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。（2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。（3）

45、起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。本文中选用国产雷诺尔JJR-5000智能软启动器作为转鼓辅电机、冷却泵PCC1/2/3电机启动器。软启动器遵循Modbus通讯协议。3、对于设计中其余电机及电动阀门均采用上海神引双华公司生产的MC-205+智能电机保护器对其保护启动。电机保护器遵循Modbus通讯协议。3.3 系统硬件组态本系统控制软件的设计分为PLC的软件设计、工控机的软件设计和系统通讯，使用的软件分别为西门子公司的STEP7和WinCC。3.3.1 编程软件STEP7的简介SIMATIC STEP7 是用于SIMATIC S7-300/40

46、0，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态、编程和维护的项目管理工具。STEP7软件己是第5代，它完全符合IEC 1131-3国际标准。通过STEP7，用户可以进行系统配置和程序的编写、调试、在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。在生成一项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可以借助于模板样本对可编程控制器中的CPU及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，都会自动生成S7/M7程序及空的连接表。连接表可用来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成

47、后就可为编程模板生成软件。为可编程模板编制的软件存储在对象文件夹中。对该对象文件夹称作“S7-program”在子菜单中，可以选择想要生成的块的类型(如:数据块，用户定义的数据类型，功能，功能块，组织块或变量表)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序。在完成组态，参数赋值，程序创建和建立在线连接后，可以下载整个用户程序或个别块到一个可编程序控制器。在下载完整的或部分用户程序到CPU之前，把工作方式从RIJN模式置到STOP模式。可以通过在线连接下载各个块或整个用户程序到RAM。当电源关断后和CPU复位时，保存在他们上面的数据将被保留。另外，可以从可编程控制器中上载一个工作站，或

48、从一个S7CPU中上载块到PG用C。这样，当出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，就可以在PG用C中编辑它。用于S7-300的编程语言有：梯形图（LAD）、语句表(STL)、和功能块图(FBD) LAD是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似:当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD是S花P7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。在STEP7软件中，结构化的用户程序是以“块

49、”的形式实现的。块是一些独立的程序或者数据单元，主要有以下几种：(l)组织块OB在CPU中，用户程序由启动程序、主程序和各种中断响应程序等不同的程序模块构成，这些模块在STEP中的实现形式就是OB，OB是直接被操作系统调用的用户程序块。0BI是对应于循环执行的主程序的程序块，它是STEP7程序的主干。(2)功能FC和功能块FBFC和FB都是由用户自己编写的程序模块，可以被其他程序块(OB、FC和FB)调用。与其他编程语言中的函数相似，FC/B也带有参数，以名称的方式给出的参数称作形式参数，在调用时给形式参数赋的值就是实际参数，例如:将实参“I0.0”赋给形参“START”。FC与FB的根本区别

50、在于，FC不具备自己的存储区，而FB拥有自己的存储区背景DB，在调用任何一个FB时，都必须指定一个背景DB。(3)系统功能SFC和系统功能块SFBSFC和SFB是预先编写好的可供用户程序调用的FC和FB，它们已经固化在S7的CPU中，因此称为“系统功能”和“系统功能块”。通常SFC和SFB提供一些系统级的功能调用，例如通讯功能等。(4)背景DB和共享DBDB分为背景DB和共享DB两种类型。背景DB是和FB相关联的，因此在创建背景DB时，必须指定它所属的FB，而且该FB必须是已经存在的。背景DB和共享DB没有本质的区别，主要区别在于使用的目的:背景DB的用途或者目的是为某一个FB提供数据，因此其

51、数据格式必须与该FB的变量声明一致;共享DB的主要目的是为用户程序提供一个可保存的数据区，它的数据结构并不依赖于特定的程序块。STEP7的调用结构如图3-2所示：图3-2 STEP7的调用结构3.3.2 主从通信的硬件组态Configuration在西门子控制系统中表示组态的含义。在STEP7软件中的硬件组态功能是一个非常实用的功能。通过硬件组态可以模拟实际PLC的硬件联系，也可以对各种模块的系统参数进行设置和更改。(l)系统组态要完成系统组态，首先是在要组态的实际项目中拖选与本控制系统相匹配的机架(RACK)，然后根据实际项目中所实用的模块情况，比如所使用模块的点数，所使用模块的型号等信息，

52、将各自对应的模块拖至机架中的相应位置上，这就完成了系统的框架，也就是硬件组态。(2)CPU的参数设置CPU中PLC进行控制的核心，由于PLC中的CPU具有非常多的参数选项，这些参数都应该在硬件组态中进行设置，也可以在任何时候对所设置的参数进行调整。例如可以设置CPU进行循环扫描的时间，也可以把数据设置为保存在CPU中或者把数据设置在保存在专门的系统数据库中，这都对软件部分的实现非常重要。(3)其他模块的参数设置不仅CPU中需要对参数进行赋值和设置，而且其他模块同样需要对参数进行设置，比如说输入输出模块，就可以在硬件组态中对输入和输出的地址进行设置，设置完成以后的地址就可以在编写程序时使用这些设

53、定好的地址。本控制系统采用了总线型的网络拓扑结构。每个设备都可以通过总线连接器将自己挂接到Profius-DP现场总线之上。但是Profibus现场总线的两端应该将总线连接器上的终端电阻打到ON状态，其它连接到现场总线上的从站都应该将终端电阻打到OFF状态。西门子可编程逻辑控制器给用户提供了强大的网络组态功能，将利于网络组态功能实现各个子站与中央控制主站之间的数据交换功能。光缆护套生产线的网络组态示意图如图3-3所示：图3-3 硬件组态在本控制系统中使用西门子公司的S7-315-2DP PLC作为一类主站，上位机PC作为二类主站其余各站设置为从站。根据Profibus-DP配置的基本原则，主站

54、和从站的站地址不能相同。主机S7-315-2DP默认的Profibus-DP地址就是2。除了主站使用的站地址2以外，从站的站地址可以从1到126任意配置。配置完成以后要将相应硬件模块上设置DP站地址的拨码开关拨至与网络组态时配置的一样，这样才能够完成硬件和软件上的统一。本控制系统中的Profibud-DP站地址分配如表5所示：表5 控制系统中Profibus-DP地址分配站点Profibus-DP地址分配上位机PC0（主站）中央控制单元S7-300 PLC2（主站）PB-M总线桥（1）3（从站）西门子MM440变频器4（从站）PB-M总线桥（2）5（从站）远程I/O ET-200M（1）6（从

55、站）远程I/O ET-200M（2）7（从站）3.3.3控制程序设计3.4 通信与控制设计3.4.1 Profibus-DP网络结构本系统中上位机WinCC与下位机S7-300 PLC采用Profibus-DP进行连接，下位机S7-300 PLC与现场设备同样采用Profibus-DP进行连接通信。Profibus-DP 网络通讯方式为主从结构，主站可以得到令牌轮询扫描从站。这里从站是现场的被控设备以及传感器等，主站是PLC和PC。只有一个主从网络。在从站设备中PB-M网桥是连接Modbus网络与Profibus-DP网络的节点，对于Profibus-DP网络，PB-M网桥是从站；对于Modb

56、us网络，它又是主站。网络结构图如图3-4所示图3-4 Profibus-DP网络结构3.4.2 主站S7-300 PLC对西门子MM440变频器的控制与通信1、MM440变频器的控制方式在本传动系统中，与DP网络直接连接的传动设备只有MM440变频器，在设计中，MM440变频器控制的是转鼓主电机。电气原理图与控制回路图如下图所示：图3-5 转鼓主电机电气原理图图3-6 转鼓主电机控制回路图根据工艺要求，转鼓主电机采用变频器控制，控制方式未现场总线控制和机旁操作且网络控制和机旁控制均可以实现正反转。为在上位机中监控转鼓主电机电流，采用电流变送器将电流信号送到PLC。为实现控制，变频器需输出转矩

57、信号到PLC，PLC要输出速度给定信号到变频器。因此，实现的是开环控制，控制框图如下图所示：图3-7 转鼓主电机变频开环控制因为转鼓主电机在工艺中是将粒化过的高炉渣与其中的水分离开来。所做的是离心运动。其机械特性曲线如下图所示：图3-8 转鼓主电机机械特性曲线如上如所示，输出转矩与输入速度之间的函数关系是二次方率形式，即T正比于速度的平方。例如在n0点的输入转速送至PLC，通过现场总线送至MM440变频器，经过变频器内部计算输出给转鼓主电机。通过输出转矩的采样，校正电机输出的速度。MM440变频器有多中控制方式。通常常用的有：恒磁通（V/f）控制、矢量控制、直接转矩控制（DTC）。 本次设计中

58、采用的是矢量控制方式，同 V/f控制相比，矢量控制有如下优点：（1）在负载和给定值改变期间的稳定性；（2）对于给定值改变有很短上升时间(较好的控制性能)；（3）对于负载改变有很短上升时间(较好的噪声/干扰特性)；（4）可用一个最大可调转矩进行加速和制动；（5）在电动和再生运行时，利用可调转矩限幅可保护电机和传动机械；（6）同速度无关地控制传动系统和制动转矩；（7）在0速时可以输出全部停车转矩。2、MM440变频器的网络组态在主站系统组态完毕情况下，如下图：图3-9 组态DP主站在DP网上组态MM440变频器，组态步骤如下：（1）打开硬件组态，在右侧选择 “PROFIBUS DP”“SIMOVE

59、RT” “MICROMASTER 4”，添加到DP总线上，如图3-10。（2）在弹出窗口中选择地址为4，如图3-11所示。（3）选择“MICROMASTER 4” “4 PKW，2 PZD (PP0 1)”，添加到从站中，如图3-12所示。（4）从站组态完成，设置地址，PKW读为 IB288IB295，PZD读为IB296IB299，PKW写为 QB272QB279，PZD 写为 QB280QB283，如图3-13。图3-11 插入MM440从站图3-12 设置MM440从站地址图3-13 组态从站3、MM440 参数设置要使变频器能够用PLC通过Profibus来控制，变频器也需要一定的参数

60、设置才能实现：P700 命令源 6 （从CB来）P918 站号 4 （必需要与硬件组态时保持一致）P1000频率设定源 6 （从CB来）4、程序的编写对PZD (过程数据)的读写：a. 在Step7 中对PZD (过程数据)读写参数时调用SFC14和SFC15b. SFC14(“DPRD_DAT”)用于读Profibus 从站(MM440)的数据c. SFC15(“DPWR_DAT”)用于将数据写入Profibus 从站(MM440)d. 硬件组态时PZD的起始地址：W#16#108(即264)(1)建立数据块DB1，将数据块中的数据地址与从站(MM440)中的PZD、PKW数据区相对应(2)

61、 在OB1中调用特殊功能块SFC14和SFC15，完成从站(MM440)数据的读和写：其中： LADDR 表示：硬件组态时PZD的起始地址（W#16#108即264）； RECORD 表示：数据块（DB1）中定义的PZD数据区相对应的数据地址； RET_VAL 表示：程序块的状态字，可以以编码的形式反映出程序的错误等状态。在本例中设定值和控制字可以从数据块DB1中传送，DB1.DBW20 设为047E 再变为047F后DB1.DBW22 中的频率值将输出。状态字和实际值可从DB1.DBW8, DB1.DBW10读出。要对变频器其他不同项目的参数进行设置，只要编程改变RECORD地址里的数值即可

62、。对PKW (参数区)读写a.在Step7 中对PKW (参数区)读写参数时同样调用SFC14和SFC15b. SFC14(“DPRD_DAT”)用于读Profibus 从站的数据c. SFC15(“DPWR_DAT”)用于将数据写入Profibus 从站d. 硬件组态时PKW的起始地址：W#16#108(即264) 读写过程和对PZD (过程数据)的读写相同，只要编程改变RECORD地址里的数值即可。4 上位机监控设计上位机主要实现监控功能，在现场总线系统中充当操作员站的角色。它是传动监控系统可视化部分，完成人机界面的功能。通过网络连接实现对下位机以及现场设备的监控。本课题上位机人机界面采用

63、西门子组态软件WinCC来实现监控界面的设计。4.1 WinCC 组态软件的介绍组态软件是数据采集监控系统 SCADA 的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件已经有20多年的发展历史。目前国内的组态软件产品大致可分为三类：1、国外专业软件厂商提供的产品；2、国外硬件或系统厂商提供的产品；3、国内自行开发的国产化产品。国内组态软件市场大部分份额被国外软件占据着。国外的专业组态软件主要有美国Wonderware公司的InTouch，澳大利亚CIT公司的Citect组态软件，德国西门子公司的WinCC组态软件。西门子组态软件在欧洲已经成为最流行的组态软件。西门子组态软件与其它组态软件相比主要有以下优点：(1)与自动化系统的无缝集成。WinCC与相应的硬件系统紧密结合，通过统一的组态和编程，统一的数据管理及统一的通讯，极大地降低了用户软硬件组态的工程量，实现了整个产品范围内的高度集成。这也是选择是WinCC组态软件的原因之一便于与西门子 PLC 进行连接。(2)与自动化网络的集成。从现场总线Profibu