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(编辑修改稿)

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(编辑修改稿)内容摘要：

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 09， AF。 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，信息开始至少需要有 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 Tl— T3— T4)。 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 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 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 个字符的静止时间 )这将会产生一个错误。 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 T1T1T3T4 8bits 8bits n*8bits 16bits T1T2T3T4 Moudbus 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 生产线的总体网络结构设计 控制方案简介 下图为控制网络 图： S 7 3 0 0W I N C C + P CC P 5 6 1 1D P M 1D P M 2M M 4 4 0 变 频 器 P B B M M / V 3 X E T 2 O O M E T 2 O O MP B B M M / V 3 X软 启 动 器J J K 5 0 0 0从 站 1 4转 鼓 主 电 机 1 台1 、 转 鼓 辅 电 机 1 台2 、 冷 却 泵 电 机 3 台A B 变 频 器 /4 0 01 、 粒 化 泵 2 台2 、 倒 渣 泵 2 台从 站 5 8R T U 1“ 注 一 ”“ 注 二 ”注 一 — — 1 2 冷 却 塔 风 扇 电 机 ， 转 鼓 皮 带 电 机 ， 皮 带 卷 扬 机 ， 排 污 泵 、 回 流 泵 电 机 ， 增 压 泵 、 回 收 泵电 机 ， 渣 仓 可 逆 皮 带 机 ， 所 有 风 扇 ， 电 机 保 护 器注 二 — — 各 种 电 动 阀 门 的 控 制注 三 — — “” 表 示 D P 网 络“ ” 表 示 M O D B U S 网 络R T U 2“ ” 表 示 I / O 硬 线图 31 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 S7300 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西门子公司的 MM440 变频器，此变频器可用的通讯协议是 Profibus—DP,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 PBBMODBUS 总线桥可以将Modbus 通讯协议转换为 ProfibusDP 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。 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 S7300 的远程 I/O模块（ ET200）上。 控制过程简介 系统上电运行后，可由 S7300 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 S7300 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。 控制最终目的 本次设计的最终目的是搭建整个系统，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。 硬件选型 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 S7300 系列里面的 CPU 3152 DP。 SIMATIC S7300 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 S7300 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，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。 CPU3152DP，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。 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。 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 ProfibusDP 通信协议。 罗克韦尔公司生产的 ABPF400 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。 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，为电动机正常运转提供额 定。