6ES7518-4FP00-0AB0性能参数

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GSM是目前全球成熟的数字移动通信标准，它具有模拟移动电话系统无可比拟的保密性和抗干扰性、音匝清晰通话稳定，并具备容量大、频率资源利用率高、接口开放、功能强大等优点。我国目前已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式。它提供多种业务．主要有话音业务、短消息业务，数据业务等，选择哪一种业务传进终端采集的数据对整个系统的性能有很大的关系。

1、远程通信方案

GSM／GPRS无线数传监视和控制系统为一个点到多点的远程无线双向数据通信和控制系统。系统由数据采集终端和监控中心两部分组成，其数据监控指挥中心由计算机网络，数据库和GSM／GPRS通信接口组成，主要负责各种信息和数据的收发和整理工作：一方面，接收各个监控点上传的信息和数据，并把它们放人相应的数据库和分发给相应的监控计算机，以实现对各个监控点的监控和管理；另一方面，监控中心响应监控计算机发出的对各个监控点的控制信息，并且把这些信息下发到相应的监控点上，从而达到对监控点设备进行控制的目的。

2、嵌入式系统选择

系统的任务就是希望实现嵌人式系统完成数据采集和利用无线移动网进行远程数据传输的功能。概括而言，此嵌人式系统的目标是：

• 对多路模拟信号进行实时检测井进行数据处理，将结果保存到指定的缓冲区内等待进一步址理。为了**系统的扩展性和通用性，设计对l6路信号进行检测．其中8路信号转换精度为1O位，另外8路信号转换精度为16位。

• 提供标准的gS252串口来进行GSM／GPS模块的配置，包括数据传输所用串口的速率，通讯格式及信号质量检测等初始设置，实现数传功能。

• 数据传输协议的确定及实现。

系统框图的确定

按照上述系统方案得到的系统框架如图1、图2所示。

图1 数据采集终端系统框

图2 GSM／GPRS监控中心系统框

3、系统硬件设计

3.1 数据采集模块硬件设计

数据采集模块为主要的目的就是将传感器所采集到的模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，然后将数据处理等待发送。系统拟定对16路信号进行采集，其中，8路信号精度要求为10位AD采集、8路信号精度要求为16位AD采集。

为了满足两类数据采集精度的要求和控制系统成本，必须选用两种类型的模／数(A／D)转换芯片。考虑到性价比和整体设计的可靠性，10位AD转换选用内部自带10位ADC的单片机，因而选择AVR的高端单片机Atmeag128L，16位AD转换选用MAXIM 公司的MAX1 132。

3.2 无线通信模块硬件设计

(1) GSM／GPRS引擎模块

GSM 引擎模块提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07规范。GSM07．07中定义的AT Command接口提供了一种移动台(Ms)与数据终端设备(DTE)之间的通用接口，GSM07．05对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向短消息模块传送各种命令。

MC35i是西门子公司的款GPRS模块，它的接收速率可以达到86．20kbps，发送速率可以达到21．5kbps，当然大的数据吞吐量还依赖于GPRS网络支持。MC35i也支持GSM900和GSM 1800双频网络。它为远程测量和监控提供了一个理想的解决方案，因此采用此模块。

(2) 数据通信电路

数据通信电路主要完成与PC机通信、短消息收发、软件流控制等功能。串行接口是控制单元和MC35i模块进行连接的通道，也是利用AT指令控制MC35i及进行通信数据传输的关键。从系统的总体方案分析，按终端和监控中心具有不同的控制单元，需要考虑两种用户通信环境及相应的硬件电路设计与选择。

• 在监控中心， 以计算机为控制单元，由于计算机内部的RS一232接口多数采用士12V供电的接口芯片，而MAX232的RS一232接口都是采用单电源(+3．3V或+5V)供电，由内部的电荷泵电路(倍压和倍压反相两种方式)产生接口所需的电源，这样就简化了电源设计。因此，在监控中心端，接收数据电路选择MAX232作为接口电路芯片。

• 在数据采集终端中，以单片机为控制单元，单片机使用TTL电平，SP3238是+3.0V +5．5V的RS232转换器。它可以完成TTL电平与RS232电平之间的转换及串口通信功能；具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。

从通用性考虑，终端的设计同时满足监控中心和采集终端的需要。因此，数据通信电路以TI公司的MAX232及sP3238芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。

4、软件设计

4.1 MC35i模块AT指令及其应用

在由ESTI(欧洲电信标准协会)制订的SMS／GPRS规范中，与短消息收发有关的规范主要包括GSM 03．38、GSM03．40和GSM 07．05。前二者着重描述SMS的技术实现(含编码方式)，后者则规定了SMS的DTE-DCE接口标准(AT命令集)。

MC35i模块是采用AT指令集进行控制的，采用AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收。在GSM07．05和GSM07．07标准中对一些标准的AT指令作了详细的规定。

有三种方式来发送和接收SMS信息Block Mode，TextMode和PDU Mode。PDU Mode 被所有手机支持，可以使用任何字符集，这也是手机默认的编码方式。下面介绍的内容是在PDU Mode下发送和接收短消息的实现方法。

4.2 系统通讯协议

MC35i模块有固定的传输参数：8位数据位和1位停止位，无校验位。在监控中心和远程数据终端之间进行数据通信采取的主要方式为短消息，因此短消息中每个数据信息代表的具体意义及短消息中数据的排列规则都需要通信的双方达成一致，因此通信双方必须具有数据协议。这种按照自定义的串口通信协议，简称为sP CP(Serial Port Communication Protoco1)。

SPCP协议设计思想基于帧传输方式，即向串口发送数据时是一帧一帧地发送。为保证可靠的传输，在传输开始前，通过协议建立连接，在每一帧的传输中，采用发送／应答／重连／失败方式进行。

4.3 系统模块程序设计

终端的通信模块设计是整个终端软件设计工作量大的部分，从初始化串行通讯模块设计到与带SIM 卡的GSM／GPRS终端电路板的通信流程设计，需要兼顾软件的各个功能模块，包括参数设置、自动接收数据、请求数据以及信号判断等。

(1) 通信命令处理

通信数据处理主要是针对需要发送的数据和接收到的信息进行相关处理。通过MC35i模块的AT指令实现数据的收发，主要涉及到AT指令的分析和控制命令。

通常通信标准中给出的AT指令都是以ASCII字符提供的，事实上，采用单片机汇编语言编程，需要提供相关的十六进制代码。下面将部分测试中接收和发送的指令用十六进制数表示在括号中。如无特殊说明，AT指令都以ODH为发送结尾命令。

• AT指令测试命令

发送：AT(41 54 0D)
返回：AT OK(41 54 0D 0D 0A 4F 4B 0D 0A)

• 读取短消息命令

a 若读取一条空的消息

发送：AT+CMGR=2
返回：AT+CMGR：2 +CMGR：0，，0 OK
说明：AT+CMGR=**，**为整数类型，动感地带SIM卡只能存储25条消息，所以**的范围是(1-25)，普通神州行SIM卡可以存储50条消息，所以 的范围是(1-50)。若超过了范围，则返回ERROR。返回“AT+CM GR=2+CMGR：0，，0 OK”说明第2条消息为空。

b 若读取一条有内容的消息

发送：AT+CMGR=1
返回：AT+CMGR=1+CMGR：“REC UNREAD”， “+8613811314845”， “04／09／23，23：20：07+32”abc OK

• 删除短消息

发送AT+CMGD=1(41 54 2B 43 4D 47 44 3D 31 0D)
返回：AT+CMGD=1 OK (41 54 2B 43 4D 47 44 3D 31 0D 0D 0A 4F 4B 0D 0A、

• 发送短消息命令

发送AT+CMGS=I381 1314845(41 54 2B 43 4D 47 53 3D 31 33 38 31 31 33 31 34 38 34 35 0D) 其中，“13811314845”为手机号
返回：> (0D 0A 3E 20)
发送：testing (74 65 73 74 69 6E 67 1A 0D)
返回：+CMGS：89 OK

(2) 串口初始化及功能说明

在系统开始运行前，首先检验CPU与GSM／GPRS模块的连接是否正确，这包括AT指令测试，信号检查并设置新消息来提示功能。其次，为了使新的数据信息能够及时收到，在系统开始运行前，要对SIM 卡中的短消息进行处理。

后将SIM 卡中的数据读取一遍，若有消息，则读出并通知主程序处理，若处理完毕则删除。初始化完成后，确保SIM卡中消息都被读出， 并将所有消息删除。然后状态位SMS—AT_NO—STATUS=08H，说明SMS初始化完毕，可正常读写。

(3) 接收数据方式

通信数据的接收采用的是串口中断的接收方式。采用这种方式是因为无论系统工作在何种情况下，都能接收上位机发来的包含控制指令的短信，并予以响应。这样既从软件设计上保证了通讯过程的通畅，又节约了处理通讯数据的时间，可以把数据流以单个字节的形式接收，在通讯处理程序中集中加以分析，从而使通信程序更符合模块化的设计要求。

(4) 数据收发程序设计

自动接收数据，就是在没有人工干预的情况下，CPU一直循环检测串口数据区的状态，如果有数据到达，则根据不同的数据信息采取不同的操作。若数据是新消息，则把新消息代码直接存入相应的数据区；若是正常消息内容，则在读取完成后置标志，供主模块分析并应答，若数据超出正常范围，则放弃处理此组数据。

近年来，流行的GPRS网络是在现有GSM 网络中增加GGSN和N来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。本系统稍加改动可以实现GPRS下的数据传输。此时需要在嵌入式系统中增加实现PPP和TCP／IP协议的模块。同时采用适用于GPRS的AT指令。GPRS数据终端将数据打成IP包，经GPRS空中接口接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，终通过各种网关和路由到达统一的监控中心。同时监控中心的计算机需要有固定的IP，主要应用Winsock控件来实现接收数据，并通过UDP或者TCP协议进行数据交换。GPRS终端向监控中心发送数据是间断性发送， 可以根据需要调整发送数据的频率，这在一定程度上也降低了无线信息传输费用。

5、结论

本文在分析和总结现有的远程监控系统的基础上，结合当前无线通讯及嵌入式系统的新技术，研制了基于GSM/GPRS的无线远程测控终端。

通过本课题的研究，确定基于GSM/GPRS的远程测控终端可以满足设计要求，同时从工业生产现场的角度综合考虑了可靠性设计和使用成本等问题。终端具备良好的通用性、高灵敏度及高性价比，在数据采集和远程传输等领域有较强的可移植性，对于矿山，工业环境下的数据通讯也有一定的借鉴意义。

1. 介绍3200t/d低碱水泥熟料生产线(窑外分解技术)所采用的美国A-B ControlLogix5550 DCS控制系统的硬件配置、软件设计、主要控制功能及调试经验。
   
   唐山冀东三友水泥有限公司3200t/d水泥熟料生产线于2001年3月破土动工，2002年3月20日机电设备安装完毕，3月28日点火，4月6日开始生产试运行。该条生产线的自动化控制系统由唐山冀东水泥有限股份公司自行设计。于2002年2月完成，4月进入系统调试，5月进入试生产阶段。
   
   1　工艺及设备简介
   　　
   该条生产线原料粉磨采用日本宇部株式会社制造生产的235t/h外循环式立磨。立式煤磨为沈阳重型机械有限公司制造生产，台时能力22t/h。篦冷机为德国BMH公司制造，采用液压传动，10台冷却风机均采用变频调速技术控制各室风量。窑煅烧系统的2台喂煤秤(窑头、分解炉)均采用了BMH制造的“科里奥利”秤，其技术**，性能稳定。生产线除关键设备采用进口外，其余为国产设备。
   
   2　自控系统的选型及配置
   　　
   一般DCS系统多是侧重于多种PID运算、比值运算、串级调节等功能，考虑到该线自控系统开关量占I/O总量的75%以上，PID回路数占模拟量I/O的3%，因此，为节省投资，自控系统采用基于PLC的DCS控制系统。系统设备选用美国Allen-Brdley公司制造生产的ControlLogix5550系列产品，控制网络为A-B ControlNet。
   
   2.1　软件
   　　
   计算机操作系统采用bbbbbbs 2000中文版；组态、编程软件包括:用于程序开发的RSLogix5000；用于ControlNet管理的RSNetWorx；用于网络通讯的RSLinx；用于工作站画面设计的RSView 32(1500点)，其它工具软件:AutoCAD2000、Excel、Word等。
   
   2.2　硬件
   　　
   鉴于水泥工业粉尘较大的特点，为保证DCS系统电器动作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC类型。AI模板主要类型为:
   　　
   差分双端4～20mA型；热电阻(PT-100)型；热电偶(mV)型；称重(mV)模板4种类型。其中“称重型”模板为Allen-BrdleyOEM产品(加拿大生产)，用于煤粉称重仓、原料均化称重仓计量转换(将mV/V信号变换为PLC系统接收的数字信号)。AO模板采用标准型，可组态为:4～20mA或1～5V及0～10V。
   
   2.3　控制系统结构
   　　
   主控系统(MCS)采用美国A-B ControlLogix5550控制器及相应的I/O配置。MCS共有6个本地机架及9个相应的远程机架，其主要功能是处理来自基础自动化系统及马达控制中心(MCC)、现场控制盘(LCP)、速度控制盘(SCP)、高压盘(Http)等高低压电气设备的DI/DO、AI/AO信号，并通过ControlNet网络进行信息交换，实现与上位工作站OMS1～OMS6的实时操作和监控(见图1)。
   
   
   2.3.1　控制管理级
   　　
   它是由中央控制室的6台操作站(1台兼用工程师站)组成，多台操作站用于全条水泥熟料生产线工艺过程的监视、操作、控制，各操作站之间可任意切换，并互为备用。
   
   2.3.2　过程控制级
   　　
   包括:原料粉磨控制站、煤粉制备控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站，各站功能是实现对其所辖设备的顺序控制和过程控制。
   
   2.3.3　网络通讯
   　　
   控制网络为A-B ControlNet，采用Allen-Brdley同轴专用网线、冗余的双网(A/B)星型结构，速率为5Mbps，网络扫描时间设定为15ms。另外，6个操作站之间配有Ethernet网(100Mbps)，用于系统开发、调试以及今后公司计算机信息管理网络的数据传输。
   
   2.3.4　控制方式
   　　
   自控系统采用的是“现场机旁优先方式”，该方式的优点是:操作灵活、便于检修。它既可以在“远程”方式的成组中控起动，又可以在检查或检修设备时，现场随时开停设备。
   
   2.4　控制系统的组态
   
   2.4.1　网络组态
   　　
   1)网络预定的多节点地址设置为25，实际为21；
   　　
   2)网络的结构选择为冗余方式(A/B)；
   　　
   3)网络扫描时间(Network Update Time)设置为15ms。
   
   2.4.2　处理器及I/O组态
   　　
   1)系统内务处理时间片设为15%；
   　　
   2)通讯板的数据信息时间间隔为60ms；
   　　
   3)所有DO组态为:在“Program Mode”下为“Off”；在“Fault Mode”下为“Hold”；
   　　
   4)组态DI点扫描时间为30ms；
   　　
   5)AI组态是根据物理量变化时间的不同(压力、温度、**、称重、功率、电流)组态不同的扫描时间间隔，以达到既节省处理器和网络的扫描时间又可满足瞬时采集要求。
   
   3　用户程序的开发设计
   　　
   3.1　用户程序的结构
   　　
   用户程序分为2个软件大包:上位工作站软件包和下位PLC软件包。
   　　
   其中，上位工作站开发的软件程序包括:工作站各系统工艺画面流程、状态、操作方式；工艺、电气参数的实时趋势及历史趋势；工艺及电气的故障实时报警；生产日报、事件报表、时报等。
   　　
   下位PLC软件包包括:原料控制系统程序；煤磨控制系统程序；窑尾控制系统程序；窑头控制系统程序；原料立磨油站控制程序；生料均化库控制程序。
   　　
   下位PLC程序主要回路模块有:设备的准备检查回路(用于操作员检查设备状态)；起动联锁回路(用于保护设备的启动过程)；停止联锁回路(用于工艺设备之间正常或非正常联锁停机)；成组起动回路(成组起动)；成组停止回路(成组停止)；时钟回路(用于闪光脉冲、延时、计数等)；驱动回路(用于设备的驱动)；故障回路(用于检测设备的故障)；故障记忆回路(用于出现故障报警后记忆故障状态)；指示灯回路(用于设备的备妥、运行、故障的显示)；PID回路(用于有回路控制的设备)。
   
   3.2　系统控制功能的实现
   　　
   管理监控软件共有17幅生产流程图，工艺流程画面呈立体效果，画面背景颜色与设备颜色、参数颜色搭配。操作配以热键、模拟按钮、触摸等多种方式进行，操作灵活、简便、直观。为防止误操作而退出控制系统，采用登陆和退出登陆的方式，以Password赋予维护工程师，**系统的安全性。操作员可按时间(数据保留10d)随时按日期调出工艺参数趋势。
   　　
   画面中设备的状态显示分为备妥、故障、运行3种，定义实体绿色为设备运行状态，实体红色为停机状态，红色、绿色交替闪烁为不备妥或故障状态。各工艺参数:绿色为正常，黄色为警示，红色为严重报警。各系统画面均加有紧急停车按钮，在起动或停止设备时均有再次确认过程，组与组之间的联锁通过模拟按钮灯的状态明确指示，以确保操作安全、可靠。在监控画面设计中各种保护、报警信号均实时给予声光警示，同时进入报警记录，操作员按时间顺序可随时查阅各种报警参数，以便对设备的运行状况给予决策。
   
   4　调试
   　　
   该生产线的自动化调试按常规模式分为:开关量和模拟量2大部分进行调试。
   　　
   其中开关量的调试包括:①DCS系统的DI/DO点与所有电气室或现场电气盘柜信号的校对；②软件程序DI/DO点与PLC电气点的校对。
   　　
   模拟量的调试主要包括:①AI/AO通道与现场电气量相互统一的组态；②采用常规的信号发生器及数字万用表对各个AI/AO通道进行信号校对；③PID控制回路的参数调整。
   　　
   调试发现的问题主要有:
   　　
   1)电气干扰造成的信号“假象”，表现为:设备成组起动时，第1台欲开启的电气设备(煤堆料机)未起动，但应答信号已返回，使得不能完成组起动过程(其它输送皮带机)。经检查电气元件和线路，发现线路产生180VAC交流干扰信号，导致PLCDI点误动作。解决办法:更换受干扰的控制电缆。
   　　
   电气干扰还使得个别继电器在停止信号发出时不能动作(释放)，造成不能停车现象。解决办法:因找不到干扰源，采用更换容量较大的继电器，以保证正常停车。
   　　
   2)无故障大面积停车。联动调试期间原料系统曾多次出现大面积的无故障停车现象，详细检查工艺联锁程序，未发现问题，同时检查网络通讯，均正常。详细检查PLC DO模板组态，发现组态有误。原因:ControlLogix 5550系统在组态DO故障状态时，输出选项可以为“Off”或“Hold”。一般理解为:选项“Off”适用极为重要或对DI/DO采样周期要求高的工业场合，目的是出现网络瞬间的奇偶校验错误时，快速切断所带的电气设备。由于水泥生产中对DI/DO的采样时间要求不高，网络瞬间出现的奇偶校验错误不会严重影响网络的数据传输，因此，在重新组态DO各个通道时，将网络出现瞬时奇偶校验故障时的动作设置为“Hold”，即保持原DO状态值，修改DO组态选项后此故障消失。
   　　
   在调整如温度、压力、**以及电气参数的过程中，采用对一次仪表的嵌位或在PLC通道中适当调整斜率的手段进行各种仪表参数的标定，保证了工艺参数的准确性。在自动回路投入过程中，考虑系统试生产初期的稳定性，仅对增湿塔出口温度与喷水量以及入窑生料喂料与阀门开度的回路先期给予投入，PID的参数调整，在有扰动时回路稳定时间在2min左右，在重新给定(SP)后视与前次SP差值而定，一般系统稳定大约需5～10min，满足生产要求。
   
   5　应用效果分析
   　　
   冀东三友水泥熟料生产线自4月投料以来，系统运行基本稳定。进入试生产运行以来，运行效果令用户满意。实践表明:
   　　
   1)自动化系统设计合理，功能稳定可靠。基本不需要维护，保证了设备的高运转率，且操作简便、直观。
   　　
   2)调试和故障诊断方便、快速，操作员能及时发现产生的故障并确定其位置，缩短了排故时间。程序设计了索引文件，使系统维护人员可在上位OMS上快速定位故障或设备I/O地址。
   　　
   3)系统动、静态性能好，能够满足水泥熟料质量控制和仪表计量精度上的要求