西门子CPU模块6ES7517-3AP00-0AB0型号规格
1 引言
预缩机是印染行业中织物后整理的后一道工序，它是将织物经过机械物理预缩（橡胶毯）的方法，使其预缩率降低，手感改善。基本配置由四个单元组成：给湿单元、橡胶毯预缩单元、呢毯整理单元和出布单元。给湿单元完成预缩前的给湿准备，以使织物拥有一定的含湿量，便于织物预缩。其拖动部分为一只糙皮辊。由一个2.2kw电机拖动。橡胶毯预缩单元是本机的核心，主要是通过橡胶毯挤压以使织物经向产生收缩。挤压由一个φ616mm的辊筒和另一个辊筒的相对运动完成，拖动由一个15kw的电机完成。呢毯整理单元主要用以烘干织物和改善手感，由一个3kw的电机拖动一个φ2000mm的大滚筒完成。出布单元由一个1.5kw的电机拖动摆布斗完成。
其工艺流程：进布单元→橡胶毯预缩单元→呢毯整理单元→落布单元。
2 系统配置方案
在本方案中，触摸屏采用日本proface公司生产的gp系列，plc采用西门子公司s7-226系列，变频器采用丹佛斯vlt2900系列，由于该系列变频器内已经内置了rs485接口且支持modbus协议，故这使该系统性价比非常高。s7－226系列的cpu内置了两个通信口，这两个通信口都为rs485接口，均可在三种方式下工作，即ppi方式、mpi方式及自由通信口方式。ppi是point-to-point的缩写，即点对点方式，是西门子公司专为s7－200系列开发的一个通信协议，在本案中，笔者可把其中的一个通信口设置为该方式，用以连接hmi，进而做人机交换信息用。而第二个通信口我们把它设置成自由口通信方式。自由口通信方式是s7－200系列非常有特色的功能。在该方式下，依据和他通信的其他设备的公开的通信协议来编程s7－200的通信。笔者在本方案中用它连接变频器以实现它们之间的相互通信。相关系统框图如图1所示（基于本文阐述的重点，其它的如变频器和电机组成的自反馈系统不再画出和赘述）。
图1 系统框图
3 自由口通信和modbus协议
自由口通信和modbus协议在s7-226和丹佛斯vlt2900系列变频器的应用过程如下：
3.1通讯协议及其在plc和变频器上的基本设置
既然双方控制器要建立通信，它们必将共同遵循一定的规约，这即称之为协议。本系统中，plc建立的通讯规约将依从于变频器的规约，即modbus协议，这是因为s7-200支持自由口通信模式。
(1)自由口通信模式
cpu串行通信口可由用户程序控制，这种操作模式称作自由口通信模式。在该模式下，用户程序可以使用接受中断、发送中断、发送指令（xmt）和接受指令（rcv）来进行通信操作。利用该模式，plc可以和任意第三方串口进行通信。sm***（用于端口0）和smb130（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通信协议。
(2)modbus通信协议
●modbus通信是一种被用于在智能设备间建立主从方式的通信，它可以通过如rs232c、rs485等多种传输方式进行传播。它分为两种串行传输方式：ascii和rtu（remote terminal unit，远程测控中断）。它们定义了数据如何打包、解码的不同方式。丹佛斯vlt2900系列支持的是rtu方式，其格式是：
其中奇偶校验和停止位可以是0，即可以没有。
modbus由一个主站（plc）和多31个从站（本系统中为4个）组成。主站负责发送指令，从站则是响应指令。在某一时刻，只能有一个从站能和主站进行连接。
●丹佛斯vlt2900系列变频器内置了rs485物理接口，且同时支持modbus协议。其相关的参数如站地址、波特率、校验等在561＃、500＃、570＃及501＃参数组内设置。
3.2 plc和变频器通信的信号格式
(1)丹佛斯vlt2900系列变频器支持标准的modbus－rtu信号，其格式如下：
●驱动器地址：本文为变频器地址。值为0～32，若设定为0，即为广播方式，则从plc同时向所有的变频器传送指令信号，而变频器不反馈响应信号。
●功能码：丹佛斯vlt2900系列支持以下几种功能码（16进制）。
●数据：存储寄存器地址和数据组合构成一组数据。因指令的内容不同数据长度不同。
●故障检查：对于rtu方式，一般采用crc－16的方式进行，后面将做进一步的说明
(2)丹佛斯vlt2900系列变频器编址
既然plc与变频器通信时操作对象是存储器，故变频器内部必须有plc能识别的存储器地址相对应。变频器生产厂家不同会导致其编址方法的不同。丹佛斯vlt2900系列变频器编址和你在其说明书上看到的参数号是遵从一等式的，即
参数地址（hex）＝[（参数号×10）－1]（dec）。
(3)modbus信号举例
●通过重写控制字与参考值的方式，启动电机并使之运行在50％的转速下:
指令信号：[01] [0f] [00] [00] [00] [20] [04] [7c] [04] [00] [20] [9d] [01]
该指令中:
[01]为驱动器地址
[0f]为功能码，是指本命令为写多个位存储器指令；
[00] [00]指出将要写入数据的起始地址为位存储器的首地址。
[00][20]为写入长度，20hx＝32dec位数据。
[04]为要写入位的总字节数为4个。
[7c] [04] 047c是启动电机的控制字内容，在实际传输中为低位前置。
[00] [20]为电机运行的参考值，在实际传输中低位前置。
[9d] [01]为计算出的crc-16值
正常时其响应信号应为：
[01] [0f] [00] [00] [00] [20] [54] [13]
●按频率指令60.0hz传送到1＃变频器（地址为01），
指令信号：[01][06][04][0f][00][3c][b8][e8]
正常时响应信号为： [01][06][04][0f][00][3c][b8][e8]
3.3信号的发送和接受指令
当信号格式被确定后，笔者所要做的是从plc如何把它们发送出去和如何接收变频器的响应信号了，在自由口模式当中，信号可以用xmt命令发送，用rcv命令接收，另外，还可以利用smb2（接收缓冲字节）配合其它如mov指令等来实现字符的接收。在s7-200系统中，设计了诸如发送完成、接收完成等中断事件，则将很方便的通过它们来控制整个程序的运行。
4 plc程序的设计
(1)数学模型
由于各个单元间是采用线性比例同步的，所以构建其数学模型非常简单，只要使某单元的转速和其相邻上一级单元遵循数学公式v1＝k×v2即可。为了调节两单元之间的张力，只需调节两单元间比例k即可。这里需提醒注意的是：某一单元的转速必须以上一级为基础进行比例调节，这样才不至于在调节单元的速度时，影响其它单元间的张力。
(2)程序框图及其说明
程序框图如图2所示。
图2 程序框图
(3)程序结构说明
程序结构包括主程序、初始化子程序、停车子程序、开车子程序、比例设定子程序和速度计算子程序。其中与通信有关的程序有crc-16校验程序、发送中断程序、接收中断程序等。下面主要介绍一下crc-16校验程序。
crc是 “cyclical rendundancy check” （循环冗余码校验）的英文简称。 crc码为2个字节，16位的二进制值。故又叫crc-16。由发送设备计算crc值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算crc值并与crc的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于crc处理。起始位，停止位和校验位不参与crc计算。 crc校验时，每个8位数据与该寄存器的低位内容进行异或运算，然后向低有效位(lsb)方向移位，同时用零填入高有效位(msb)后，再对lsb检查，若lsb=1，则寄存器与生成多项式（16＃a001）异或，若lsb=0，不作异或运算。 重复上述处理过程，直至移位8次，后一次(第8次)移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，终得到的寄存器值为crc值。 在程序编制时，可以使用for/next指令，并使用一次嵌套。在发送时，crc值附加到信息时，低位在先，高位在后。
1、变频技术
变频技术是一种电子技术。变频器是在变频技术上产生的，它能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供**的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的升、降和变速运行。变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中。由于采用了通讯方式，可以通过PC机来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。简单来讲变频器是由三绕组输人变压器、整流电路、合成母线、逆变电路、合成滤波电路、控制柜等组成。
目前，变频调速技术已经被推广应用到风机、水泵节能改造等上，用途广泛。
2、变频器在风机控制系统中的应用
如图1为变频器控制风机电动机系统框图。
图1 系统框图
风压设定通过变频器的输人端子设定；压力传感器将压力信号传送给变频器；变频器通过预编程序进行运算，对应不同压力输出控制信号，从而控制电动机使风机改变转速来调节炉膛风压，炉膛内风压通过风压传感器将信号传送给变频器，实现自动控制。
在变频状态下，应用变频器改变风机电机输入电压的频率，从而控制电机的转速。电机的转速可以用下面公式表示：
n为转速、f为频率、p为电机级数（2、4、6...）
风机的变速运动是利用改变风机转速来改变风机曲线这种变化关系可以用一组公式来表达：
式中，n－风机转速；Q－风量；P－风压；N－功率。值得注意的是：将风量公式（1）与（2）相结合，其结果恰好符合系统曲线公式：
一般使用的风机，其选用风量、风压通常都超过实际需要。（风量裕量5%－15%，压力裕量为10%－30%），传统控制裕量方法大多采用挡板式阀门来调节，用这些方法节流。虽然方法简单，但实际上是通过人为增加阻力的办法来达到调节的目的。不仅造成了浪费，还增加了噪音污染。
经过对变频器的改造具有以下优点：
（1） 实现了自动控制，揭开了锅炉运行自动化的新篇章。使难以控制的燃烧过程实现了自动化，减少劳动强度。在网络化日益普及的，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。
（2） 控制电机的启动电流。当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升）。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照WF或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。
（3） 降低电力线路电压波动。在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如咒机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能大程度上消除电压下降。
（4） 可对风机的风量作平滑的无级调速，风机工作在佳工作点，工况曲线更符合系统，可提高风机效率，避免了“喘振”现象。稳定了炉膛压力，满足工作环境的要求。
（5） 低速运行可以减少磨损，降低噪音，有利于延长电机和风机的使用寿命。
（6） 节能效果显著。由于终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后，大大地节约了成本，投资回报更快，用户也愿意接受。
3、效益与回报
瑞千源自动化公司为东北某大学安装了四台02吨刨燃煤供暖锅炉，其中保持二台锅炉每天24小时间断供暖，每年供暖期6个月，鼓风机功率37kw，引风机为110kw。在锅炉运行中，电力线路波动较大，经常损毁附近校舍电器，引风机风量偏大，使用档风插板调节风量，电机功耗基本不变，电能浪费大。根据以上缺点，决定安装变频器。安装变频调速装置后风机起动平稳无冲击电流，运行稳定。
表1 鼓引风机测量参数表
对于刚投人运行的锅炉，一般因各种原因负荷未达到70%以上时，采用变频器控制效果更加明显。如下供热项目是X市政府批准的新型项目，两台卯T锅炉鼓、引风机都采用变频器控制，引风机电动机3sokw，鼓风机电动机1印kw，两台锅炉鼓、引风机变频器一次投人50万元，结果2（X）5年，2（X巧年负荷分别为30%、印%，在此情况下，锅炉在低负荷运行，鼓、引风都在低负荷下运转，两个采暖期下共用电613725k琪飞。如果不用变频器控制约用电18以X洲）k不飞，估计两个采暖期节约1186275k从飞，按每度电0.7元计算，共计节约83万元。
下面是其锅炉系统两种方式实际运行费用对比：
表2 实际运行费用表
一年共节省24万元，一次性投人控制系统共计40万元。1年多收回成本。
工业锅炉风机采用变频器调速实现风量控制，稳定性和可靠性高，调节特性好。由于变频器可以非常平滑稳定地调整风量，运行人员可灵活地调控燃烧状况，提高了锅炉效率，减少工作强度。变频调速使电机运行明显改善，维护量明显减少，同时大大减少和机械系统变速机构和控制机构。使系统更加方便操作，设备工作效率明显提高，系统采用过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因此赞成电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失，更为重要是它的节能效果取得了可观的经济效益