西门子6ES214-1AF40-0XB0型号介绍
巴基斯坦LUCKY水泥厂C线建设工程是合肥水泥研究设计院在巴基斯坦一次性承建的四条日产3000吨水泥熟料生产线工程项目中的一个，也是巴基斯坦水泥工业发展规划的重点项目。该项工程由巴基斯坦LUCKY集团投资兴建。整个工程从2003年开始分步实施，由合肥水泥研究设计院提供从设计、供货到生产调试达产达标的一揽子服务。全部工程预计2006年6月竣工，届时将使得巴基斯坦LUCKY集团的水泥熟料生产能力达到日产17000吨，并将使得LUCKY集团成为巴基斯坦水泥制造业的。该工程的四条水泥熟料生产线全部采用SIEMENS S7过程控制系统，本文将以C线项目为重点，从技术角度介绍SIEMENS S7过程控制系统在巴基斯坦LUCKY水泥厂的成功应用。
2控制系统配置：
根据水泥生产的工艺要求及现场情况，我们采用 SIEMENS公司**的 SIMATIC S7 过程控制系统作为全厂的自动化系统硬件平台。整个系统由4个S7-400过程控制站，5个S7-300过程控制子站，6个操作员站和1个工程师站组成。全厂控制系统的主干网络采用Profibus网络，设生料、窑尾、窑头和水泥磨4个Profibus DP主站，以及生料立磨、原煤立磨、熟料库下料阀和两个辊压机共5个Profibus DP从站，从站是分布于全厂的各个大型设备自带的S7-300 PLC专用控制柜，整个控制系统的网络结构如图1所示。各从站与主站之间通过专用的屏蔽双绞线连接, 利用西门子公司Profibus现场总线中的DP技术进行数据通讯，并把现场将要采集的各传感器的控制信号就近接入Profibus DP主从站,这样不但可以大限度的减少现场接线工作,而且因为走线距离短,可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响。
作为控制系统的主要组成部分的操作员站和工程师站，它们在物理上也挂接到Profibus网络上,但它们与作为网络主站的过程控制站之间的通讯不再是DP协议,而是S7协议。其中由于水泥磨现场控制站、窑尾现场控制站与中控室操作员站及工程师站之间的距离比较远,为保证通讯速率及可靠性,我们在它们之间增加了两个中继器以确保设计传输速率达1.5M。另在各操作员站和工程师站之间设100M以太网进行通讯，采用工业标准的TCP/IP通讯协议及接口，通过交换机可提供与全厂管理系统的局域网或广域网的安全通讯。
3 控制系统描述：
3．1过程控制站
S7-400过程控制站是SIMATIC S7 过程控制系统的基本部件，主机选用CPU412，集成高速的逻辑控制，综合的顺序控制和**的连续控制，处理速率高达0.1ms/k，单台主机的模拟量处理能力可达2048点；使用的现场总线技术，支持远程I/O站的应用。它完成的主要控制功能是：顺序控制、模拟控制、逻辑控制、I/O监视。全厂4个S7-400过程控制站分布在生料磨、窑尾、窑头和水泥磨控制室内，接受来自现场的各种测量温度、压力、**、阀位等过程变量传感器的4～20mA的模拟量以及马达开关量信号，所有过程站及Profibus DP从站的过程控制信息由Profibus网送往中控室，在中控室实现对生产过程的模拟控制和逻辑控制。
1）模拟控制，主要是指用来控制各种不同的连续和非连续生产过程，通过过程控制站从现场获取模拟、数字等输入信号，按照给定的算式和控制顺序来完成各种计算和控制，并向现场提供模拟和数字输出信号，同时也可以人为地输入控制策略来监视或改变过程操作。
2）逻辑控制，包括接点、锁存器、顺序器、计时器和计数器等元件。逻辑控制主要完成的功能为：①按一定顺序分组控制设备的启动和停机；②向工作站提供所有数字量信息，使其显示出所有设备的运行状态；③提供设备故障分析及报警。分布在全厂的4个S7-400过程控制站分别完成4个马达控制中心（MCC）的设备开停机和联锁顺序控制。4个MCC分别控制以下区域：①生料配料库、生料磨及生料均化库顶；②生料均化库底、窑尾预热器及废气处理系统；③回转窑、冷却机及熟料库；○4水泥配料、水泥磨及水泥库。
3．2操作员站及工程师站
设在中控室的操作员站及工程师站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，控制系统中所有的点都可以在工作站上进行显示和控制。作为控制系统的核心，我们选用7台P4 2.6GHz主频、256M内存、80G硬盘以及52倍速光盘驱动器的 DELL计算机并配以21"DELL高性能的液晶显示器作为6个操作员站和1个工程师站，在计算机上除运行bbbbbbs 2000操作系统外，还运行西门子公司的bbbbbbs Control Center组态软件作为人机界面。
l）操作员站的主要功能是：①生产总貌显示；②动态控制流程图；③动态趋势图；④设备起停及控制回路操作、参数修改；⑤动态画面彩色拷贝；⑥实时报警及打印；⑦报表、历史数据记录、显示和打印；○8系统通讯自诊断及报告。它通过计算机屏幕将组态的信息以文本、画面、报警等多种形式呈现给管理人员。操作员可通过键盘和鼠标器作为输入端完成生产线的控制，进行各种组态以及控制参数的设定、画面的调用、设备的启动和停机；
2）根据生产维护的实际需要，整个系统配置一台工程师工作站（兼作操作员站）并配置系统组态及调试诊断软件WinCC和STEP 7。它不但可以与其他6套操作员站互为备用，在线全程监控生产过程，而且还可以在线、离线组态以及调试。通过工程师站完成：①对整个系统进行组态、调试、诊断；②实时监视系统运行；③在线修改程序；④现场诊断及维护。
4 控制系统的软件编程及组态设计：
SIMATIC S7 过程控制系统作为SIEMENS公司**的自动化系统硬件平台，与其他控制系统相比较，它具有控制功能强大、系统配置灵活、分散控制, 集中监视等主要特点和优势。我们在实际的使用过程中为了实现对生产及设备进行更好的管理，充分利用它的这些特点功能对其软件进行了二次组态开发，具体表现在以下几个方面：
1）在历史数据归档及查询组态设计中，我们运用WinCC的数据归档功能将与生产有关的参数的值做为期半年的存档，并通过连续曲线图的形式，表现于历史查询画面中。为了便于查询，我们还在每个画面中均设计有一个或几个曲线图窗口,窗口包括过程值的数值坐标,时间坐标，在当前时间坐标内的变化曲线，并有趋势图设置菜单条，包括模板调整、时间范围设定、局部放大等功能。这样用户可以随时查阅过去半年与生产有关的参数的值及其变化曲线。
2）在系统故障报警的组态设计中，我们按照生产工艺过程和要求、故障的主次程度，把报警共分为三个等级,把与生产关系紧密的设备故障或重要的过程值超过设定值被列为一级报警。二级、三级报警依次类推。对于一级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警铃与警灯提醒用户报警的严重性。如果发生第二级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警灯提醒用户这是次一级的报警。对于第三级报警，系统只在报警画面中作出相应提示。 在除报警画面以外的所有画面中的上部均有一个报警条，随时刷新出现的报警，报警条中包含报警级别，报警时间,报警设备等信息。操作人员在发现有报警出现后即可对报警设备作出及时的处理。为了便于操作人员区分观察，我们把报警条的显示分为三种型式： ①报警出现：此时报警条的颜色为红色.；②报警消失：此时报警条的颜色为绿色； ③报警确认：此时报警条的颜色为黄色。
3）在生产报表的组态设计中，我们利用WinCC组态软件内置的报表功能，采用可组态的自由格式报表工具，生成各种用户化的报表，对实时和历史数据执行运算和统计。按照生产管理的实际需要，我们设计的主要报表包括：生料及水泥配料配比及总量班报表（平均值/h）；主机设备的转速和电流值班报表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的产（耗）量/h及重要工艺参数值班报表（平均值/h）；4磨1窑产量、运转时间、台时产量、运转率，以及耗煤量的日、月、年报表。此外系统所配置的2台彩色打印机能够将生产过程控制的瞬时数据按照顺序打印出来,也可将某一过程值在某一时间段内的变化曲线打印出来，随时提供各种报表和报警的记录；
4）在系统下位机的程序设计过程中，我们通过对全厂不同设备的控制方式进行分类，利用SIMATIC STEP 7 所自带的编程工具，编制了普通低压电机控制功能块、高压电机控制功能块、正反转电机控制功能块、电动推杆电机控制功能块以及电动执行器控制功能块等不同的标准FB块或FC块（如图2所示）存放于SIMATIC STEP 7软件的标准功能块数据库中。这样，我们在编程时就可以根据不同的生产工艺设备的控制要求，调用相应的控制功能块，然后在控制功能块上再对应的填上相应的控制条件和控制输出标签，即可以完成对该设备的控制编程。通过这种编程方法的使用，我们把对工艺设备的控制编程过程，由原来复杂繁琐的逻辑计算，变成了像完型填空一样简单；把对全厂的不同的工艺设备的连锁控制编程变得像搭积木、串糖葫芦一样容易。这样不但能大大节省系统编程组态的时间，而且使得全厂的控制程序结构变得非常简单易读、一目了然，真正实现了结构化、模块化的程序设计。 
5）在系统的数据库的建立过程中，由于SIMATIC S7 过程控制系统在上位机运行的WINCC组态软件和下位机运行的STEP 7软件不能共用同一个数据库，这就需要建立两个数据库再进行数据通讯，使得编程的工作量加大。为了尽可能的减少编程的工作量即减少数据库中的通讯数据标签数量而又不减少系统的通讯信息量，我们就以模拟量的数据传输方式来传输开关量（多32个）数据。在具体的运用过程中，我们根据需要并考虑到运算速度问题，只使用了8个布尔量为一组的方式，即把原来的8个布尔型标签所传输数据量，通过下位机运行的STEP 7软件打包变成由一个字节型的标签来传送，然后再在上位机系统中通过WinCC组态软件把这些布尔量分别提取出来进行处理。这样，我们对应每台工艺设备只要建立一个字节型的数据标签就可以反映出它的8个不同的状态信息，使得数据库不但在结构上得以简洁，而且数据库容量也大大减小。
5结束语：
高性能、全开放、规模灵活、成本较低，是SIMATIC S7 过程控制系统的主要特点，它改变了传统意义上PLC的局限性,在快速简捷的顺序控制的基础上,增强了过程控制的能力,并且引入了DCS系统直观的组态方式.加之其将过程控制,顺序控制,传动系统,通讯网络集成在一个统一的平台上, 使系统的开发、应用、维护成本大大降低，非常适合水泥厂熟料生产系统这种过程控制和顺序控制相结合的应用。该过程控制系统已于2005年7月完成安装调试及试运行，现已投入正常运行。随着该系统的稳定运行和不断开发完善，它在生产和管理上起着控制生产设备、保证产品质量、**生产效率、加强科学管理和辅助科学决策的作用，对**企业竞争能力，获取经济效益将起重要的促进作用
1 前言
短纤维产品如涤纶中空纤维、三叶纤维、七孔中空纤维、十孔中空纤维本、以及各类阻燃纤维、抗菌纤维、加硅纤维（PP棉）等，它具有手感好、弹性、蓬松度高的特点，产品适用于生产喷胶棉、无纺布、针刺布、服装、玩具、枕芯填充料、踏花被、人造毛皮等等。由于该产品国内国际市场，很多企业都在对老线进行技术改造或是引进新的生产设备。本文就是针对该系列设备推出的成熟的变频技术方案。
短纤维设备包括前纺处理和后纺处理两大设备。其中后纺设备和工序包括：集束----牵伸浸油----卷曲-----热定型----切断----打包-----检验----成品----出厂。其中为重要的是从牵伸到卷曲的工艺过程，该流程中共有4个传动机构（一道牵伸、二道牵伸、三道牵伸、卷曲），在传统的工艺中采用一台大电机通过机械齿轮来单轴控制4个传动。由于单轴传动的弱点逐渐凸显出现，如齿轮箱损坏率高、牵伸比调节困难、单轴容易断裂等。因此在目前进口的化纤后纺设备中基本上都采用独立变频传动的方式来实现。
在采用独立变频传动的同时，有二个重要的问题必须要加以解决：（1）发电及能量反馈的问题；（2）同步牵伸的问题。二者都是由于化纤后纺工艺的需要，后纺的一个重要任务就是要使纤维丝通过牵伸速度的不同来达到工艺要求，这就导致了一道和二道牵伸经常处于发电状态；同时必须保证4个独立传动在加减速和恒速中同比例升速，这就引出了同步牵伸的问题。
2 多电机传动系统的建构
在化纤后纺的4个独立传动辊中，为保持一定的牵伸比，通常一道牵伸和二道牵伸处于发电状态，三道牵伸和卷曲则处于电动状态。
2.1 电动和发电
通常从变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电。在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速w1小于转子转速w时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。
图一 变频器调速系统的二种运行状态
如何处理再生电能呢？简单的办法就是能耗制动，它采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动，但是由于一道和二道牵伸传动始终处于发电状态，其发电功率是相当可观的，在实际操作中，需要有庞大的制动电阻群。因此如何将该电能利用起来，是一个急需解决的问题。
2.2 多电机传动控制的建构
对于频繁启动、制动，或是四象限运行的电机而言，如何处理制动过程不仅影响系统的动态响应，而且还有经济效益的问题。于是，回馈制动成为人们讨论的焦点，然而目前大部分的通用变频器还不能通过单独的一台变频器来实现再生能量。为解决这个问题，本文介绍了一种共用直流母线方式的再生能量回馈系统，通过这种方式，它可以将制动产生的再生能量进行充分利用，从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。
多传动控制回路包括直流输入回路、直流母线供电回路、若干个逆变器（或是具有输入缺相保护的通用变频器），其中电机需要的能量是以直流方式通过PWM逆变器输出。在多传动方式下，制动时感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。
图二接线是典型的共用直流母线的制动方式，根据化纤后纺设备的特点，一道牵伸M1和二道牵伸M2在正常工作时处于发电状态，三道牵伸M3和卷曲M4则处于电动状态。由于M1和M2发电是由于3道牵伸的电动所引起的，该2台电机所产生的回馈能量足以消耗到处于电动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样就完全解决了再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。
图二 共用直流母线的多电机传动方式
2.3 直流输入回路
直流输入回路负责提供多电机传动系统的直流电源，其主要部件为整流器。但是我们知道，当AC/DC电源启动时，将产生一个高达系统标称电流50倍的启动电流对输入电容（本文主要是指VF1-VF4变频器的电解电容）充电。该启动电流会导致主电源上电压降的产生，从而影响连接到同一个电源网络上的其它设备的正常工作，甚至熔断输入线路熔丝。通常情况下离线电源的前端由一个桥式整流器和一个大容量滤波电容组成，启动时对大容量滤波电容的充电会在输入端产生一个称之为启动电流的浪涌电流。如果不限制这一启动电流，那么输入熔丝就可能熔断或者可能触发电路保护断路器。因此直流输入回路的核心问题是控制启动电流。解决该问题的一种方案是将阻抗与一个硅通路元件或者机电继电器并联，再与整流器串连，这样就可以大大降低冲击电流，以保证直流输入回路的可靠性。
2.4 多电机传动的特点
化纤后纺设备采用共用直流母线的多电机传动控制方式，具有以下显著的特点：
a. 共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。
b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；
c. 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性；
d. **系统功率因数，降低电网谐波电流，**系统用电效率。
3 多电机传动牵伸同步的控制
在化纤后纺设备的四道传动（三道牵伸加卷曲）中，其牵伸比的确定必须以四个传动电机的速度同步为基准。通常情况下，有一个主给定信号，同步控制的目标就是将这个信号按照牵伸比的要求均匀分配到M1、M2、M3、M4四个变频器中去，保证四传动无论在加速、恒速或者减速过程中都能保持同步的比例性。
以下主要讨论目前较为常用的三种同步控制方案。
图三 化纤后纺传动的同步控制方案
3.1 模拟量同步控制
当一台整机或一条生产线中各个传动单元分别由独立的变频器驱动时，为了保证整机在一个主令转速的设置下，各单元同步协调工作（这里为固定的牵伸比），需要配置同步控制器。该同步控制器可对各单元传动速度分别整定，以实现各单元以一定的比例速度同步工作，总的主令设定电压（由电位器决定）通过给定积分器输出，可实现软起动和软停车。
该同步控制器能输出多路模拟量信号给变频器（这里为VF1-VF4）。模拟量输入设定方法是一种控制精度较高的方法，一般情况下可达电压“11bit+符号”或电流“10bit”级别的分辨率。
3.2 脉冲信号同步控制
在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。我们将个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。
通常情况下，大输入脉冲频率可以在0.1KHz到50KHz之间选择。VF1变频器在主令电位器的控制下输出同步脉冲数给VF2，VF2接受脉冲数进行运转并同时输出同步脉冲数给VF3，直到VF4。由于脉冲信号的数字处理技术和抗干扰能力强，因此在同步控制中也被广泛使用。
3.3 通讯总线同步控制
通过网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通讯速率高，稳定可靠，接线简单等优点，而且在模拟量控制时，输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端（变频器）又需要经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差，而通讯传递直接是数字量不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。
通常情况下，同步控制可采用RS485总线的异步通讯控制方式，如图（3）所示。选用变频器标准内置的RS485可以方便实现与上位机的通讯，同时也可挂现场总线或局域网，通过网络进行信息交换，主要有PROFIBUS、Modbus、FF等对应不同的网络及总线形式，但必须配用专用接口卡。
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