西门子6ES136-6DB00-0CA0型号介绍
1 引 言
石家庄市供水总公司地表水厂是1996年建成投产的自动化程度很高的地表水厂。水厂设计生产能力日产水30万吨。原 PLC自控系统已运行10年，现已非主流产品，无法实现自身的升级换代和扩展，而且备件货源逐步枯竭。随着设备存续周期的临近，不排除出现大面积故障的可能，进而直接导致控制系统的局部或整体瘫痪。在这种严峻形势下，对PLC自控系统进行改造势在必行。
地表水厂担当着石家庄市供水任务的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保证地表水厂生产顺利进行。从某种意义上讲，工程的顺利与否是关乎国计民生的大事；同时将为水行业自控系统的改造开辟成功的先河。
改造工程选用稳定性、扩充性、**性和兼容性俱佳的罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC产品作为本次改造的主力自控产品。目前改造工程取得了前所未有的成效，开创了多项技术创新先河。在送水泵房实现了变频调速恒压供水的设计要求，在保证供水管网压力恒定的前提下，仅节电一项一年就可以为水厂节约开支约70万元。同时成功地实现了ControlLogix系统与第三方设备的Modbus通讯，特别是远程的两个取水管理站与中控室之间的数据通讯，采用无线Modbus的方式实现ControlLogix系统与第三方设备之间的通讯，成为整个工程的亮点。改造过程中新PLC系统与旧PLC系统（SquareD自控设备）之间的数据交换采用OPC服务器的方式加以实现，这样既保证了整个水厂的日常制水生产不被中断，又为用户节省了采用过渡硬件设备所需要的投资。两套自控系统自始至终保证数据互联互通，在一般的技术改造工程中是很少见的。使用这种技术，可以保证两套系统真正实现无缝割接。
2PLC自动控制系统的组成
(1)系统简介
根据水厂生产工艺及管理要求，在系统设计时以原系统的站点结构为依据,保留原有的6个主站、9个子站。6个主站采用ControlLogix系列PLC；9个子站采用CompactLogix系列PLC，厂区内主干网以及主站与子站之间均采用ControlNet冗余网络，上位机及触摸屏均挂在ControlNet冗余网络上。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在伴有高电压及大电流的区段选用光纤作为网络介质。厂区中控室与岗南取水管理站和黄壁庄取水管理站数据传输采用无线通讯的方式实现。
(2)系统拓扑结构
图1为八水厂自控系统拓扑图。
图1 八水厂自控系统拓扑图
3变频调速恒压供水系统
石家庄地表水厂清水泵房配备三台定速泵，三台变频调速泵。送水泵将两个清水池内的水通过两个出水管线输送到供水管网，原则上保持管网压力恒定。原PLC自控系统，由于未成功完成对变频调速泵的PID参数整定，调速泵的泵速未实现自动调节；加之其配泵方案的设计不适合国情，清水泵房的原PLC自控系统实际只完成数据采集功能，主要设备——送水泵一度处于手动状态，使变频调速恒压供水成为泡影。
改造后的清水泵房采用变频调速的运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节调速泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力始终保持在给定值，实现了大限度的节能、节水、节支，并使系统处于可靠的运行状态。恒压供水的实现一方面归功于**合理的工艺设计，根据实际的生产和设备情况重新进行工艺整定，为地表水厂量身定做的配泵方案，使恒压供水、自动配泵终得以实现。另一方面依托ControlLogix系列PLC的强大功能，特别是智能**的PID调节功能，使管网压力的控制精度达到0.5%，远远超过工艺要求，仅高效节能一项直接为地表水厂年节约资金约70万元，带来的隐性效益更是不可估量。
4ControlLogix系统与第三方产品的Modbus通讯
由于配电室的中压配电柜控制和数据传输系统选用SEPAM2000，该设备使用Modbus协议，通过SY/NET协议转换器SPE4连接到原有的PLC自控系统。显然在新系统投入使用之后，SPE4已经失去存在的意义了。在这里需要特别提出针对配电室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的数据在出口端是使用Modbus协议的。ControlLogix系列PLC有第三方的通讯模块MVI56-MCM来支持对Modbus网络的通讯。我们所要做的工作是在新PLC系统中通过MVI56-MCM模块实现新PLC系统与SEPAM2000的通讯。与使用MODBUS协议的其余第三方设备的通讯与此类似。
这种数据流动方式如下图2所示：
图2 数据流动方式
5ControlLogix系统中的无线通讯设计
由于岗南水库取水管理站和黄壁庄水库取水管理站的自控系统相对独立，相当于水厂控制系统的两块飞地。水厂中控室只要求实时掌握管理站的运行情况，并没有在系统内向管理站下达任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水厂自控系统的影响，新系统投运后采用无线通讯的方式将管理站内的现场数据传输到水厂控制系统。
岗南水库取水管理站的自控系统不在改造范围之内，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU来完成现场设备的监控和数据传输工作，上位软件选用PCSOFT公司的WIZCON组态软件，使用的是MDLC通讯协议。如何通过无线通讯的方式实现ControlLogix系统与第三方设备的互联互通，是工程设计、实施中的一个难点。
根据岗南水库、黄壁庄水库和地表水厂之间的特殊的地理、地形情况，在三方组成的无线通讯网络中，黄壁庄水库取水管理站设计为主站，地表水厂中控室为1号从站，岗南水库取水管理站为2号从站。由黄壁庄水库取水管理站读取岗南水库取水管理站的数据，会同自身的数据一同写到地表水厂中控室。无线通讯网络各站点之间采用MODBUS通讯协议，各PLC站点的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS232口与无线通讯网络之间进行数据交换。黄壁庄水库取水管理站的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS485口与使用MODBUS协议的第三方设备——**计进行数据通讯。
无线通讯网络的拓扑结构如下图3所示：
图3 无线通讯网络的拓扑结构
6新系统与旧系统的软件兼容
由于地表厂自控系统的改造工作不能影响整个供水生产的正常进行，因此改造工作应该是分步骤实施的。这种阶段式改造必然导致新系统与原系统长期共存。那么，两套系统的互联互通就是该项目的又一难点。
新旧系统的兼容是暂时行为，在总体投资上不应该过分加大，因此我们选用比较经济的软件兼容方式，即使用第三方的OPC服务器作为两个系统数据交换的桥梁。新自控系统将已改造站点的数据按照原系统的数据格式写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。为了完成这一目的，新自控系统增加OPC服务器，同时原自控系统内的PLC程序将做必要的改动以适应这种运行模式。
实现兼容的方式如下图4所示：
图4 实现兼容的方式
一、设备的要求
圆网印花机是一种使用圆形镍网，在白色坯布上连续印制各色图案的专用加工设备。适合印一些比较小的分布有规律的图案。工作原理类似套色印刷机，每个圆形镍网套印一个花色。圆网印花整机包括进布、印花段、烘房、落布这四大部分。
印花段是由主电机带动一个辊子，辊子带动厚2mm多的氨脂导带转动。由直径较小的被动辊拉紧导带，使辊子与导带间无打滑，导带在两辊间形成一平面，坯布贴紧导带经由色网到后一色网。后进入烘房将布烘干。只要圆网与导带速度同步，且各圆网间相位没有误差，就能保证在高速运动中达到较高的印花精度（0.1mm~0.05mm）。早期的圆网印花机是通过1：1的机械减速箱长轴传动方式来同步导带和网子，机械传动间隙和磨损对印花精度直接影响。
二、技术分析
导带由一台伺服电机驱动主辊（也可用变频+电机，视成本要求定），并用一个编码器采集主辊的角速度。由的运动控制器控制。
12个网头由12台伺服电机单独驱动，由的运动控制器控制同步，通过编码器采集的主辊角速度**跟踪布速。
12个网头，可自动调整相位实现**对花。（但用户要求在每个网头配有按钮操作，控制电机的起停用于选择哪些电机投入运行和以及实现手动对花）。
进布、烘房、落布的传动采用变频器+电机。
整个工艺中的温度、压力、机械、电气部分必须结合起来。包括进布导带速度，印花时的刮浆刀，烘房导带速度、烘房温度控制等。系统中会需要较多的I/O控制，所以需再选择PLC。
人机界面。实时监测各网头工作状态、故障及导带速度，以便操作人员随时掌握印花效果及时处理。运动控制器和PLC各配一个彩色触摸屏。
三、电气配置
该段控制框图如下：
1、运动控制器：考虑到轴数较多，为了减少了连线，本案采用CAN总线通讯控制坯布输送和圆网的同步。完全数字化控制，系统的可靠性和抗干能力都大大**。需要采用一个13轴半的控制器（半轴是指一个编码器的输入通道），具备2个MODBUS通讯口。各方面考虑，选用英国trio的数字运动控制器MC224。
2、触摸屏：采用台湾施美特的PV104-VNT共2块。
3、PLC：采用松下FPX系列
4、伺服电机和减速机：需要采用带CAN总线通讯的电机，同时圆网的电机的编码器需为式（实现自动对花需要），经考虑选用德国berglahr公司的LXM系列伺服。该系列伺服具有优越的欧洲伺服的品质，CAN总线、profibus总线方式可选，高的动态响应特性，编码器有14位和17位sin/cos式编码器可选，可选三相380VAC供电。
减速机选用德国MOTEC品牌的一款合资产品APX系列，该系列减速机有较高的性价比，产品性能稳定，与国内同等价位的减速机相比精度高（一级5弧分背隙），抗扭刚性好，传递效率更高。
具体配置如下：
主辊传动电机：LXM05A34N4+BRH1103P+APX115-10
圆网驱动电机：LXM05A22N4+BRH1101P+APX90-10
5、导带传动系统所有编码器：采用德国雷诺德增量式编码器GEL260。配置为每转输出4096脉冲。
四、控制过程
1、印前准备。如加浆，预热烘房等。
2、每次印新的花色前都有一段引布。这期间做对花，即12个圆网的位置做调整，使这12个圆网保持相位一致。本案因选用了带式编码器的电机，可以通过程序设置来实现自动对花。（一般的用法是通过每个网头配的起停按钮来手动对花，对花的精度取决于工人的经验）
3、刮浆刀开始印花由加在主辊侧的编码器采集主棍（即导带）的速度，把这个编码器信号接入运动控制器MC224。利用MC224的同步功能控制12台伺服与导带速度一致。
4、坯布贴紧导带以设定速度前行，被与坯布保持同一线速度的带有不同图案或色彩的圆网依次滚过，逐次印上12种图案或色彩。后形成了具有12种色彩的花布。然后送入烘房加热吹风干燥，落布，卷布。完成