西门子6ES7222-1HF22-0XA8技术介绍

西门子6ES7222-1HF22-0XA8技术介绍.引言　　排水泵站（下简称泵站）作为市政建设和管理工程的主要设施，担负着城市排水防涝的重要任务。从目前国内大部分的泵站控制和管理来看还是处于相当 落后的状况，与国外相比具有很大的差异。 在电气控制上，自动化监控程度低，大部分的泵站仅有单级的常规控制。在管理水平上，大部分泵站的管理记录和统计都是手工操作。泵站控制和管理没有形成区域化的网络。随着国民经济的飞速发展，对市政建设和管理提出了更高的要求。所以必需对现有泵站控制和管理进行改造和完善。向国外无人化泵站监控管理发展，以达到减员增效和tigao管理水平的目的。该项目是以上海市浦东新区塘桥泵站为实施对象，进行整个泵站的自动化监控和管理的改造。2.泵站工况概述　　塘桥泵站位于上海市浦东新区塘桥路黄浦江边，该泵站主要用于附近地区的污水排放处理和防汛抗涝。服务面积240公顷，总排水量为13.8米3/秒。2.1设备分布　　同大部分的泵站一样，其设备分布平面图如下（图1）所示。　　①进出水闸门：用来防止黄浦江江水倒灌和泵站维修。　　②集水池：地下管道的污水汇集在此集水池，集水池被不锈钢格栅分成内外区，污水由内区流经格栅除污后，到外区排入黄浦江中。集水池内外区边安装有超声波液位仪用来检测内外区水位和水位差。　　③除污机：泵站装有钢丝绳牵引式格栅除污机2台，除污机用于把附于格栅上的垃圾和污物从集水池中提出来处理。　　④变压器房：为保证泵站的可靠工作，泵站建有两座800KVA电力变压器。电力变压器安装有温度监控器监测三相温度，当温度超限能自动启动风机降温和报警。　　⑤水泵房：塘桥泵站安装了六台180 kW的轴流水泵；在存水房装有水位检测器。　　⑥控制柜房：房内装有进线柜2台（柜1，13）；功率因素补偿柜4台（柜2，3，11，12）；泵开关柜（柜4-6，8-10）和联接柜1台（柜7）。图12.2控制要求　　以塘桥泵站为设施对象，进行整个泵站的自动化监控和管理的改造。　　①改造泵站的水泵控制开关柜，使之具有就地和远程控制的功能。　　②改造泵站的功率因素补偿柜，能实现就地自动补偿和远程电网监控。　　③改造泵站的变压器房对于变压器A，B，C三相温度进行远程显示，高温报警等功能；　　④建立泵站的控制室，对泵站实施三级控制，在控制室内设置自动化监控操作台和信号处理柜。　　⑤采用SIEMENS的S7-300系列PLC，对整个泵站实现自动化监控 ，水泵将根据泵的状态 ，水位，雨量，电网状况，闸门位置等工况自动投切。　　⑥通过对水位差的检测，提示或自动投切除污机。　　⑦采用高性能的10英寸真彩LCD触摸式显示屏，对整个泵站进行动态监控管理，故障报警，工况记录和报表打印。　　⑧预留通信接口，可通过电话线路或DDN网联网进行区域监控和数据传送。3.硬件系统构成　　根据以上要求，我们开发研制了下述这套塘桥泵站自动化监控系统。系统的结构见图2。 主要 的配置如下。3．1 PLC配置　　泵站自动化监控系统的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根据系统要求 ，PLC总体配置如下：　　①中央处理模块（CPU）：选用CPU314，内存RAM扩展到64K。　　②数字量输入模块（DI）：选用SM321,共8块（16点/块）。处理128点输入信号。　　③数字量输出模块（DO）：选用SM322,4块为16点/块，4块为8点/块。处理96点输出信号。　　④模拟量输入模块（AI）：选用SM331,共3块（8点/块）。处理24点输入信号。　　⑤通信模块：选用CP340,共2块，1块为RS232接口，1块为RS485接口。　　PLC采用了四个框架，在RTU信号柜内有三个，其中一个为备用扩展框架；另一个在操作台内，通过IM361扩展连接，这样简化了接线，大大地tigao可靠性。3．2触摸屏配置　　触摸屏采用了日本DIGTAL公司的570 HMI（当时SIEMENS还没有此类HMI）来 实 现上述要求。HMI是以RS232接口与PLC的CP340连接，采用SIEMENS的3964R的协议完 成 通信。3．3电网监控配置　　电网监控采用法国SOCOMEC公司的DIRIS M型的电量监控器，可检测三相四线制 的相电压，线电压，相电流，零线电流，有功无功功率，功率因素，频率及相应的大值。监控器以RS485接口采用MODBUS协议与PLC的CP340连接，传送电网监控数据。因为泵站是采用 双路电网进线，故应用了两套电量监控器，分别安装两侧进线柜上。　　其他的装置的信号都是通过数字量或模拟量点出点入与PLC连接。图24．软件监控实现　　塘桥泵站自动化监控系统的软件主要有两部分：PLC监控软件和触摸屏图控软件。 PLC监控 软件由几大模块组成。4．1系统检测和故障处理模块　　系统检测处理所有的输入信号，根据具体情况将作出不同响应。处理的信号有：六台泵电机的温度和振动；进出水闸门状态；存水房液位；防火防盗安全；两台电源变压器温度；雨量；四台功率因素补偿柜工况；电网工况（电压欠压和过压监控；三相电流过载监控；缺相监控；三相不平衡监控；功率过载监控；功率因素监控；电量累计）；污水池水位等。　　系统故障分类为三级:一级故障定义为。当发生此类故障，将禁止所有控制输出。声光报警，记录打印，在显示屏上显示故障类型和解决方法。只有在排除故障，按人工复位键后系统恢复正常工作。二级故障定义为次级。当发生此类故障时将禁止故障点的控制输出，系统作自动调正继续当前操作。故障报警和恢复同一级故障。三级故障定义位低级。当发生此类故障时，仅声光预警，不中断当前操作。根据系统中产生的各种故障实施相关的故障声光报警和记录。此刻触摸式显示屏进入故障报警画面，显示故障内容，性质，地点，时刻和解决方案，并打印。4．2除污机和排水泵的运行处理　　泵站有两台除污机,系统对除污机的工况进行监控。故障信号置位，置二级故障报警，由引言PLC作为一种高性能的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。在这种控制系统中，PLC可以多种方式，如直接采用现有的组态监控软件与上位机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性能价格比的通信方法，具有积极的实际意义。本文就日本三菱公司生产的FX2可编程控制器与监控中心通信方式的实现，从软、硬件两个方面来说明这个问题。随着GSM移动通信网络的迅速发展和用户的日益扩大，新技术和新业务的开发和应用就已提到十分重要的位置。短消息服务业务作为ＧＳＭ网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以往，在无人值守的现场出现问题后，维修人员不可能讯速赶到现场排除故障，造成许多不必要的损失，所以作者设计了该采集与监控系统，将告警信息通过手机短消息的方式，发送到集中监控中心，从而实现了远程遥控、遥测、遥调、遥讯。1． 系统的工作原理及组成该系统主要是由两部分组成：数据采集与监控终端；集中监控中心。通信方式采用手机短消息方式，通信设备采用手机模块TC35，手机终端TC35T。TC35具有的功能：有语音、数据、短消息、FAX四种传输方式；工作在GSM900MHz和1800MHz频带范围内；工作电源3.3V---5.5V；波特率为300bps-115kbps,在1200bps-115kbps为自动波特率设置；数据传送采用AT命令集；SMS具有TEXT和PDU图形模式；P-P数据通讯速率是2400、4800、9600、14400bps。TC35T是将TC35做到工业手机中，对外提供标准的RS232接口和电源接口。将计算机的串行口与TC35T的串行口用电缆直接连接，并在计算机上添加标准的调制解调器就可以使用了。TC35T使用AT命令集工作。系统的原理框图如图1所示：集中监控中心通过通道1发送命令，首先通过TC35T发送设置命令，初始化数据采集与监控终端，设置需要采集的模拟量和开关量，设置系统的密码，设置维修人员的手机号码；然后发送采集命令，采集各种数据量。采集完数据量后，经PLC的处理，通过通道2以短消息的方式发送到集中监控中心，中心将数据整理存入数据库中。如果数据采集与监控终端出现了故障，直接通过TC35模块发送故障信息到维修人员手机上，同时监控中心接收发自数据采集与监控终端的告警信息，并进行相应的处理，如判定告警地点、告警类型及相应的原因、及时通知值班和相关维护管理人员、对告警信息进行统计和分析、设置告警监控模块配置信息等。当故障排除后，数据采集与监控终端同样发送短消息到监控中心，通知中心故障排除，可以正常采集数据了。当然每个数据采集与监控终端都对应由维修人员。短消息服务业务（Short　Message　Service）是GSM系统提供给用户的一种数字业务，它与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，SMS的收发占用的是GSM网络的信令信道，不会占用普通话音信道，而且它是双向通信，具有一定的交互能力。而且SMS具有较高的可靠性，短消息发送端的用户可知道短消息是否已经到达接收端，由于短消息依靠了SMSC短消息服务中心的存储和转发机制，当接收端用户关机或不在服务区内时，SMSC会暂时保存该短消息，接收端用户如果在规定时间（通常为24小时）内重新处于工作状态，SMSC会立刻发送短消息给接收端用户，当发送成功时会返回发送端用户一个确认信号。SMS充分利用了GSM网络覆盖广的特点和全程全网的优势，具有的移动性，使得任何一个申请了短消息服务的GSM无线终端用户在全网范围内获得服务。每个短消息的信息量限制为140个八位组（7比特编码）140个英文字符或70个中文字符。如果超过此长度，则要分多次发送。2．　硬件电路设计系统的硬件电路包括：监控终端硬件设计；集中监控中心。监控终端硬件包括：数据采集部分；TC35接口电路；温度传感器电路；遥调电路。集中监控中心硬件包括：上位机；TC35T手机终端。2.1　数据采集部分数据的采集分为：模拟量的采集和开关量的采集。模拟量主要采集各种工业仪表的数据，如压力、liuliang、温度、湿度、电压、电流等。开关量的检测，分别为：220V交流电压检测，门禁检测。电路原理框图如图2所示。2.2遥调电路设计为了能够实现远程自动调节各种现场的参数。作者设计了遥调电路。采用固态非易失性数字电位器X9313。电路图如图3所示。数字电位器是一种特殊的DAC，它的模拟量输出不是电压或电流，而是电阻。滑动单元的位置是由CS、U/D、INC三个输入端控制。当CS为高，INC为高时，滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储器内，因此在下一次上电工作时可以被重新调用。当电位器的滑动端移到某一新位置时，而保持INC为低，CS为高时，此位置不存储。VH、VL、VW相当于一般电位器的三个端。图3　遥调电路图4　温度传感器电路2.3温度传感器电路设计为了实时监视数据采集与监测终端的温度变化，当温度超过上限值时启动排风装置。当温度低过下限值时启动加温装置，作者设计了温度传感器电路。由于采集的温度范围属于常温范围，所以采用晶体管传感器LM335。它的输出电压与热力学温度成正比，灵敏度10mv/c。输出后的电压经过LM358放大器的放大后送A/D转换器。电路图如图4所示。2.4　TC35接口电路设计TC35模块主要是由射频天线、内部FLASH、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIP插座组成。TC35接口电路设计主要是40针的电缆与单片机的接口。如图所示5。1~5脚提供3.3~5.5V峰值2A的直流电源；6~10接地；15脚为点火信号，接到单片机的P1.7，可以通过软件启动模块。16脚~23脚是RS232串口的功能引脚，18脚、19脚分别为发送RXD和接收TXD引脚。24脚~29脚对应的是SIM卡的引脚。32脚为指示灯引脚，当未插入SIM卡或40脚的电缆没有接好或者模块正在入网时，指示灯处于闪亮状态，亮600ms　灭600ms；当模块登录网络时，指示灯亮75ms灭3s。2.5　电平转换器设计FX2系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，作为实现PLC计算机通信的接口电路，必须将RS-422标准转换成RS-232标准。RS-232与RS-422标准在信号的传送、逻辑电平均不相同。RS-232采用单端接收器和单端发送器，只用一根信号线来传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”。RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准，即双端发送和双端接收，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器和差动接收器将逻辑电平和电位差之间进行转换。作者选用MAXIM公司的MAX232实现RS-232与TTL之间的电平转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源就可工作，使用十分方便；选用MAX485实现RS-485与TTL之间的转换。每片MAX485有一对发送器/接收器，由于通信采用全双工方式，故需两片MAX485，另外只需外接4只电容即可。图5　　TC35接口电路3．软件设计系统的软件设计包括：下位机软件设计；上位机软件设计；下位机与上位机通信软件设计。3.1短消息PDU格式分析及实用的AT命令发送和接收SMS信息有两种方式：基于AT命令的Text　Mode（文本模式）和基于AT命令的PDU(protocol　debbbbbbion　unit)　Mode模式。西门子的手机大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文经过编码后转换成UNICODE码被传送。由于我们采用的是西门子的TC35手机模块和TC35T手机终端，所以本文主要探讨PDU模式的发送和接收。下面通过对发送的短消息格式分析，来介绍SMS　PDU的数据格式。假设准备发送中文短消息内容为“晚上好123”。首先，将TC35T与计算机的串口相连，并打开计算机的超级终端：3.1.1发送短消息的具体操作过程如下(带下划线字符为响应信息，{}内为注释)：AT　OK　{计算机与手机的连接成功，这时就可以输入各类GSM　AT指令了}AT+CNMI=1，1，2OK　{设置收到短消息提示}当模块收到短消息时，给出回应：　例如：+CMTI：“SM”，4AT+CMGF=0OK　{设置模块工作的模式：0为PDU模式，1为文本模式}AT+CMGS=26{发送短消息的字节数}>0891　683108200905F0　0103　0D91　683199312523F9　3208　0C　665A4E0A597D003100320033//键入Ctrl+Z，看到提示符->出现在后一个数字后面，说明系统已经收到了命令。系统会返回操作的结果。OK　{OK表示成功，ERROR表示发送失败}+CMGS：32下面分析这条信息：08：表示短消息中心地址长度91：表示短消息中心号码类型683108200905F0：表示短消息房屋中心号码0103：表示发送短消息的编码方式0D：表示目的地址长度91：表示目的地址类型683199312523F9：表示目的地址，即接收短消息的手机号码为：139913523293208：表示发送中文字符方式0C：表示短消息长度665A4E0A597D003100320033：表示发送中文字符的UNICODE码665A　{晚}　　4E0A{上}　　597D{好}　　0031{1}　　0032{2}　　0033{　3}3.1.2模块接收短消息的分析：AT+CMGR={阅读短消息的内容，Index　表示短消息存放的位置}AT＋CMGL=　{列表短信息：stat　=0，列未读过的短消息；stat　=4，列所有的短消息}　＋CMGL:　1,2,,24　{1表示信息个数，2表示未发信息，24表示信息总容量}　AT+CMGD={删除短消息，Index　表示短消息存放的位置}OK　{删除成功}3.2　下位机软件设计包括：数据采集及A/D转换程序；越限报警程序。3.3上位机软件设计包括：监控中心主界面设计；数据库程序设计。3.4下位机与上位机通信软件设计因为下位机与上位机通信是通过短消息来完成的，所以通信软件设计的关键是单片机如何发送AT命令。4．结束语本文采用短消息业务完成数据采集与监测终端与控制中心的通信。实现了数据采集与监测终端的遥控，远程控制电源的通断；遥测，远程测量各种开关量；遥调，远程调节各种增益；遥讯，远程查询采集各种模拟量。短消息业务具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，特别适用于需频繁传送小数据量的应用，还适用于偏远地区、架设通信线路困难的地方。对于数据采集与监测终端来说，它一般放在无人值守地区，应用短消息业务来传送数据为合适。作者设计的该系统现在已经投入运行，实践证明了该系统工作非常的可靠。