西门子6ES73172EK140AB0

上海朕锌电气设备有限公司

西门子6ES73172EK140AB0

面临挑战  

在激烈竞争的造纸行业，企业为了降低成本和获得更多利润，必须要进行规模化的、连续的生产。随着造纸机械工艺的不断改进，纸机向宽幅、高速化方向发展已成为趋势，因此，对纸机传动系统的性能也提出了更高的要求。传动控制系统性能的好坏是决定一台造纸机能否高效率、高质量进行连续生产的前提。传动控制系统要求在运行期间保持速度恒定、负荷均衡，以保证纸张品质的一致。除了对于系统稳定性好和可靠性高的要求之外，对于大型纸机来说，在发生故障时供货商的及时响应、日常维护简单、维护成本低、备件充分等，也显得非常重要。一家优秀的供应商不仅仅是提供先进的技术和产品，更是需要想客户之所需，而西门子凭借其在造纸行业众多大型项目的经验积累，能够为中国客户量身定制基于全生命周期的纸机电气传动控制系统的全集成解决方案，这也是西门子能在强大的竞争对手中脱颖而出，获得APP认可的原因。

西门子传动解决方案

西门子将为宁波亚洲浆纸业4号纸机和两台复卷机提供包括214台电机、220个逆变器、整流单元、整理回馈单元、自动化控制站以及变压器等产品，采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7过程控制系统和SIPAPER传动系统的全集成传动解决方案，并将负责所供设备的安装指导和调试。

传动系统

造纸机传动控制是一个控制点多、结构非常庞大的系统。需要控制的部件包括饰面辊、真空伏辊、驱网辊、导网辊、真空反压辊、光压辊、烘缸、卷纸机、匀浆辊、唇板、损纸搅拌器、张紧器、冲水管、输油泵、刮刀和副臂等。由于造纸机生产过程是由网部、压榨部、干燥部、压光部、卷纸部等连续复杂过程组成的多变量、多参数系统，影响传动系统的因素很多，例如张力、速度、电流、电压等，还需考虑负载的不确定性，多电机间性能的不匹配，多电机之间存在藕合等情况。因此，造纸机的传动控制要求系统能够实现速度链控制和负荷分配控制。例如网部真空伏辊、驱动辊、第一导网辊和光压上、下辊这两组之间要求速度同步的同时要求负载均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸，所以在这个传动组合中的各自传动点之间实施负荷分配自动控制功能。

现代化的生产需要以较低的成本输出更大的生产率，西门子的最新一代高性能驱动产品SINAMIC S S120变频器可以帮助企业实现目标。它易于组态，有助于缩短项目完工时间；出色的动态响应和精度允许最大生产率的更高循环速率。同时，S120是集V/F控制、 矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动器，具有模块化的设计。所有 SINAMICS S120 部件（包括电机和编码器）均通过一个被称为 DRIVE-CLiQ 的串行连接接口进行相互连接。采用标准化电缆和连接器，降低了不同部件的种类，并削减了库存成本。与其他同类产品相比，S120变频器具有如下优势：
      ? 采用最新一代的传动技术，功能更强大，更高效节能；
      ? 结构紧凑，大大减小了电柜数量，减少了成本；
      ? 标准化设计，模块化设计，更易于替换和维护；
      ? 计算机辅助设计并优化的的柜内散热布置；
      ? 同级产品最小噪音，最低发热量，降低空调设计投入；
      ? 传动精度高、响应速度快，保证纸幅平稳运行。

控制系统

纸机控制系统采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7过程控制系统，配以具有极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量的SIMATIC S7-400作为中央控制单元。利用PROFIBUS-DP现场总线协议通信格式实现PLC与变频器的通信功能，提高系统抗干扰的能力并减少接线；采用稳定可靠、带有PROFIBUS-DP接口的OP277操作屏进行现场操作，可以直接接入DP网络中。

SIPAPER传动解决方案

为满足造纸行业对于可用性高、能源效率高、操作和维护简便以及投资安全**的要求，西门子为客户量身定制了SIPAPER传动解决方案。它采用了针对系统摄动优化的能源效率系统设计，减少不必要的能源消耗。在纸机高速运转时需要避免纸张断裂，SIPAPER方案通过优化级联控制和加速受控的起动技术，可以有效减少断纸的发生，提高产能。由于采用统一的传动系统、电源和处理电路技术，有助于减少生产关停情况。

SIPAPER传动系统解决方案是基于模块化和服务友好的图形用户界面软件架构。它能与西门子的其他自动化解决方案——SIPAPER CIS DCS（分布式控制系统）、SIPAPER CIS的QCS（质量控制系统）和SIPAPER CIS电源系统（能源供应），实现完美融合。所有驱动器的功能都具有可扩展性，为日后的修改和扩展提供便捷。具有强大的在线帮助功能，为工程系统、操作和监控系统提供有力的支持。SIPAPER传动解决方案软件标准，包括设定值级联、负荷分配调节器、纸幅自动接头、端部张紧、波动很小。

项目总结

作为制浆与造纸业解决方案、系统、产品和服务的全球提供商，西门子通过全面优化的产品组合及符合成本效益的解决方案，为造纸业客户带来成功。独有的全集成自动化理念，使得西门子能为客户提供造纸厂生产全周期的解决方案。西门子制浆造纸部中国团队基于对客户的深入沟通和了解，为其提供定制化的产品和服务，为客户提高产能、降低能耗和维护成本提供了强大的支持。对于客户棘手的维护难问题，西门子提供了故障及时响应服务，并提供备件共享，在第一时间提供故障分析报告，尽最大努力缩短延误工期。正是基于先进技术理念和对本地化服务的重视，西门子与客户建立了良好的长期合作关系。

1．应用概述
SIMOTION通信函数_xsend与_xreceive适合SIMOTION之间通过MPI－MPI接口、PROFIBUS-PROFIBUS间的数据交换，通信数据最大为200个字节，SIMOTION也可以通过调用通信函数_xsend与_xreceive实现与S7-300/400 PLC（在PLC中调用SFC65 X_SEND与SFC66 X-REV）MPI接口间的数据交换，由于受到PLC通信区的限制，最大通信数据为64个字节。

2．MPI与PROFIBUS网络介绍
MPI是S7-300/400，SIMOTION的编程接口，对通信数据及实时性要求不高的应用可以利用编程接口进行通信， MPI的通信速率为19.2K～12Mbit/s, 只有可以设置为PROFIBUS接口的MPI口才支持12M的通信速率，例如S7-300中CPU318-2DP及所有的S7-400CPU 、SIMOTION MPI口都可以设定为PROFIBUS接口，所以它们的MPI接口通信速率都可以设置为12M。MPI接口通信速率缺省设置为187.5Kbit/s，无中继情况下最大通信通讯距离为50米，通过中继器可以扩展网络长度，扩展的方式有两种，第一种，两个站点中间没有其它站，如图1

图1：MPI网络扩展

控制器站点到中继器最长为50米，两个中继器之间的距离为1000米，最多可以增加10个，所以两个站点之间的最长距离为9100米。
第二种，如果在两个中继器中间有MPI站点，那么每个中继器只能扩展50米，在组态时要考虑这两种连接方式。
MPI接口为RS485接口，连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻，如果用其它电缆和接头不能保证通信距离。在MPI网络上最多可以有32个站，中继器，WINCC站，操作面板OP/TP也要算一个站点。MPI的站号及通讯速率可以在STEP7或SCOUT硬件组态时修改，下载组态信息到CPU后，站号及通讯速率将改变。
PROFIBUS总线符合EIA RS485[8]标准，PROFIBUS RS485 的传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。传输介质可以是光缆或屏蔽双绞线，电气传输时，每一个RS485传输段为32个站点包括有源网络元件(RS485中间器，OLM等)，在总线的两端为终端电阻，结构如图2：

图2：PROFIBUS网络结构

西门子总线终端一般都配有终端电阻，PROFIBUS使用9针D型连接器，D型连接器插座连接总线站，D型连接器插头与总线电缆相连。总线终端和针脚定义如表1：

西门子6ES73172EK140AB0

表1 总线终端管脚定义

PROFIBUS总线的传输速率为9.6Kbit/s ～12Mbit/s，总线长度与传输速率相关，总的规律是传输速率越高总线长度越短，越容易受到电磁干扰，基于传输速率的最大网段长度参考表2：

表2 传输速率与通信长度

总线终端的电阻与PROFIBUS总线相匹配，并配有轴向电感以消除电容性负载而引起的导线反射，选择普通的屏蔽双绞线不能保证总线的段长度。
如果需要扩展总线的长度或者PROFIBUS从站数大于32个时，就要加入RS485中继器，例如，PROFIBUS的长度为500米，而波特率要求达到1.5MBIT/S，对照表2波特率为1.5MBIT/S使最大的长度为200米，要扩展到500米，就需要加入两个RS485中继器，拓扑图如图3所示：

图3：PROFIBUS网络扩展

西门子RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条PROFIBUS总线上最多可以安装9个RS485中继器，其它厂商的产品要查看其产品规范以确定安装个数。
一个PROFIBUS网段最多可有32个站点，如果一条PROFIBUS网上超过32个站点，也需要用RS485中继器隔开，例如一条PROFIBUS总线上有80个站点，那么就需要两个RS485中继器分成3个网段。RS485中继器是一个有源的网络元件，本身也要算一个站点。除了以上两个功能，RS485中继器的还可以使网段之间相互隔离。

3．网络设置
下面以SIMOTION D435与S7-300 PLC 通过MPI网络通信为例介绍通信函数_xsend与_xreceive的使用。首先打开SCOUT软件插入D435，点击D435使用右键进入硬件配置界面如图4所示：

图4：SIMOTION MPI接口设置

双击X136接口（只有X136接口可以设置为MPI接口），将该接口设置为MPI接口，选择MPI站地址，如图5所示：

图5： MPI接口参数配置

注意MPI站地址与通信方的站地址不能冲突，同样在STEP7中设置S7-300 PLC的站地址，本例中SIMOTION的MPI地址为2，PLC的站地址为4。

4．编程

4.1 SIMOTION侧编程
在D435中的“PROGRAM”中插入编程单元“LAD/FBD UNIT”，如MPI，在“UNIT”中插入程序如“SEND”和“RECEIVE”编写发送和接收程序如图6所示，也可以将通信程序编写在同一个程序中。

图6： SIMOTION 程序的创建

本例中在“SEND”程序中编写发送程序，在“RECEIVE”程序中编写接收程序，发送和接收函数可以在函数库中的位置如图7所示：

图7： 函数块的位置

? 调用_xsend函数
在程序SEND中调用_xsend函数发送数据，与PLC编写方式相似，将发送函数_xsend拖曳到LAD网络中，如图8所示：

图8： _xsend函数块

给所有的参数赋值，变量可以任意定义，如“COMMODE”变量，键入后选择变量类型如图9所示：

图9： 配置参数类型

数据类型自动定义，在变量类型中选择变量存储的类型，如全局变量或区域变量，如图9中变量类型只能在一个“UNIT”中使用，如果需要在其它“UNIT”或HMI中使用，将在“INTERFACE”中创建变量。
_xsend函数参数含义如下：

COMMUNICATIONMODE:
枚举数据类型，元素中包括“ABORT_CONNECTION ”和“HOLD_CONNECTION”，
“ABORT_CONNECTION ”：通信完成之后释放连接资源。
“HOLD_CONNECTION”：通信完成之后占用连接资源。
枚举类型变量的赋值可以使用MOVE指令，如图10所示：

图10： 参数赋值

ADDRESS:
结构体数据类型，结构体元素参考表3：

表3 _xsend函数ADRESS参数结构体数据

deviceId：指定使用的接口，1表示D435 X126接口，2表示D435 X136接口，本例中选择2。
remoteSubnetIdLength：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0，设置为0。

remoteStaddrLength：MPI、PROFIBUS通信设置为1。

nextStaddrLength：预留参数，MPI通信中无意义，，缺省为0，设置为0。

remoteSubnetId：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0。

remoteStaddr：数组类型，在remoteStaddr[0]中赋值通信方的MPI地址，其它元素无意义，本例中S7-300 MPI地址为4，可以使用MOVE（LAD）指令赋值。

nextStaddr：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0。

MESSAGEID:
UDINT数据类型，定义发送报文的标识符，本例中定义为6，在PLC接收块参数REQ_ID可以读出。
NEXTCOMMAND:
枚举数据类型，元素中包括“IMMEDIATELY ”和“WHEN_COMMAND_DONE”，
“IMMEDIATELY”：下一个命令同步执行。
“WHEN_COMMAND_DONE”：命令执行或失败后执行下一个命令，异步执行。
例子程序中使用“WHEN_COMMAND_DONE”。

COMMANDID:
COMMANDID数据类型，可以跟踪命令的状态。

DATA:
数组数据类型，发送数据缓存区，必须为200个字节。

DATALENGTH:
UDINT数据类型，发送数据的长度，本例中发送为10个字节。

OUT:
DINT数据类型，函数调用返回值，包含通信状态。

在程序receive中调用_xreceive函数接收数据，与PLC编写方式相似，将接收函数_xreceive拖曳到LAD网络中，如图11所示：

图11： _xreceive函数块

调用_xreceive函数
函数_xreceive的输入参数MESSAGEID、COMMANDID和NEXTCOMMAND与_xsend函数输入参数意义相同，发送与接收函数的参数MESSAGEID必须相同，本例中_xreceive输入参数定义的数据包标识符为8，与PLC发送块参数REQ_ID定义的标识符必须相同。
_xreceive函数的输出变量 “OUT”为结构体数据类型，元素参考表4：

表4 _xreceive函数OUT参数结构体数据

functionResult：
函数调用的返回值，可以判断接收状态，数据类型为 DINT。
dataLength：
接收数据的长度(字节数)，最大长度为200个字节，数据类型为 UDINT。
Data：
数据接收区,最大长度为200个字节，在编程中定义的接收区必须大于数据发送区，数据类型为数组。

通信参数赋值完成之后，将整个程序进行编译，如果需要在线监控通信程序，必须在编译程序之前进行配置，如图12所示，点击程序单元，本例中为“MPI”，右键进入属性界面，点击菜单“Compiler”选择“Permit program status”选项，这样经过编译之后，程序可以在线监控。

图12： 配置程序在线监控

通信程序编写和编译完成后，将程序放置到D435的执行系统中调用（程序只有被调用才能执行），如图13所示：

图13： 调用通信程序

本例中将通信程序放置于“BackgroundTask”运行（循环运行）。将整个项目编译后，联机下传通信程序。

4.2 PLC侧编程
调用发送程序块
PLC侧调用SFC65用于数据发送，发送程序参考图14程序：

图14： PLC中调用发送程序

SFC65的参考解释如下，
REQ：
发送请求，为1时发送。
CONT：
相当于SIMOTION发送函数_xsend 参数“COMMUNICATIONMODE”，为0时通信完成之后释放连接资源，为1时通信完成之后占用连接资源。
DEST_ID：
通信方的MPI地址，本例中SIMOTION的MPI地址为2。
REQ_ID：
相当于SIMOTION发送函数_xsend 参数“MESSAGEID”，定义发送报文的标识符，在接收块中除接收到数据外，本例中与函数_xreceive中参数MESSAGEID定义必须相同。
SD ：
发送区，以指针的格式，本例中将DB1中DBB0 以后10个字节作为发送区，最大为76个字节。
RET_VAL：
发送块返回值。
BUSY ：
为1时，端口占用，发送中止。
PLC侧调用发送块，在SIMOTION中需要调用函数_xreceive接收。

调用接收程序块
PLC侧调用SFC66用于接收数据，接收程序参考图15程序：

图15： PLC中调用接收程序

SFC65的参考解释如下，
EN_DT：
为1使能接收功能。
RET_VAL ：
接收块返回值。
REQ_ID：
接收数据包的标识符，本例中接收SIMOTION _xsend函数MESSAGEID参数定义的报文的标识符6。在SIMOTION中，接收、发送函数MESSAGEID参数为输
入参数，发送和接收的报文标识符必须提前定义，在PLC中发送块REQ_ID参数为输入参数，接收块REQ_ID参数为输出参数，识别接收数据包的标识符。
NDA ：
接收到新的数据包时产生脉冲信号。
RD：
接收区，本例中接收SIMOTION发送的10个字节，并将接收的数据存储于DB2中DBB0以后的10个字节中。
将PLC中的通信程序编译下传到PLC中，通信建立。

5．状态监控
在SCOUT联机状态中，点击程序单元如“MPI”，然后点击“Symbol browser”标签，可以监控“MPI”程序单元中定义的全局变量，如发送数据区、接收区等。如图16所示：

图16： 监控SIMOTION侧通信变量

在STEP7中打开变量监控表同样可以对数据发送区、接收区进行监控，如图17所示：

图17： 监控PLC侧通信变量

6．示例程序
示例程序参考文档附件程序，名称为Mpitest.rar。（示例程序使用STEP7 V5.4和SCOUT V4.0编写）