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上海晉營(yíng)自動(dòng)化科技有限公司
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西門子smart200控制器ST40常德卷煙廠位于美麗的湖南省常德市，是湖南煙草工業(yè)公司下屬分廠，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)：“芙蓉王”。由于“芙蓉王”品牌深得人心，市場(chǎng)需求逐年持續(xù)增長(zhǎng)，擴(kuò)大“芙蓉王”品牌產(chǎn)量成為了常德煙廠的頭等大事。2009年，一條新的、具有特色工藝的，年產(chǎn)量滿足120萬大箱的芙蓉王制絲專線建設(shè)成功。
芙蓉王專線是國(guó)內(nèi)采用分組加工和全配方兩種加工模式的*條專線。在芙蓉王制絲專線技術(shù)改造過程中，結(jié)合芙蓉王卷煙現(xiàn)行的“輕”、“穩(wěn)”、“精”、“細(xì)”加工理念，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)出了“單等級(jí)批量制葉”、“動(dòng)靜結(jié)合的人工選葉”、“定量箱式儲(chǔ)葉”、 “多通道、多級(jí)配比”等加工工藝方案，形成加工的特色工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量控制方式及特色卷煙產(chǎn)品，大大提升了芙蓉王專線的技術(shù)水平。
芙蓉王專線的高度落成，技術(shù)水平的*提升，圍繞芙蓉王專線的各種業(yè)務(wù)功能和業(yè)務(wù)流程都發(fā)展了*的變化。“單等級(jí)批量制葉”、“動(dòng)靜結(jié)合的物料移動(dòng)”、“定量箱式儲(chǔ)葉”、 “多通道、多級(jí)配比”等特色處理工藝催生了工藝路徑的柔性，產(chǎn)品配方的柔性，產(chǎn)能的柔性以及生產(chǎn)組織的柔性，特別是生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)組織，生產(chǎn)組織與生產(chǎn)執(zhí)行；生產(chǎn)執(zhí)行與生產(chǎn)控制，在保證特色工藝中產(chǎn)品的高品質(zhì)，滿足不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)需求。如何有效的、智能的、自動(dòng)的、高效的，協(xié)調(diào)好生產(chǎn)中的所有資源，實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)，成為了企業(yè)考慮的重點(diǎn)，芙蓉王專線MES也由此應(yīng)用而生。與此同時(shí)與GE建立了高技術(shù)、高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)同盟。
高度柔性化、自動(dòng)化的芙蓉王專線，為管理和控制提出了一系列的挑戰(zhàn)：如何一體化？如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能調(diào)度、如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的在線調(diào)度、如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的全面跟蹤、如何完成生產(chǎn)的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化？如何建立桌面生產(chǎn)平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)從原料到成品的追蹤鏈，當(dāng)發(fā)生質(zhì)量問題，能夠?qū)γ恳话鼰煻寄芸焖佟?zhǔn)確的找出其生產(chǎn)加工的每個(gè)環(huán)節(jié)，和每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，追蹤責(zé)任。GE智能平臺(tái) Proficy軟件解決方案通過其生產(chǎn)管理模塊給出了標(biāo)準(zhǔn)答案。
芙蓉王專線MES*由GE提供產(chǎn)品，實(shí)施，支持和服務(wù)完成的，整個(gè)MES系統(tǒng)實(shí)施過程中，以用戶實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，以一體化生產(chǎn)協(xié)調(diào)為目標(biāo)，并充分考慮了專線的特色工藝。完成了從配方、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備、物料、能源、時(shí)間、人員以及生產(chǎn)指令的的一體化整合，實(shí)現(xiàn)了從物料投料一直到產(chǎn)品成品的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)執(zhí)行追蹤、生產(chǎn)在線調(diào)度、生產(chǎn)物料移動(dòng)的控制的自動(dòng)化、信息化、智能化。并從總體架構(gòu)、硬件架構(gòu)和功能架構(gòu)以直觀的形式展示于用戶，并得到了用戶*的認(rèn)可。項(xiàng)目于2010年完成。
- 全局?jǐn)?shù)據(jù)：
“全局?jǐn)?shù)據(jù)通信”服務(wù)可以在聯(lián)網(wǎng)的 CPU 間周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 一個(gè) S7-300 CPU 可與多達(dá) 4 個(gè)數(shù)據(jù)包交換數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包含有 22 字節(jié)數(shù)據(jù)，可同時(shí)有 16 個(gè) CPU 參與數(shù)據(jù)交換（使用 STEP 7 V4.x）。
例如，可以允許一個(gè) CPU 訪問另一個(gè) CPU 的輸入/輸出。只可通過 MPI 接口進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。 - 內(nèi)部通信總線(C-bus)：
CPU 的 MPI 直接連接到 S7-300 的 C 總線。因此，可以通過 MPI 從編程器直接找到與 C 總線連接的 FM/CP 模塊的地址。 - 功能強(qiáng)大的通信技術(shù)：
- 多達(dá) 32 個(gè) MPI 節(jié)點(diǎn)。
- 使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通信的每個(gè) CPU 有多個(gè)通信接口。
- 使用編程器/PC、SIMATIC HMI 系統(tǒng)和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通信的每個(gè) CPU 有多個(gè)通信接口。
- 數(shù)據(jù)傳輸速率 187.5 kbit/s 或 12 Mbit/s
- 靈活的組態(tài)選項(xiàng)：
可靠的組件用于建立 MPI 通信： PROFIBUS 和“分布式 I/O”系列的總線電纜、總線連接器和 RS 485 中繼器。使用這些組件，可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的*化調(diào)整。例如，任意兩個(gè)MPI節(jié)點(diǎn)之間zui多可以開啟10個(gè)中繼器，以橋接更大的距離。 CPU-1511-1 PN 適用于中小型應(yīng)用
CPU-1513-1 PN 適用于大中型應(yīng)用
CPU-1516-3 PN/DP 適用于要求較高的大型應(yīng)用和其它通信任務(wù)
*處理單元 (CPU) 是 SIMATIC S7-1500 的核心組件。它們除了可以執(zhí)行用戶程序，還可用于連接控制器和其它自動(dòng)化組件。
*發(fā)布的產(chǎn)品中包含以下三種 CPU：
1.熱電偶的概述
1.1 熱電偶的工作原理
熱電偶和熱電阻一樣，都是用來測(cè)量溫度的。
熱電偶是將兩種不同金屬或合金金屬焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，利用溫差電勢(shì)原理來測(cè)量溫度的，當(dāng)熱電偶兩種金屬的兩端有溫度差，回路就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，溫差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大，利用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)這個(gè)原理來測(cè)量溫度。
結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1 熱電偶測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖注意：如上圖所示，熱電偶是有正負(fù)極性的，所以需要確保這些導(dǎo)線連接到正確的極性，否則將會(huì)造成明顯的測(cè)量誤差
為了保證熱電偶可靠、地工作，安裝要求如下：
① 組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；
③ 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶端的連接要方便可靠；
④ 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離；
⑤ 熱電偶對(duì)于外界的比較，因此安裝還需要考慮屏蔽的問題。1.2 熱電偶與熱電阻的區(qū)別
屬性 熱電阻 熱電偶 的性質(zhì) 電阻 電壓 測(cè)量范圍 低溫檢測(cè) 高溫檢測(cè) 材料 一種金屬材料（溫度變化的金屬材料） 雙金屬材料在（兩種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個(gè)不同金屬的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)差） 測(cè)量原理 電阻隨溫度變化的性質(zhì)來測(cè)量 基于熱電效應(yīng)來測(cè)量溫度 補(bǔ)償 3線制和4線制接線 內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償 電纜接點(diǎn)要求 電阻直接接入可以更的避免線路的的損耗 要通過補(bǔ)償導(dǎo)線直接接入到模板；或補(bǔ)償導(dǎo)線接到參比接點(diǎn)，然后用銅制導(dǎo)線接到模板 表1 熱電偶與熱電阻的比較
2. 熱電偶的類型和可用模板2.1熱電偶類型
根據(jù)使用材料的不同，分不同類型的熱電偶，以分度號(hào)區(qū)分，分度號(hào)代表溫度范圍，且代表每種分度號(hào)的熱電偶具體多少溫度輸出多少毫伏的電壓，熱電偶的分度號(hào)有主要有以下幾種。分度號(hào) 溫度范圍(℃) 兩種金屬材料 B型 0~1820 鉑銠—鉑銠 C型 0~2315 鎢3稀土—鎢26 稀土 E型 -270~1000 鎳鉻—銅鎳 J型 -210~1200 鐵—銅鎳 K型 -270~1372 鎳鉻—鎳硅 L型 -200~900 鐵—銅鎳 N型 -270~1300 鎳鉻硅—鎳硅 R型 -50~1769 鉑銠—鉑 S型 -50~1769 鉑銠—鉑 T型 -270~400 銅—銅鎳 U型 -270~600 銅—銅鎳 表2 分度號(hào)對(duì)照表
2.2可用的模板
CPU類型 模板類型 支持熱電偶類型 S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0（8點(diǎn)） E,J,K,L,N 6ES7 331-7KB02-0AB0（2點(diǎn)） E,J,K,L,N 6ES7 331-7PF11-0AB0（8點(diǎn)） B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0（8點(diǎn)） B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 431-7QH00-0AB0（16點(diǎn)） B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 431-7KF00-0AB0（8點(diǎn)） B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 表3 S7 300/400 支持熱電偶的模板及對(duì)應(yīng)熱電偶類型
3. 熱電偶的補(bǔ)償接線3.1 補(bǔ)償
熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求冷端的溫度保持不變，這樣產(chǎn)生的熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)冷端的溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以需要對(duì)冷端溫度變化造成的影響采取一定補(bǔ)償?shù)拇胧?br />由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到控制儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，成本可以用補(bǔ)償導(dǎo)線延伸冷端到溫度比較的控制室內(nèi)，但補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)要和熱電偶的導(dǎo)線材質(zhì)相同。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端到控制室的儀表端子上，它本身并不能冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正來補(bǔ)償冷端溫度變化造成的影響，補(bǔ)償見下表。溫度補(bǔ)償 說 明 接 線 內(nèi)部補(bǔ)償 使用模板的內(nèi)部溫度為參比接點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，再由模板進(jìn)行處理。 直接用補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶到模擬量模板輸入端。 外部補(bǔ)償 補(bǔ)償盒 使用補(bǔ)償盒采集并補(bǔ)償參比接點(diǎn)溫度，不需要模板進(jìn)行處理。 可以使用銅質(zhì)導(dǎo)線連接參比接點(diǎn)和模擬量模板輸入端。 熱電阻 使用熱電阻采集參比接點(diǎn)溫度，再由模板進(jìn)行處理。 如果參比接點(diǎn)溫度恒定可以不要熱電阻參考 表4 各類補(bǔ)償
3.2各補(bǔ)償接線
3.2.1內(nèi)部補(bǔ)償
內(nèi)部補(bǔ)償是在輸入模板的端子上建立參比接點(diǎn)，所以需要將熱電偶直接連接到模板的輸入端，或通過補(bǔ)償導(dǎo)線間接的連接到輸入端。每個(gè)通道組必須接相同類型的熱電偶，連接示意圖如下。CPU類型 支持內(nèi)部補(bǔ)償模板類型 可連接熱電偶個(gè)數(shù) S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 多8個(gè)（4種類型，同通道組必須相同） 6ES7 331-7KB02-0AB0 多2個(gè)（1種類型，同通道組必須相同） 6ES7 331-7PF11-0AB0 多8個(gè)（8種類型） S7-400 6ES7 431-7KF00-0AB0 多8個(gè)（8種類型） 表5 支持內(nèi)部補(bǔ)償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€(gè)數(shù)
圖2 內(nèi)部補(bǔ)償接線注1：模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接補(bǔ)償端COMP+(10)和Mana(11)，其它模板無。
3.2.2 外部補(bǔ)償—補(bǔ)償盒
補(bǔ)償盒是通過補(bǔ)償盒獲取熱電偶的參比接點(diǎn)的溫度，但補(bǔ)償盒必須安裝在熱電偶的參比接點(diǎn)處。
補(bǔ)償盒必須單獨(dú)供電，電源模塊必須具有充分的噪聲濾波功能，例如使用接地電纜屏蔽。
補(bǔ)償盒包含一個(gè)橋接電路，固定參比接點(diǎn)溫度標(biāo)定，如果實(shí)際溫度與補(bǔ)償溫度有偏差，橋接熱敏電阻會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生正的或者負(fù)的補(bǔ)償電壓疊加到測(cè)量電勢(shì)差上，從而達(dá)到補(bǔ)償調(diào)節(jié)的目的。
補(bǔ)償盒采用參比接點(diǎn)溫度為0℃的補(bǔ)償盒，*使用西門子帶集成電源裝置的補(bǔ)償盒，訂貨號(hào)如下表。*使用的補(bǔ)償盒 訂貨號(hào) 帶有集成電源裝置的參比端，用于導(dǎo)軌安裝 M72166-V V V V V 輔助電源 B1 230VAC 
B2 110VAC B3 24VAC B4 24VDC 連接到熱電偶 1 L型 2 J型 3 K型 4 S型 5 R型 6 U型 7 T型 參考溫度 00 0℃ 表6 西門子參比接點(diǎn)的補(bǔ)償盒訂貨數(shù)據(jù)
圖3 S7-300模板支持接線圖3 類型：熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接到參比接點(diǎn)，再用銅質(zhì)導(dǎo)線連接參比接點(diǎn)和模板的輸入端子構(gòu)成回路，同時(shí)由一個(gè)補(bǔ)償盒對(duì)模板連接的所有熱電偶進(jìn)行公共補(bǔ)償，補(bǔ)償盒的9，8端子連接到模板的補(bǔ)償端COMP+(10)和Mana(11)，所以模板的所有通道必須連接同類型的熱電偶。
圖4 S7-400模板支持接線圖4 類型：模板的各個(gè)通道單獨(dú)連接一個(gè)補(bǔ)償盒，補(bǔ)償盒通過熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線直接連接到模板的輸入端子構(gòu)成回路，所以模板的每個(gè)通道都可以使用模板支持類型的熱電偶，但是每個(gè)通道都需要補(bǔ)償盒。
CPU類型 支持外部補(bǔ)償盒補(bǔ)償模板類型 可連接熱電偶個(gè)數(shù) S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 多8個(gè)（同類型） 6ES7 331-7KB02-0AB0 多2個(gè)（同類型） S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 多8個(gè)（類型可不同） 6ES7 431-7QH00-0AB0 多16個(gè)（類型可不同） 表7 支持外部補(bǔ)償盒補(bǔ)償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€(gè)數(shù)