西門子6ES73172EK140AB0
面臨挑戰
在激烈競爭的造紙行業，企業為了降低成本和獲得更多利潤，必須要進行規模化的、連續的生產。隨著造紙機械工藝的不斷改進，紙機向寬幅、高速化方向發展已成為趨勢，因此，對紙機傳動系統的性能也提出了更高的要求。傳動控制系統性能的好壞是決定一臺造紙機能否高效率、高質量進行連續生產的前提。傳動控制系統要求在運行期間保持速度恒定、負荷均衡，以**紙張品質的一致。除了對于系統穩定性好和可靠性高的要求之外，對于大型紙機來說，在發生故障時供貨商的及時響應、日常維護簡單、維護成本低、備件充分等，也顯得非常重要。一家優秀的供應商不僅僅是提供**的技術和產品，更是需要想客戶之所需，而西門子憑借其在造紙行業眾多大型項目的經驗積累，能夠為中國客戶量身定制基于全生命周期的紙機電氣傳動控制系統的全集成解決方案，這也是西門子能在強大的競爭對手中脫穎而出，獲得APP認可的原因。
西門子傳動解決方案
西門子將為寧波亞洲漿紙業4號紙機和兩臺復卷機提供包括214臺電機、220個逆變器、整流單元、整理回饋單元、自動化控制站以及變壓器等產品，采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7過程控制系統和SI**ER傳動系統的全集成傳動解決方案，并將負責所供設備的安裝指導和調試。
傳動系統
造紙機傳動控制是一個控制點多、結構非常龐大的系統。需要控制的部件包括飾面輥、真空伏輥、驅網輥、導網輥、真空反壓輥、光壓輥、烘缸、卷紙機、勻漿輥、唇板、損紙攪拌器、張緊器、沖水管、輸油泵、刮刀和副臂等。由于造紙機生產過程是由網部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續復雜過程組成的多變量、多參數系統，影響傳動系統的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓等，還需考慮負載的不確定性，多電機間性能的不匹配，多電機之間存在藕合等情況。因此，造紙機的傳動控制要求系統能夠實現速度鏈控制和負荷分配控制。例如網部真空伏輥、驅動輥、*一導網輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時要求負載均衡，否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這個傳動組合中的各自傳動點之間實施負荷分配自動控制功能。
現代化的生產需要以較低的成本輸出更大的生產率，西門子的較新一代高性能驅動產品SINAMIC S S120變頻器可以幫助企業實現目標。它易于組態，有助于縮短項目完工時間；出色的動態響應和精度允許較大生產率的更高循環速率。同時，S120是集V/F控制、 矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動器，具有模塊化的設計。所有 SINAMICS S120 部件（包括電機和編碼器）均通過一個被稱為 DRIVE-CLiQ 的串行連接接口進行相互連接。采用標準化電纜和連接器，降低了不同部件的種類，并削減了庫存成本。與其他同類產品相比，S120變頻器具有如下優勢：
? 采用較新一代的傳動技術，功能更強大，更高效節能；
? 結構緊湊，大大減小了電柜數量，減少了成本；
? 標準化設計，模塊化設計，更易于替換和維護；
? 計算機輔助設計并優化的的柜內散熱布置；
? 同級產品較小噪音，較低發熱量，降低空調設計投入；
? 傳動精度高、響應速度快，**紙幅平穩運行。傳動系統圖
控制系統
紙機控制系統采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7過程控制系統，配以具有較高的處理速度、強大的通訊性能和**的CPU資源裕量的SIMATIC S7-400作為中央控制單元。利用PROFIBUS-DP現場總線協議通信格式實現PLC與變頻器的通信功能，提高系統抗干擾的能力并減少接線；采用穩定可靠、帶有PROFIBUS-DP接口的OP277操作屏進行現場操作，可以直接接入DP網絡中。
系統配置圖
SI**ER傳動解決方案
為滿足造紙行業對于可用性高、能源效率高、操作和維護簡便以及投資安全**的要求，西門子為客戶量身定制了SI**ER傳動解決方案。它采用了針對系統攝動優化的能源效率系統設計，減少不必要的能源消耗。在紙機高速運轉時需要避免紙張斷裂，SI**ER方案通過優化級聯控制和加速受控的起動技術，可以有效減少斷紙的發生，提高產能。由于采用統一的傳動系統、電源和處理電路技術，有助于減少生產關停情況。
SI**ER傳動系統解決方案是基于模塊化和服務友好的圖形用戶界面軟件架構。它能與西門子的其他自動化解決方案——SI**ER CIS DCS（分布式控制系統）、SI**ER CIS的QCS（質量控制系統）和SI**ER CIS電源系統（能源供應），實現完美融合。所有驅動器的功能都具有可擴展性，為日后的修改和擴展提供便捷。具有強大的在線幫助功能，為工程系統、操作和監控系統提供有力的支持。SI**ER傳動解決方案軟件標準，包括設定值級聯、負荷分配調節器、紙幅自動接頭、端部張緊、波動很小。
項目總結
作為制漿與造紙業解決方案、系統、產品和服務的**提供商，西門子通過全面優化的產品組合及符合成本效益的解決方案，為造紙業客戶帶來成功。*有的全集成自動化理念，使得西門子能為客戶提供造紙廠生產全周期的解決方案。西門子制漿造紙部中國團隊基于對客戶的深入溝通和了解，為其提供定制化的產品和服務，為客戶提高產能、降低能耗和維護成本提供了強大的支持。對于客戶棘手的維護難問題，西門子提供了故障及時響應服務，并提供備件共享，在*一時間提供故障分析報告，盡較大努力縮短延誤工期。正是基于**技術理念和對本地化服務的重視，西門子與客戶建立了良好的長期合作關系。
1．應用概述
SIMOTION通信函數_xsend與_xreceive適合SIMOTION之間通過MPI－MPI接口、PROFIBUS-PROFIBUS間的數據交換，通信數據較大為200個字節，SIMOTION也可以通過調用通信函數_xsend與_xreceive實現與S7-300/400 PLC（在PLC中調用SFC65 X_SEND與SFC66 X-REV）MPI接口間的數據交換，由于受到PLC通信區的限制，較大通信數據為64個字節。
2．MPI與PROFIBUS網絡介紹
MPI是S7-300/400，SIMOTION的編程接口，對通信數據及實時性要求不高的應用可以利用編程接口進行通信， MPI的通信速率為19.2K～12Mbit/s, 只有可以設置為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口都可以設定為PROFIBUS接口，所以它們的MPI接口通信速率都可以設置為12M。MPI接口通信速率缺省設置為187.5Kbit/s，無中繼情況下較大通信通訊距離為50米，通過中繼器可以擴展網絡長度，擴展的方式有兩種，*一種，兩個站點中間沒有其它站，如圖1
圖1：MPI網絡擴展控制器站點到中繼器較長為50米，兩個中繼器之間的距離為1000米，較多可以增加10個，所以兩個站點之間的較長距離為9100米。
*二種，如果在兩個中繼器中間有MPI站點，那么每個中繼器只能擴展50米，在組態時要考慮這兩種連接方式。
MPI接口為RS485接口，連接電纜為PROFIBUS電纜（屏蔽雙絞線），接頭為PROFIBUS接頭并帶有終端電阻，如果用其它電纜和接頭不能**通信距離。在MPI網絡上較多可以有32個站，中繼器，WINCC站，操作面板OP/TP也要算一個站點。MPI的站號及通訊速率可以在STEP7或SCOUT硬件組態時修改，下載組態信息到CPU后，站號及通訊速率將改變。
PROFIBUS總線符合EIA RS485[8]標準，PROFIBUS RS485 的傳輸程序是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎的。傳輸介質可以是光纜或屏蔽雙絞線，電氣傳輸時，每一個RS485傳輸段為32個站點包括有源網絡元件(RS485中間器，OLM等)，在總線的兩端為終端電阻，結構如圖2：
圖2：PROFIBUS網絡結構西門子總線終端一般都配有終端電阻，PROFIBUS使用9針D型連接器，D型連接器插座連接總線站，D型連接器插頭與總線電纜相連。總線終端和針腳定義如表1：
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表1 總線終端管腳定義
針腳號 信號名稱 設計含義 1 SHIELD 屏蔽或功能地 2 M24 24V輸出電壓地（輔助電源） 3 RXD/TXD-P 接收和發送數據－正 B線 4 CNTR-P 方向控制信號P 5 DGND 數據基準電位（地） 6 VP 供電電壓－正 7 P24 正24V輸出電壓（輔助電源） 8 RXD/TXD-N 接收和發送數據－負 A線 9 CNTR-N 方向控制信號N PROFIBUS總線的傳輸速率為9.6Kbit/s ～12Mbit/s，總線長度與傳輸速率相關，總的規律是傳輸速率越高總線長度越短，越容易受到電磁干擾，基于傳輸速率的較大網段長度參考表2：
表2 傳輸速率與通信長度
波特率（K Bit/s） 9.6～187.5 500 1500 3000～12000 總線長度（米） 1000 400 200 100 總線終端的電阻與PROFIBUS總線相匹配，并配有軸向電感以消除電容性負載而引起的導線反射，選擇普通的屏蔽雙絞線不能**總線的段長度。
如果需要擴展總線的長度或者PROFIBUS從站數大于32個時，就要加入RS485中繼器，例如，PROFIBUS的長度為500米，而波特率要求達到1.5MBIT/S，對照表2波特率為1.5MBIT/S使較大的長度為200米，要擴展到500米，就需要加入兩個RS485中繼器，拓撲圖如圖3所示：
圖3：PROFIBUS網絡擴展西門子RS485中繼器具有信號放大和再生功能，在一條PROFIBUS總線上較多可以安裝9個RS485中繼器，其它廠商的產品要查看其產品規范以確定安裝個數。
一個PROFIBUS網段較多可有32個站點，如果一條PROFIBUS網上**過32個站點，也需要用RS485中繼器隔開，例如一條PROFIBUS總線上有80個站點，那么就需要兩個RS485中繼器分成3個網段。RS485中繼器是一個有源的網絡元件，本身也要算一個站點。除了以上兩個功能，RS485中繼器的還可以使網段之間相互隔離。
3．網絡設置
下面以SIMOTION D435與S7-300 PLC 通過MPI網絡通信為例介紹通信函數_xsend與_xreceive的使用。首先打開SCOUT軟件插入D435，點擊D435使用右鍵進入硬件配置界面如圖4所示：
圖4：SIMOTION MPI接口設置雙擊X136接口（只有X136接口可以設置為MPI接口），將該接口設置為MPI接口，選擇MPI站地址，如圖5所示：
圖5： MPI接口參數配置注意MPI站地址與通信方的站地址不能沖突，同樣在STEP7中設置S7-300 PLC的站地址，本例中SIMOTION的MPI地址為2，PLC的站地址為4。
4．編程4.1 SIMOTION側編程
在D435中的“PROGRAM”中插入編程單元“LAD/FBD UNIT”，如MPI，在“UNIT”中插入程序如“SEND”和“RECEIVE”編寫發送和接收程序如圖6所示，也可以將通信程序編寫在同一個程序中。
圖6： SIMOTION 程序的創建本例中在“SEND”程序中編寫發送程序，在“RECEIVE”程序中編寫接收程序，發送和接收函數可以在函數庫中的位置如圖7所示：
圖7： 函數塊的位置? 調用_xsend函數
在程序SEND中調用_xsend函數發送數據，與PLC編寫方式相似，將發送函數_xsend拖曳到LAD網絡中，如圖8所示：
圖8： _xsend函數塊給所有的參數賦值，變量可以任意定義，如“COMMODE”變量，鍵入后選擇變量類型如圖9所示：
圖9： 配置參數類型數據類型自動定義，在變量類型中選擇變量存儲的類型，如全局變量或區域變量，如圖9中變量類型只能在一個“UNIT”中使用，如果需要在其它“UNIT”或HMI中使用，將在“INTERFACE”中創建變量。
_xsend函數參數含義如下：COMMUNICATIONMODE:
枚舉數據類型，元素中包括“ABORT_CONNECTION ”和“HOLD_CONNECTION”，
“ABORT_CONNECTION ”：通信完成之后釋放連接資源。
“HOLD_CONNECTION”：通信完成之后占用連接資源。
枚舉類型變量的賦值可以使用MOVE指令，如圖10所示：
圖10： 參數賦值ADDRESS:
結構體數據類型，結構體元素參考表3：表3 _xsend函數ADRESS參數結構體數據
結構體元素 名稱 數據類型 單元 deviceId 元素 ID USINT - remoteSubnetIdLength 通信方subnet ID占用字節的長度 USINT - remoteStaddrLength 通信方站地址占用字節的長度 USINT - nextStaddrLength 路由器占用字節的長度 USINT - remoteSubnetId 通信方subnet ID ARRAY [0..5] OF USINT - remoteStaddr 通信方站地址 ARRAY [0..5] OF USINT - nextStaddr 路由器地址 ARRAY [0..5] OF USINT - deviceId：*使用的接口，1表示D435 X126接口，2表示D435 X136接口，本例中選擇2。
remoteSubnetIdLength：預留參數，MPI通信中無意義，缺省為0，設置為0。remoteStaddrLength：MPI、PROFIBUS通信設置為1。
nextStaddrLength：預留參數，MPI通信中無意義，，缺省為0，設置為0。
remoteSubnetId：預留參數，MPI通信中無意義，缺省為0。
remoteStaddr：數組類型，在remoteStaddr[0]中賦值通信方的MPI地址，其它元素無意義，本例中S7-300 MPI地址為4，可以使用MOVE（LAD）指令賦值。
nextStaddr：預留參數，MPI通信中無意義，缺省為0。
MESSAGEID:
UDINT數據類型，定義發送報文的標識符，本例中定義為6，在PLC接收塊參數REQ_ID可以讀出。
NEXTCOMMAND:
枚舉數據類型，元素中包括“IMMEDIATELY ”和“WHEN_COMMAND_DONE”，
“IMMEDIATELY”：下一個命令同步執行。
“WHEN_COMMAND_DONE”：命令執行或失敗后執行下一個命令，異步執行。
例子程序中使用“WHEN_COMMAND_DONE”。COMMANDID:
COMMANDID數據類型，可以跟蹤命令的狀態。DATA:
數組數據類型，發送數據緩存區，必須為200個字節。DATALENGTH:
UDINT數據類型，發送數據的長度，本例中發送為10個字節。OUT:
DINT數據類型，函數調用返回值，包含通信狀態。在程序receive中調用_xreceive函數接收數據，與PLC編寫方式相似，將接收函數_xreceive拖曳到LAD網絡中，如圖11所示：
圖11： _xreceive函數塊調用_xreceive函數
函數_xreceive的輸入參數MESSAGEID、COMMANDID和NEXTCOMMAND與_xsend函數輸入參數意義相同，發送與接收函數的參數MESSAGEID必須相同，本例中_xreceive輸入參數定義的數據包標識符為8，與PLC發送塊參數REQ_ID定義的標識符必須相同。
_xreceive函數的輸出變量 “OUT”為結構體數據類型，元素參考表4：表4 _xreceive函數OUT參數結構體數據
結構體元素 名稱 數據類型 單元 functionResult 函數調用的返回值 DINT - dataLength 接收數據的長度(字節數) UDINT - data 接收數據區 ARRAY [0..199] OF BYTE - functionResult：
函數調用的返回值，可以判斷接收狀態，數據類型為 DINT。
dataLength：
接收數據的長度(字節數)，較大長度為200個字節，數據類型為 UDINT。
Data：
數據接收區,較大長度為200個字節，在編程中定義的接收區必須大于數據發送區，數據類型為數組。通信參數賦值完成之后，將整個程序進行編譯，如果需要在線監控通信程序，必須在編譯程序之前進行配置，如圖12所示，點擊程序單元，本例中為“MPI”，右鍵進入屬性界面，點擊菜單“Compiler”選擇“Permit program status”選項，這樣經過編譯之后，程序可以在線監控。
圖12： 配置程序在線監控通信程序編寫和編譯完成后，將程序放置到D435的執行系統中調用（程序只有被調用才能執行），如圖13所示：
圖13： 調用通信程序本例中將通信程序放置于“BackgroundTask”運行（循環運行）。將整個項目編譯后，聯機下傳通信程序。
4.2 PLC側編程
調用發送程序塊
PLC側調用SFC65用于數據發送，發送程序參考圖14程序：
圖14： PLC中調用發送程序SFC65的參考解釋如下，
REQ：
發送請求，為1時發送。
CONT：
相當于SIMOTION發送函數_xsend 參數“COMMUNICATIONMODE”，為0時通信完成之后釋放連接資源，為1時通信完成之后占用連接資源。
DEST_ID：
通信方的MPI地址，本例中SIMOTION的MPI地址為2。
REQ_ID：
相當于SIMOTION發送函數_xsend 參數“MESSAGEID”，定義發送報文的標識符，在接收塊中除接收到數據外，本例中與函數_xreceive中參數MESSAGEID定義必須相同。
SD ：
發送區，以指針的格式，本例中將DB1中DBB0 以后10個字節作為發送區，較大為76個字節。
RET_VAL：
發送塊返回值。
BUSY ：
為1時，端口占用，發送中止。
PLC側調用發送塊，在SIMOTION中需要調用函數_xreceive接收。調用接收程序塊
PLC側調用SFC66用于接收數據，接收程序參考圖15程序：
圖15： PLC中調用接收程序SFC65的參考解釋如下，
EN_DT：
為1使能接收功能。
RET_VAL ：
接收塊返回值。
REQ_ID：
接收數據包的標識符，本例中接收SIMOTION _xsend函數MESSAGEID參數定義的報文的標識符6。在SIMOTION中，接收、發送函數MESSAGEID參數為輸
入參數，發送和接收的報文標識符必須提前定義，在PLC中發送塊REQ_ID參數為輸入參數，接收塊REQ_ID參數為輸出參數，識別接收數據包的標識符。
NDA ：
接收到新的數據包時產生脈沖信號。
RD：
接收區，本例中接收SIMOTION發送的10個字節，并將接收的數據存儲于DB2中DBB0以后的10個字節中。
將PLC中的通信程序編譯下傳到PLC中，通信建立。
5．狀態監控
在SCOUT聯機狀態中，點擊程序單元如“MPI”，然后點擊“Symbol browser”標簽，可以監控“MPI”程序單元中定義的全局變量，如發送數據區、接收區等。如圖16所示：
圖16： 監控SIMOTION側通信變量在STEP7中打開變量監控表同樣可以對數據發送區、接收區進行監控，如圖17所示：
圖17： 監控PLC側通信變量6．示例程序
西門子6ES73172EK140AB0
示例程序參考文檔附件程序，名稱為Mpitest.rar。（示例程序使用STEP7 V5.4和SCOUT V4.0編寫）
上海朕鋅電氣設備有限公司是專業從事西門子工業自動化產品銷售和系統集成的高新 技術企業。在西門子工控領域，公司以精益求精的經營理念，從產品、方案到服務，致 力于塑造一個“行業*”品牌，以實現可持續的發展。
“信譽*一，客戶至上”是公司成立之初所確立的宗旨，在公司**的嚴格要求和員工們不折不扣地貫徹執行下發展延續至今。“假一罰十”一直是我公司的主動承諾。
面對紛繁變化的市場和日益嚴峻的競爭，客戶的需求和利益始終被我們放在工作的**。我們想客戶之所想，急客戶之所急。針對各行業客戶的不同需求，我們盡心盡力地為客戶需要解決的難題提供精準的解決方案，竭盡全力將服務落到實處、做到較好。在協助客戶解決難題、實現突破的基礎上，獲得雙贏！
我公司一直致力于推廣西門子**自動化系統和驅動產品，所經營產品范圍：LOGO!通用模塊、SIMATIC S7全系列可編程控制器、PCS7 控制系統、WINCC組態軟件、STEP 7編程軟件和博圖軟件； 觸摸屏、工控機、網絡交換機、開關電源；6RA70/80系列直流調速裝置，MM4、V20、G120、G130、G150、S120等全系列變頻器；V90伺服產品，數控系統等工業自動化與驅動技術全系列產品。公司所備各類產品齊全，貨量充足，常年備貨量在1億元以上，能夠滿足客戶對現貨的需求，**工程進度。
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