西门子IPC3000工业计算机

西门子IPC3000工业计算机  西门子IPC3000工业计算机

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1. 项目基本信息

Basic Project Information

       汽车总装物流自动化系统，系统中使用了西门子的CPU319F、ET200s、G120、Comfort Panel。升降机设备使用的变频器是西门子G120：CU250S-2PN （6SL3246-0BA22-1FA0），PM240  45kw （6SL3224-0BE33-7UA0）

下图为总装厂内饰线物流设备和系统网络结构图：

图1系统网络结构图

2. 问题描述

Problem description

        用户反映有以下几个问题：

        问题一：总装厂内饰4线的升降机有时会出带车身下降无法快速减速的现象，升降机会快速下滑，类似于失速，目前通过降低升降机的速度可以暂时使用。

        问题二：升降机下到位停止时，车盘抖动剧烈。

        升降机的功能是将车身从二层下放到一层（图2），升降机下降时，变频器高输出频率运行在50Hz，遇到减速开关时输出频率设为8Hz，遇到到位开关时，变频器给停车命令，同时抱闸将电机抱死。

        现场观察发现：经常出问题的升降机在空车盘运行时，不会出现用户描述的问题一现象，下降到位停止时，车盘上下晃动较大。当车盘带车身下降时，遇到减速开关不能快速减速到8Hz，车盘直接撞到硬限位开关，电机抱闸将电机抱死。在此过程中，变频器不报警。

图2 升降机设备

3. 问题分析

Problem Analysis

问题一：升降机不能快速减速，且变频器不报错

1) 升降机下放重物，电机工作在发电状态，变频器应禁用Vdmax控制器，启用能耗制动，利用变频器集成的制动单元和外部制动电阻消耗能量。检查变频器接线，尤其是制动电阻的接线是否正确。检查变频器参数设置P1240/P1280，是否禁用Vdmax控制器。检查P219制动功率设置是否正确。

2) 考虑制动电阻的制动功率是否合适。

3) 实际速度与设定速度不*时，变频器默认设置可以报A7903，且作为状态字Bit8通过通讯报文返回给PLC。需检查报警记录，并检查G120的Speed Message设置。

问题二：升降机下放到位停止时抖动

1) 考虑是否是变频器控制性能问题导致抖动。需要测试变频器从50Hz输出减速到0Hz输出（ON命令保持），观察升降机的稳定性。装置是否动态优化。

2) 考虑抱闸逻辑及机械影响。需要测试在变频器零速输出时，先抱闸再给停车命令。

4. 问题处理步骤

Problem Solving Steps

1）检查变频器接线和制动电阻接线，正确。变频器参数设置P1240=0、P1280=0，Vdmax控制器已经禁用。

2）变频器以50Hz设定值运行时，其运行曲线见图3。当速度设定值（红线）迅速下降时，编码器反馈的速度实际值（黄线）缓慢下降，直到碰到硬限位开关，电机抱闸抱紧，实际速度才变为0。图3中，设备在加速和减速转折点处的功率（浅蓝线）大，但在减速过程中一直被限制在-13.75kw左右，且减速转折点处的输出转矩（深黄线）只有-90Nm左右。

图3 闭环矢量控制 输出频率50Hz P1531=-13.75kw

采用矢量闭环控制方式时，其转矩输出除了受转矩上下限影响以外，还受电流限制值和功率限制值影响（图4）。检查P1530和P1531（图5），P1531=-13.75kw。因此可以判断：在下降过程中，变频器受功率限制值的影响，转矩输出被限制。

图4 转矩限制                                       图5功率限制

3）用户提到的在降低输出频率（40Hz）的情况下，不会出现速度减不下来的问题。图6为闭环矢量控制，设定频率为40Hz，P1531=-13.75kw时的运行曲线，功率（浅蓝线）仍被限制在-13.75kw左右，当设定速度（红线）下降时，实际速度（黄线）其实并不能很好的跟随减速，主要原因还是功率限制影响了转矩输出，但速度降低以后刚好输出转矩可以满足负载要求，因此速度再次受控，不会表现出明显的速度不受控现象。

图6闭环矢量控制 频率输出40Hz P1531=-13.75kw

4）图7为V/F控制方式下，输出频率50Hz，P1531=-13.75kw时的运行曲线。此时的功率（浅蓝线）不受P1531的限制，在减速转折点处功率达到-22kw左右，转矩输出（深黄线）达到-155Nm左右，因此，在闭环矢量控制时，应设置P219>22kw（P1531会自动设置为-P219）。

图7 V/F控制方式 输出频率50Hz P1531=-13.75kw

5）为电机做静态优化和带编码器的动态优化，由于升降机的驱动电机是一用一备，因此可以切换到备用电机上做动态优化，并将原来电机的编码器线安装到备用电机上，注意在Scout中设置P410=1，将编码器方向取反。做动态优化时，需要强制抱闸打开。优化完毕后将电机和编码器接线恢复，并设置P410=0，P219=25kw，参数上传保存，并copy RAM to ROM。图8为修改参数后变频器的运行曲线，在减速转折点附近的功率（浅蓝线）达到-20kw，转矩输出达到-150Nm左右。

图8 闭环矢量控制 输出频率50Hz P1531=-25kw

6）为了进一步确认P1531对闭环矢量控制下转矩输出的影响，设置P1531=-10kw（图9）。当设定频率为50Hz时，功率（浅蓝线）被限制在-10kw，转矩输出（深黄线）被限制在-62Nm左右，电机失速（实际速度大于大速度限制值1500rpm），报故障F7902，变频器OFF2停车，电机抱闸抱死。因此功率限制值P1530、P1531的设置限制了闭环矢量控制的转矩输出。

图9 闭环矢量控制 输出频率50Hz P1531=-10kw

7）在Scout中在线查看G120的Alarm History，当出现实际速度与设定速度相差很大的情况时，变频器报警A7903，但在变频器屏幕上没能及时看到此报警，因为出现的时间太短（小于1秒），但是报警点已经通过通讯报文状态字1的bit8返回给了PLC（图10），用户并没有使用此位参与控制抱闸。用户希望此报警直接变成故障输出。设置参数P2106=2197.7，利用此点激活外部故障1（F7860），变频器停止输出，电机抱闸抱死。图11为设置外部故障参数前变频器运行曲线，图12为设置外部故障后的运行曲线。

图10速度监控

图11实际速度（黄线）与设定速度（红线）差值大于P2163+P2164（150rpm+15rpm），超过P2166（200ms），抱闸无动作。

图11 设置P2106=2197.7之前

图12实际速度（黄线）与设定速度（红线）差值大于P2163+P2164（150rpm+15rpm），超过P2166（200ms），变频器停止输出，电机抱闸抱死。

图12 设置P2106=2197.7之后

8）升降机下降到位时，车盘上下抖动。首先，测试在变频器输出从50Hz减速到0Hz时的稳定性。当车盘遇到减速开关时，控制其直接减速到0Hz，On命令始终接通，图13为测试曲线，图中可以看出设定速度（红线）从高速减到0rpm时，实际速度（黄线）只在接近0rpm时经过了一个波谷（偏差<20rpm）就稳定在0rpm了，考虑到减速箱的减速比为1475/41，这个波动几乎无法察觉。变频器在0rpm时输出转矩（紫线）为110Nm左右，可以将车盘稳稳悬停。因此车盘抖动不是变频器闭环矢量控制参数的问题。

图13闭环矢量控制 0rpm输出测试

9）用户的抱闸是由PLC输出直接控制的，当变频器ON命令保持，0rpm输出时，强制抱闸输出抱紧电机时，车盘不晃动，说明抖动不是机械上的问题。需要用户查看抱闸控制逻辑，并注意抱闸动作所需时间。

10）检查用户关于变频器控制部分的程序FB101（图14）。当变频器既没有正转命令又没有反转命令时，PLC发给变频器的控制字为16#476，也就是说当车盘下降到位或上升到位时，变频器接收到的控制字为16#476（2#0000 0010 0111 0110），即PLC控制变频器OFF1停车(bit0）并脉冲封锁（bit3）。因此，在车盘下到位停止时，变频器得到脉冲封锁命令，变频没有转矩输出。变频器停止时速度设定值（红线）直接变为0，没有按P1121（2秒）斜坡下降，转矩输出（深黄线）直接变为0。车盘相当于自由停车，此时抱闸刚刚开始动作还没有抱紧，因此车盘下降速度（黄线）突然增大，而后抱闸抱紧，车盘停止，实际速度变为0rpm。

图14 PLC控制逻辑

图15抱闸曲线

用户需要修改此段程序，将停止命令改为16#47E，再根据抱闸动作所需时间，修改抱闸控制逻辑。

5. 处理结果

Final Result

问题一：升降机下降无法快速停车，且变频器不报错问题已经通过测试1-7找到根源并解决。问题关键点是：

1）P219参数设置，该参数直接影响P1531，设置P219=25kw（P1531=-25kw）。

2）矢量控制方式下，变频器需要静态优化和动态优化。

3）P2106=2197.7，实际速度与设定速度偏差过大时，激活外部故障1（F7860）。

问题二：车盘下降到位时上下抖动问题已经通过测试8-10找到，需要用户修改停车方式，理清抱闸逻辑。问题关键点是：

1）升降机正常停止时，PLC不能给变频器脉冲封锁命令，会直接导致变频器没有转矩输出，相当于自由停车，在抱闸*抱紧之前，车盘必然会下滑。

2）抱闸动作时间与OFF1停车命令的配合逻辑需要用户自己理清。用户反馈：将变频器停止命令修改为16#047E，并使用G120的brake control抱闸控制点（变频器通讯状态字1 bit12）控制抱闸动作，车盘到位时不再抖动。

S7-200支持的通信协议

表1. S7-200系统支持的通信协议略表

 S7-200 CPU上的通信口（Port0，Port1）可以工作在“自由口”模式下。 所谓自由口就是建立在RS-485半双工硬件基础上的串行通信功能，其字节传输格式为：一个起始位、7位或8位数据、一个可选的奇偶校验位、一个停止位。凡支持此格式的通信对象，一般都可以与S7-200通信。在自由口模式下，通信协议*由通信对象，或者用户决定。

网络通信

一些通信标准只支持一对一的通信方式；另一些支持网络通信。S7-200支持多种网络通信方式。

网络通信协议要比一对一的通信更为复杂。网络通信对网络中的设备也有一定的要求，通信设备能否*符合网络通信协议的要求会影响、制约实现整个网络通信的完整功能。考察这些网络通信协议的要求，对于项目的规划、设计、调试具有重要的意义。选用适当的设备可以有目的地利用网络通信要求的特点，做到经济合理。

 在用户的实际工作中，上述的制约更多地在使用了非西门子的第三方产品时出现。

 S7-200的特点就是支持网络通信。连接到S7-200编程口的设备都可以认为是连接到了S7-200通信网络上。一个典型的例子是安装了编程软件Micro/WIN的计算机，通过编程电缆与CPU通信口相连，这也可以认为是一个通信网络。

通信主站和从站

通信协议规定了通信设备在网络中的角色，可分为：

• 通信从站：从站不能主动发起通信数据交换，只能响应主站的访问，提供或接受数据。从站不能访问其他从站。在多数情况下，S7-200在通信网络中作为从站，响应主站设备的数据请求。
• 通信主站：可以主动发起数据通信，读写其他站点的数据。
  S7-200 CPU在读写其他S7-200 CPU数据时（使用PPI协议）就作为主站（PPI主站也能接受其他主站的数据访问）；S7-200通过附加扩展的通信模块也可以充当主站。

 安装编程软件Micro/WIN的计算机一定是通信主站；所有的HMI（人机操作界面）也是通信主站；与S7-200通信的S7-300/400往往也作为主站。

只有一个主站，其他通信设备都处于从站通信模式的网络就是单主站网络。单主站网络的例子有：

• 一个S7-200 CPU和Micro/WIN（编程计算机）的通信
• 一个S7-200 CPU和一个HMI（如TD200）的通信
• 多个CPU联网（但它们都处于PPI从站模式时），与Micro/WIN的通信
• 多个CPU联网，网络上只有一个HMI（如TP170B等）
• 一个CPU使用USS协议与一个或多个西门子驱动装置通信
• 一个Modbus RTU主站与从站的通信

一个通信网络中，如果有多个通信主站存在，就称为多主站网络。属于多主站网络的情况有：

• 一个S7-200 CPU连接一个HMI，同时需要Micro/WIN的编程通信
• S7-200 CPU联网，有CPU做PPI主站访问其他CPU的数据，同时需要Micro/WIN编程、监视
• CPU联网，有两个以上的CPU做PPI通信主站
• 一个S7-200 CPU连接多个HMI
• 联网的多个CPU，连接多个HMI
• 上述情况的组合

单主站和多主站网络的状态并不总是不变的。例如一个仅包括一个CPU和一个TD200的单主站网络，如果要与Micro/WIN进行编程通信，它就变成了多主站网络。

 并不是所有的设备都支持多主站网络通信！在多主站网络中，主站要轮流控制网络上的通信，这就要求它们有交换令牌的能力。不是所有的设备都有这个能力

 S7-200 CPU使用自由口通信模式时，既可以做主站，又可以做从站。如S7-200用USS协议控制西门子驱动装置时是主站；使用Modbus RTU从站指令库时它就是从站。这说明所谓主、从是由通信协议决定的，用户在编制通信协议时自己定义各通信设备在通信活动中的角色。

服务器和客户端

服务器（Server）与客户端（Client）的关系有些像从站与主站的关系。服务器总是等待客户端发起数据访问。这个概念常常在以太网通信中使用。

一个通信对象是服务器还是客户端取决于它们在通信活动中的具体作用。例如，CP243-1以太网模块既可以配置为服务器等待客户端来访问，也可以配置为客户端访问其他服务器。CP243-1作为服务器时，运行在计算机上的PC Access软件作为客户端通过CP243-1访问CPU的数据；而PC Access软件本身是OPC Server，OPC Client软件（如支持OPC的HMI软件）可以访问它。

 CP243-1/CP243-1 IT与S7-300/400的以太网模块一样，既可以做服务器，也可以做客户端；S7-200的OPC Server——PC Access与CP243-1连接时是客户端，同时对上位的监控软件是服务器。

PPI, MPI和PROFIBUS

PPI，MPI和PROFIBUS都是基于OSI（开放系统互联）的七层网络结构模型，符合欧洲标准EN50170所定义的PROFIBUS标准，基于令牌的的网络通信协议。这些协议是非同步的（串行的）基于字符的通信协议，字符格式包括一个起始位、8个数据位、一个偶校验位和一个停止位。其通信帧包括特定的起始和结束字符、源和目的站的地址、帧长度和数据校验和。

 在波特率*、各站地址不同的情况下，PPI，MPI和PROFIBUS可以同时在一个网络上运行，并且互不干扰。

这就是说如果一个网络上有S7-300、S7-200，S7-300之间可以通过MPI或PROFIBUS通信，而在同时在同一个网络上的TP170 micro触摸屏可以与一个S7-200 CPU通信。

CPU224 XP 高速I/O

S7-200 CPU支持6路高速数字量输入（CPU224/226）和两路高速数字量输出（用于PTO/PWM）。

新产品CPU224 XP高速输入中的两路支持更加高的速度。用作单相脉冲输入时，可以达到200KHz；用作双相90°正交脉冲输入时，速度可达100KHz。

CPU224 XP的两路高速数字量输出速率可以达到100KHz。

图1. CPU224 XP数字量接线

图中：

1. 高速输出点Q0.0和Q0.1与Q0.2 - Q0.4成组支持5 - 24VDC电压输出
2. 特高速输入点I0.3/I0.4/I0.5支持5 - 24VDC电压的源型或漏型输入；同组其他输入点电压可以仍然是24VDC，单要求两者的电源的公共端在1M处连接

CPU224 XP的高速数字量输入

除了其他高速输入端子外，CPU224 XP*的高速输入端子为I0.3、I0.4、I0.5。

具体位置如图1所示。

这些特高速输入端可用作高速计数器输入端，如表1所示：

表1. CPU224 XP高速输入端子与计数器分配

根据上表可以看出：

• 要达到单相200KHz高速脉冲输入，可以使用HSC4和HSC5，分别输入到I0.3、I0.4
• 要实现双相90°正交高速脉冲输入，可以使用HSC4；此时HSC5因为I0.4被HSC4占用而不能使用
• HSC4可以工作在模式0、1、3、4、6、7、9、10
• HSC5可以工作在模式0

 支持特高速输入的I0.3、I0.4、I0.5可以接受5 - 24VDC信号；它们既可以用于高速脉冲输入，也可以用于普通输入信号。它们与本组输入点（I0.0 - I0.7）一起，

CPU
6ES7211-0AA23-0B0 CPU221 DC/DC/DC,6输入/4输出
6ES7211-0BA23-0B0 CPU221 继电器输出,6输入/4输出
6ES7212-1AB23-0B8 CPU222 DC/DC/DC,8输入/6输出
6ES7212-1BB23-0B8 CPU222 继电器输出,8输入/6输出
6ES7214-1AD23-0B8 CPU224 DC/DC/DC,14输入/10输出
6ES7214-1BD23-0B8 CPU224 继电器输出,14输入/10输出
6ES7214-2AD23-0B8 CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO
6ES7214-2BD23-0B8 CPU224XP 继电器输出,14DI/10DO,2AI/1AO
6ES7216-2AD23-0B8 CPU226 DC/DC/DC,24输入/16输出
6ES7216-2BD23-0B8 CPU226 继电器输出,24输入/16输出
扩展模块
6ES7 221-1BH22-0A8 EM221 16入 24VDC，开关量
6ES7 221-1BF22-0A8 EM221 8入 24VDC，开关量
6ES7 221-1EF22-0A0 EM221 8入 120/230VAC，开关量
6ES7 222-1BF22-0A8 EM222 8出 24VDC，开关量
6ES7 222-1EF22-0A0 EM222 8出 120V/230VAC，0.5A 开关量
6ES7 222-1HF22-0A8 EM222 8出 继电器
6ES7 222-1BD22-0A0 EM222 4出 24VDC 固态－MOSFET
6ES7 222-1HD22-0A0 EM222 4出 继电器 干触点
6ES7 223-1BF22-0A8 EM223 4入/4出 24VDC，开关量
6ES7 223-1HF22-0A8 EM223 4入 24VDC/4出 继电器
6ES7 223-1BH22-0A8 EM223 8入/8出 24VDC，开关量
6ES7 223-1PH22-0A8 EM223 8入 24VDC/8出 继电器
6ES7 223-1BL22-0A8 EM223 16入/16出 24VDC，开关量
6ES7 223-1PL22-0A8 EM223 16入 24VDC/16出 继电器
6ES7 223-1BM22-0A8 EM223 32入/32出 24VDC，开关量
6ES7 223-1PM22-0A8 EM223 32入 24VDC/32出 继电器
6ES7 231-0HC22-0A8 EM231 4入*12位精度，模拟量
6ES7 231-7PB22-0A8 EM231 2入*热电阻，模拟量
6ES7 231-7PD22-0A8 EM231 4入*热电偶，模拟量
6ES7 232-0HB22-0A8 EM232 2出*12位精度，模拟量
6ES7 235-0KD22-0A8 EM235 4入/1出*12位精度，模拟量
6ES7 277-0AA22-0A0 EM277 PROFIBUS-DP接口模块
6GK7 243-2AX01-0A0 CP243-2 AS-i接口模块
6ES7 253-1AA22-0A0 EM253 位控模块
6ES7 241-1AA22-0A0 EM241 调制解调器模块
6GK7 243-1EX00-0E0 CP243-1工业以太网模块 
6GK7 243-1GX00-0E0 CP243-1IT 工业以太网模块
附件
6ES7 291-8GF23-0A0 MC291,新CPU22x存储器盒,64K
6ES7 291-8GH23-0A0 MC291,新CPU22x存储器盒,256KB
6ES7 297-1AA23-0A0 CC292,CPU22x时钟/日期电池盒
6ES7 291-8BA20-0A0 BC293,CPU22x电池盒
6ES7 290-6AA20-0A0 扩展电缆,I/O扩展,0.8米,CPU22x/EM
6ES7 901-3CB30-0A0 编程/通讯电缆,PC/PPI,带光电隔离,5-开关,5m
6ES7 901-3DB30-0A0 编程/通讯电缆,PC/PPI,带光电隔离,USB接口，5-开关
6ES7 292-1AD20-0AA0 CPU22x/EM端子连接器块,7个端子,可拆卸
6ES7 292-1AE20-0AA0 CPU22x/EM端子连接器块,12个端子,可拆卸
6ES7 292-1AG20-0AA0 CPU22x/EM连接器块,18个端子,可拆卸
6AV6 640-0AA00-0AX0 TD400C文本显示器
6ES7272-0AA30-0YA1      TD200文本显示器
6EP1 332-1SH31 专为S7－200 设计电源,24V/3.5A 可并联5个
6EP1332-1LA00   PS207电源 输入100-240VC（85-264VAC/110-300VDC),输出：24VDC、2.5A
6EP1332-1LA10 PS207电源 输出：24VDC、4.0A
6ES7 231-7PF22-0A0 EM231 8路输入热电偶
6ES7 231-0HF22-0A0 EM231模拟量输入模块，8输入
6ES7 231-7PC22-0A0 EM231 4路输入热电阻
6ES7 232-0HD22-0A0 EM232模拟拟量输出模块，4输出
 

2017年5月，次接触西门子。听起来好笑，随便叫个人也会S7-200是吧。以前只是大概知道，从来没用过西门子产品，仿西门子的国内产品倒是摆弄过一次。因为给美国人做产品，所以一直用AB的PLC。结果去年开始要进军欧洲，欧洲客户的反映是他们习惯用西门子的产品。只好还是学了。

次就是从 S7-1200 + TP1200 Comfort开始的。从淘宝买来东西，接好线，开始学习，翻写之前的各种程序，研究西门子的*用法，还算顺利。零零散散用了3个月时间，个入门阶段算是过去了，工作的各种应用，都能实现了。有不少地方，因为博途的特点，学了一些新的考虑方式。我向来对HMI动画效果是隔外重视的，绝不屈就。所以又自学了用CorelDrawX7制作矢量图片。有了这个就不用受到Wincc的局限了。PLC和HMI的各种存储卡买了，也都玩一遍。

期间发现，西门子支持中心的应用范例，特别好，不仅可以学习如何具体应用，尤其西门子程序员的手法风格颇有启发。手册帮助这些东西是必看的，但都是比较基础的东西。

去年底偶然大家提起，以后有可能用伺服电机在我们的产品中，以前我没用过伺服。只好继续学习，选择了V90，看了一些手册和范例之后，在淘宝订货。

伺服驱动器和电缆先到的，伺服电机和滤波器还得等两月。我对屏蔽和接地的事情有点担忧，卧室里没有地线，就买了一捆6平方地线，从门口总闸盒跑两路地线到卧室。

卖我电缆的公司提供的电机动力电缆都是国内自己组装的，没有屏蔽层，只好买编织屏蔽套给电缆套上。编码器电缆还好是原装产品有屏蔽。手头的网线都是普通的，就买来屏蔽6类网线和屏蔽水晶头，还有电源线都要是屏蔽的。还有双面导电的铜箔胶带。一样一样买吧，各种都得尝试。我是打算把手册中提到的和我知道的所有屏蔽和接地手段全都动手做一遍

看了EPOS的简单应用，还好不难。就等着电机来货上手调试了。

-------------------------------2018-02-07-----------------------------

在淘宝上买了个示波器，想看看EMI。

关于花钱的问题。只要行动，事情就简单了，花多了也就习惯了。而且这些器件都不白瞎，如果需要，都可以在工程用上。每个人都会受限于自己的资源平台约束。花钱提高效率，可以节约不少岁月的浪费，减少犹豫不决。随着年纪和经历的变化，如果自己不要求着，很多可能也就擦肩而过了。所以这些体现在琐碎细节中的日积月累的选择，造成的差别其实蛮大的。

----------------------------2018-04-09-----------------------------

 今天供货商总算通知我伺服电机到货了，刚结了尾款。整整11个星期，德国订货，尼玛，都靠干了。一个星期后去美国，一去就是两个月，等回来再继续折腾了。订的是值编码器的小功率伺服电机，无抱闸，带键。还有个滤波器。

接好线，打开24DCV和220ACV电源，启动有一小会儿。打开V-Assistant，编码器自动识别，使能，点动正反转。还行，转得挺顺溜。集中看资料是2个月前了，还得重新看一遍。好在EPOS的控制界面并不复杂，编程不是大问题。至于电机本身的工艺应用，这个应该需要很多时间磨合，很多参数，各种负载情形，要用到得心应手，这才刚刚开始。