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1、 基于PLC的纯水处理系统 摘 要本文初步阐述了超纯水生产工艺现状、发展情况和本项目基本情况；重点阐述了超纯水处理PLC自动控制系统设计。纯水处理部分包括前处理、制备、抛光及回收系统四个部分。在本控制系统中的，我对分布式输入/输出接口，CPU选型和冗余系统选择进行设计，本系统选择了ET200M分布式I/O，它能实现分布广的系统连接，能非常严酷的环境下使用；机架选择UR2-H型，该机架用于在一个机架上配置完整的S7-400冗余系统；S7-417-4H的CPU功能强大，系统连接和冗余连接方便。软件系统设计部分，为简要说明，对PLC常用组态软件的介绍，本文为西门子公司的STEP 7；文中涉及STEP
2、 7的应用范围，软件组态设计中所需要的设置的介绍。关键词：超纯水，PLC，西门子，控制系统ABSTRACTIn this paper, the initial production process of ultra-pure water the status quo, development and the basic situation of the project; Ultrapure water treatment focuses on the design of automatic control system PLC.ultra-pure water includes pre-pro
3、cessing, preparation, polishing and recycling system in four parts. In this control system, I have distributed input / output interface, CPU selection and selection of redundant system design, the system chosen ET200M Distributed I / O, it can achieve wide distribution system, to a very harsh the us
4、e of the environment; UR2-H rack-type choice, the rack used in a rack configuration complete redundancy of the S7-400 system; S7-417-4H powerful the CPU, system connectivity and redundant connections to facilitate .Part of the software system design, for a brief description of the PLC configuration
5、software commonly used to introduce in this paper for the Siemens STEP 7; text relating to the scope of application of STEP 7, the design of the software configuration settings required for introduction.Keywords：Ultra-pure water, PLC, Siemens, controlsystemI目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引言11.1 背景11.2课题来源及其研究
6、内容21.3国内外超纯水处理现状3第2章 超纯水及处理系统流程42.1超纯水定义42.2超纯水功能42.3超纯水制造流程42.4系统电气器件72.4.1本系统涉及用电设备72.4.2 西门子MM430变频器82.5系统网络及硬件92.5.1 PLC基本概念112.5.2 现场总线152.5.3 SIMATICET200分布式I/O19第3章 PLC控制设计213.1系统概述213.2 超纯水处理系统控制结构213.3系统控制硬件设计223.3.1硬件设计依据223.3.2 CPU及I/O模块选型依据223.4 系统I/O数目293.5 硬件系统配置343.6 控制系统结构353.6.1基本控制
7、架构概述353.6.2 冗余系统373.6.3 工业以太网39第4章 系统软件设计414.1 系统软件设计概述414.1.1软件需求分析414.1.2软件设计424.2 STEP 7434.2.1 STEP7 概述434.2.2 STEP7硬件组态与参数设计444.3上位机软件45第5章 结论与展望465.1结论465.2展望46致谢47参考文献48 四川理工学院本科毕业设计（论文）第1章 引言1.1 背景晶圆厂即超大规模集成电路厂。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅芯片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。在硅芯片上可加工制作成各种电路组件结构,而成为有特定电性功能的IC产品1。晶圆及芯片制造业
8、是一个高度技术密集、资金密集的产业，其生产对环境要求非常严格，例如对电力、水源、燃气的供应，不仅有很高的质量要求，还须采用双回路，甚至三回路，从而保证在任何时候都能充足、及时供给。另外对空气环境、地表微震动、厂址地质条件也都有严格要求。至于其厂区内部，由于工艺条件所决定，许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成，室内环境的各项参数均须自动调节，以保证随时处于最佳状况，因此，不仅厂房造价相当高，生产、控制设备也异常先进、昂贵，动辄数千万元一台。因此，一般兴建一个两线(即有两条生产线)晶圆厂需投资人民币十几亿至数十亿元，其占地面积也有十几万平方米，员工可达数千人。另外，要保证其正常生产还需
9、要有很多相关的原材料和配套产品生产厂。芯片的制造过程可大致分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、构装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤2。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。（1）晶圆处理工序：本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子组件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂
10、膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及组件加工与制作。（2）晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。在用针测（Probe）仪对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒，再按其电气特性分类，装入不同的托盘中，不合格的晶粒则舍弃。（3）构装工序：就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作为与外界电路板连接之用
11、，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才算制成了一块集成电路芯片（即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。 （4）测试工序：芯片制造的最后一道工序为测试，其又可分为一般测试和特殊测试，前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日
12、期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定做降级品或废品。对于半导体产业，品质的提升，除了追求相关制造技术的精益求精之外，相关的配合系统技术及供应品质良好与否同样占有相当重要的地位，而超纯水就是其中之一。在制程中，为除去附着于芯片或玻璃上残余酸碱、有机物及其它外来杂质或离子，须依赖超纯水来洗净处理，一套完整且具有高品质、高安全的纯水处理系统是相当重要且直接影响了产品良率，制造成本2。在芯片制造过程中的光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相沉淀)、腐蚀、离子注入等工序需要用到高纯水。水质合格与否，将直接影响到产品的品质。为了保证制程能用到连
13、续合格的高纯水，提高制备系统的自动化控制程度，最大地降低人为干扰因素显得尤其重要。我们探讨晶圆厂超纯水处理的电气和PLC自动控制系统。通过对该系统进行合理设计并应用到实际中，基本上实现整个系统全自动控制，减少了人为干扰因素，利于系统稳定运行，降低了系统维护费用。1.2课题来源及其研究内容某晶圆厂项目月产六万片八吋0.18微米至0.25微米晶圆，主要产品包括DRAM、LCD驱动IC、Flash和CMOS影像传感器等。该厂初期将以0.18微米制程生产功率IC及低阶影像感测组件。第一阶段计划月产2万片晶圆，第二阶段再扩增至月产4万片，最后预计规模倍增至6万片。考虑到产品升级，该生产线能快速转到0.1
14、3微米制程。本课题来源于该公司生产能力为250m3/h超纯水处理系统。本系统是为了满足该公司晶圆180nm生产工艺之光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相沉淀)、腐蚀、离子注入等工序用水需要。研究内容为超纯水处理的电气和PLC自动控制系统，结合本系统需求，进行系统设计。1.3国内外超纯水处理现状大多数现代工业对工业用水水质都有其特殊要求，特别在原子能发电、制药、电子等工业，对水质纯度的要求几乎接近理论值。超纯水定义以及它所要求水质标准，正是伴随着电子等工业用水的要求而出现的。随着要求的提高（特别是在制备大规模集成电路兴起之后），超纯水的定义也发生了迅速的变化。六十年代，要
15、求最终泄漏量为5微克/升（5ppb）；七十年代中期已提高至lppb；进入八十年代后，这个目标已向0.1ppb迈进。由于选择性透过分离膜（反渗透膜、超滤膜等等）的开发和广泛应用，使得这一目标得以实现。膜分离技术能有效地去除水中溶解物、胶体、微粒、细菌等，因而，目前，超纯水的微粒，细菌等，因而，目前，超纯水的微粒数可以严格限制在10个/毫升（直径小于0.1微米）以下。DCS（Distributed Control System）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统3。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，
16、其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在超纯水处理控制系统的第七、八十年代，主要采用DCS。九十年代后，超纯水处理控制系统逐渐采用PLC的现场总线系统。目前，国外对于超纯水工艺的研究要比国内先进，主要是膜技术的广泛应用。我国在1992年制定了中国国家实验室分析用水标准(GB6682-92)，从此，我国的超纯水处理进入了快速发展轨道。随着PLC的发展，超纯水处理控制系统逐渐从DCS过渡到现场总线。目前，国内的水处理控制系统比较成熟，与国外差距不大，主要是向是智能化、网络化发展。45四川理工学院本科毕业设计（论文）第2章 超纯水及处理系统流程2.1超纯水定义超纯水(Ult
17、ra Pure Water,UPW)是美国科技界为了研制超纯材料(半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等)应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水，这种水中除了水分子(H20)外，几乎没有什么杂质，更没有细菌、病毒、含氯二恶英等有机物，当然也没有人体所需的矿物质微量元素，超纯水无硬度，口感较甜，又常称为软水，可直接饮用，也可煮沸饮用。超纯水中电解质几乎全部去除，水中不溶解的胶体物质、微生物、微粒、有机物、溶解气体降至很低程度。25时，电阻率为10M-cm以上，通常接近18M-cm，必须经膜过滤与混合床等终端精处理。重要的性能指标有电导率或电阻率、PH值、钠、重金属、二氧
18、化硅、溶解有机物、微粒子以及微生物等4。2.2超纯水功能在高科技产业上，超纯水用于制程阶段的湿制程(Wet Process)上，由于在湿制程处理过程所使用水质关系到产品品质，利用超纯水去除杂质及防止在芯片或玻璃上形成氧化膜，故水质不良，非但不能去除不必要杂质，且会造成产品污染而影响品质。总的来说，超纯水在高科技产业的功能如下：去除沉积物；防止金属离子污染；防止有机物污染；防止氧化物污染；增加产品表面整齐；增加产品表面平滑；去除产品表面微尘粒子及附着物。2.3超纯水制造流程超纯水处理系统工艺流程分为四部分，前处理(Pretreatment)、制备(Make Up)、抛光(Polish)及回收系统
19、(Reclaim System)5，分别如图2-1，2-2，2-3和2-4所示。现分别介绍如下：(1)前处理：从原水池(Raw Water Pit)到逆渗透膜(Reverse Osmosis Membrane，RO)为系统前处理。根据水质做化学凝聚、沉降及过滤，阴阳离子交换，紫外灯杀菌和逆渗透膜除盐，以除去大部分可溶离子、有机物、溶解的二氧化碳及细菌。(2)制备：结合紫外灯、混床和薄膜脱氧器，可以除去大部分有机物、溶解的氧气及可溶离子。(3)抛光：结合紫外灯裂解有机物，最后经不再生型抛光混床(Polish Mixed Bed，PMB)和超滤(Ultra Filter，UF)，以除去死菌及微粒子
20、，从而得到超纯水给使用点(Point Of Use，POU)。(4)回收系统：对无尘室(Clean Room)里的机台最初和最后的清洗水及含氟废水进行收集，然后用活性炭过滤器(Activate Carbon Filter，ACF)进行处理，进入系统循环使用，从而达到节约用水，降低单位成本的目的。为了保证水质，对超滤出口到使用点将配置输送管路和回收管路，构成一供应系统而 循环使用。 对管路的材质也有一定讲究，RO段前的输送管路是以聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC) SCH80管为主；在RO膜之后的供应管则以聚偏氟乙稀 (Polyvinylidene Fluoride，PVD
21、F)管为主，其中纯水供应管为高洁净度的聚偏氟乙稀(High Purity Polyvinylidene Fluoride，HP-PVDF)管；回收管则为一般的PVDF，以维持良好水质，并降低初期安装成本，同时为使用点获得稳定压力和流量，均采用回路设计。图2-1 超纯水前处理流程图 图2-2 超纯水制备流程图图2-3 超纯水抛光流程图 图2-4 回收流程图2.4系统电气器件2.4.1本系统涉及用电设备主要分为以下几类：（1）各种泵，例如离心泵、隔膜泵、真空泵；（2）不同波长紫外灯，即254nm和185nm紫外灯；（3）西门子变频器MMX430；（4）各种分析仪表，如流量计、差压计、导电度计、液位
22、计(Level Gauge)、硼离子分析仪（Boron Analyzer）、微粒分析仪(Particle Analyzer)、总有机碳(Total Oxygen Carbon, TOC)分析仪、二氧化硅分析仪(Silicon Dioxide Analyzer)、溶氧(Dissolve Oxygen, DO)分析仪等；（6）PLC控制柜，分为现地控制单元和中心控制单元；（7）风机，用于反洗和除溶解的二氧化碳；（8）电加热器。主要用于NaOH加热，防止其在冬天结晶。2.4.2 西门子MM430变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器主要采用交直交方式
23、（V/F变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)三相桥式逆变器，且输出为脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。MicroMaster MM430如图2-5，是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250
24、kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。一.其主要特征为： 380V-480V10%，三相，交流，7.5kW-250kW； 图2-5 MM430风机和泵类变转矩负载专用； 牢固的EMC（电磁兼容性）设计； 控制信号的快速响应；二.控制功能：线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点 v/f控制；内置PID控制器； 快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸； 数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；具有
25、15个固定频率，4个跳转频率，可编程；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块； 灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能；三组参数切换功能：电机数据切换，命令数据切换；风机和泵类专用功能： 多泵切换，旁路功能，手动/自动切换，断带及缺水检测。三.保护功能：过载能力为140额定负载电流，持续时间3秒和110额定负载电流，持续时间60秒;过电压、欠电压保护；变频器过温保护；接地故障保护，短路保护；I2t电动机过热保护；PTC/KTY电机保护。2.5系统网络及硬件要想组成PROFIBUS网络，必须有两个条件。主站的网络组态工具和从站的GSD文件
26、，两者缺一不可。主站的网络组态工具是一个网络组态软件，用来将各个站组成网络，设置网络参数和站的参数，并将已设置好的网络组态传送给主站。GSD文件称为设备数据库文件。对一种设备类型的特征GSD文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户， 此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。在组网时，必须先把你所须的从站的GSD文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工
27、具 里就有了你所须的从站的选项。用网络组态工具建一个你所需要的网络，并设置网络参数，然后在网络上添加你所须的站，并设置站的参数，最后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个PROFIBUS网络。超纯水处理控制系统结构图如图2-6所示。系统选用西门子公司MM-430变频器，以S7 417-4H PLC为控制中心， PLC通过PROFIBUS-DP现场总线与变频器构成DCS控制系统。PLC与上位机、现场触摸屏、变频器实行PROFIBUS高速通讯。SIEMENS S7 PLC提供一个MPI（多点通信）接口和一个RS 485串行通信接口。MPI主要用于西门子内部通信设备的连接，与另外的PLC联
28、网。RS485主要用于和其他系统进行接口，即厂务监控系统。在本系统采用的是Profibus DP协议，模块型DP从站，电气网络使用带屏蔽层的双绞线电缆。RS 485接口使用电压差分信号，所以它比电压或电流接口更抗干扰。在PROFIBUS中，节点通过总线端子或总线连接器连接到总线(每个网段至多32个节点)，一个网络上节点的最大数目限制在127个（其中0号站用于编程设备，1号站用于HMI）。单独的网通过RS485中继器连接到一起。传输速率可以逐级从9.6 kbit/s调整到1.5 Mbit/s。对于实时性要求极高的PROFIBUS DP应用，也可以采用符合IEC 61158/ EN 50170的传
29、输速率：3、6和12 Mbit/s。最大网段长度取决于传输速率。电气网络组态为树型拓扑结构。图2-6 系统框图为了保证PROFIBUS的正常可靠的工作，在总线的两端应安装终端电阻（阻值为220），终端电阻分为有源终端电阻和无源终端电阻，对于无源终端电阻所连接的站必须始终通电，这样才能保证PROFIBUS工作正常。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，RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条 PROFIBUS总线上最多可安装9个西门子RS485中继器。中继器是一个有源的网络元件，本身在网络中也算做一个站点。RS485中继器还可使网段之间相互
30、实现电气隔离。超纯水系统下位控制中心为西门子S7-400 PLC，在PROFIBUS现场总线上S7-400 PLC是主站，选用CPU417-4H，有强大的通讯功能，自身带有一个PROFIBUS-DP接口，可与变频器及操作现场触摸屏采用PROFIBUS-DP总线实现高速通讯，完成整个系统的压力、频率、流量、导电度控制等功能。PLC接受上位机优化控制指令，可以根据水池水位和设备出口压力要求自动调节相关泵运转频率以适应生产需求。同时PLC将各分部运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。 整个系统采用PROFIBUS现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输。
31、系统中不在有整束的电缆，也省去了成千上万个线路接点，大大提高系统的可靠性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化，彻底杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。2.5.1 PLC基本概念1.PLC简介英文称Programmable Logic Controller，简称PLC。它是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计6。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。P
32、LC它又可分为一体式PLC和模块式PLC。一体式PLC系统框图如图2-77；模块式PLC组要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和 编程设备组成。如图2-8；图2-9为逻辑结构图。 图2-7 一体式PLC框图个模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被 连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或者其他设备通信。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。PLC分为整体式和模块式两种。下面就模块式PLC各个部分介绍。 图2-8模块式PLC框图 图2
33、-9 PLC逻辑结构图.CPU模块CPU模块主要由微处理芯片和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。.信号模块 输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI/AO模块，它们统称为信号模块。它联系着外部现场设备和CPU。 输入模块用来接受和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关压力继电器等的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的
34、连续变化的模拟电流电压信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。CPU模块内部工作电压一般事5V。而PLC的输入/输出信号电压一般较高，因此从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能毁坏CPU模块，或使PLC不能正常工作 。在信号模块中，用光电耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入/输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。.功能模块为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC还有各种功能模块，它们主要用于完成某些对时实性和存储容量
35、要求很高的控制任务。.接口模块CPU所在机架称为中心机架，如果一个机架不能容纳所有模块，可以增设一个或多个机架。接口模块就是用来实现中央机架和扩展机架之间的通信和提供电力。.通信模块通信模块用于PLC之间，PLC与远程I/O之间，PLC与计算机之间和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、Prefibus、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。.电源模块PLC一般使用AC220V或者DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。2.S7-400S7-400式具有中高档性能的PLC，采用模块化五风扇设计，适用于可靠性极高的
36、大型复杂的控制系统。S7-400采用大模块结构，大多数模块的尺寸为25mmx290mmx210mm。S7-400由机架、电源模块、中央处理单元、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、通信处理器、功能模块和接口模块组成。机架用于固定模块、提供模块工作电压和实现局部接地，并通过信号总线将不同模块连接。S7-400 的模块插在焊接在机架中的总线连接板上，模块插在模块插座上，有不同插槽数的机架供选择，如果一个机架不能容纳所有模块，可以增设数个扩展机架，个机架之间用接口模块和通信电缆交换信息。3.S7-400的特点S7-400为西门子的中高端性能的CPU，采用模块化设计，适用于对可靠性要求极高的大型复
37、杂的控制系统。其主要特点为：运行速度高，416执行一条二进制指令只要0.08。存储容量大，417-4的 RAM可以扩展到16M，装载存储器(FEPROM/RAM)可以扩展到64M；I/O扩展功能强，可以扩展21个机架，S7-417-4最多可以扩展262144个数字量I/O点和16384个模拟点；有极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的MPI（多点接口）能建立32个站的简单网络。大多数CPU集成有PREFIBUS主站接口，可以用来建立高速分布系统，使操作大大简化。通过钥匙开关和口令实现安全保护；诊断功能强，最新的故障和中断时间保存在FIFO缓冲区。集成的 HMI（人机接口）服务
38、，用户只需要为HMI服务定义源和目的的地址，系统会自动的传送信息。4.S7-400机架S7-400的模块是通过机架上的总线连接起来的。机架上的P总线（I/O总线）用于I/O信号的高速交换和对信号模块的高速访问。UR2-H机架用于在一个机架上配置完整的S7-400冗余系统，也可用于两个具有电气隔离的独立运行的S7-400CPU，每个均有自己的I/O。UR2-H需要两个电源模块和两个冗余CPU。5.S7-400的通信功能S7-400有很强的通信功能，CPU模块集成有MPI和DP通信接口，有Prefibus-DP和LAN通信的模块，以及点对点通信模块。通过Prefibus-DP或AS-i现场总线，可
39、以周期性的交换I/O模块数据（过程映像数据交换）。在自动化系统之间，PLC与计算机和HMI（人机接口）站之间，均可以交换数据。数据通信可以周期性地进行或者基于事件驱动，由用户程序块调用。S7/C7通信对象的通信服务通过集成在系统中的功能块来进行。可提供的通信服务有：使用MPI的标准S7通信；使用MPI、C总线、Prefibus-DP和LAN的S7通信，S7-300只能作为服务器。6.S7-417-4H/F/FHS7-417-H是S7-400H容错式自动控制系统和S7-400F/FH安全型自动控制系统CPU，可以编译和运行F用户程序。它们带有两个用于安装同步模块的插槽。S7-417-4H用于程序
40、和用户数据的可扩充RAM容量为10MB；它有两个Prefibus-DP主站总线接口，不能用于接口子模块和IM467，通过CP可以扩展10个DP主站。第一个通信接口的MPI连接数为44个，没有全局数据通信和S7全局通信功能。第二个通信接口不支持内部节点通信、等时线、SYNC/FREEZE功能。集成的MPI的最大通信速率为187.5kbit/s,最多32个站，可以建立64个连接。诊断缓冲区可以保存120个故障和中断时间7。2.5.2 现场总线现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)7用数字信号取代模拟信号，以提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长信息传输的
41、距离。它既是一个开放的通信网络，又是一种全分布的控制系统。它是一种新型的网络集成自动化系统，以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。FCS用“工作站现场总线智能仪表”的二层机构完成了集散控制系统(Distributed Control System, DCS)“操作站控制站现场仪表”的三层结构模式，降低了成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。现场总线现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费
42、用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权等优点。我们采用的为以西门子PLC为主的控制系统，其CPU、变频器等都带有Prefibus接口，所以为了保证系统稳定和设计维护方便，采用了Prefibus 为现场控制总线。1 .Prefibus总线PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是由德国西门子公司提出的一种现场总线标准，现在已成为了一种国际性的开放式现场总线标准, 即EN50-170欧洲标准，它具有先进的技术和非凡的可靠性，应用范围非常广泛。Profibus遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。PROFIBU
43、S由三部分组成，PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范)、PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery，分散型外围设备)、PROFIBUS-PA(Process Automation，过程自动化)。PROFIBUS 是一种现场总线，因此可以将数字自动化设备从底级(传感器执行器)到中间执行级(单元级)分散开来。通信协议按照应用领域进行了优化，故几乎不需要复杂的接口即可实现。参照ISOOSI参考模型，PROFIBUS只包含第l，2,和7层。PROFIBUS协议层或子层说明如下：（1)PROFIBUS第1
44、层。第1层PHY：第1层规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。PROFIBUS通过采用差分电压输出的RS485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线电缆。树型结构还可能用到中继器。（2)PROFIBUS第2层。第2层MAC：第2层的介质存取控制(MAC)子层描述了连接到传输介质的总线存取方法。PROFIBUS采用一种混合访问方法。由于不能使所有设备在同一时刻传输，所以在PROFIBUS主设备(masters)之间用令牌的方法。为使PROFIBUS从设备(slave)之间也能传递信息，从设备由主设备循环查询。PR0fIBUS第2层FlC：第2层的现场总线链路控制(FLC)子层规定了对低层接
45、口(LLl)有效的第2层服务，提供服务访问点(SAP)的管理和与LLI相关的缓冲器。PROFIBUS 第2层FMAl2：第2层的现场总线管理(FMAl2)完成第2层(MAC)特定的总线参数的设定和第1层(PHY)的设定。FLC和LLI之间的 SAPs可以通过FMAl2激活或撤消。此外，第1层和第2层可能出现的错误事件会被传递到更高层(FMA7)。（3)PROFIBUS第36层。第36层在PROFIBUS中没有具体应用，但是这些层要求的任何重要功能都已经集成在“低层接口”(LLI)中。例如，包括连接监控和数据传输的监控。（4）PROFIBUS第7层。PROFIBUS第7层LLI：低层接口(LLI
46、)将现场总线信息规范(FMS)的服务映射到第2层(FLC)的服务。除了上面 已经提到的监控连接或数据传输，LLI还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在LLI中选择不同的连接类型，主主连接或主从连接。数据交换既可是循环的也可是非循环的。PROFIBUS第7层FMS：第7层的现场总线信息规范(FMS)子层将用于通信管理的应用服务和用于用户的用户数据(变量、域、程序、事件通告)分组。借助于此，才可能访问一个应用过程的通信对象。FMS主要用于协议数据单元(PDU)的编码和译码。PROFIBUS第7层fMA7：与第2层类似，第7层也有现场总线管理(FMA7)。FMA7保证FMS和LLI子层的参数化以及总线参数向第2层(FMAl2)的传递。在某些应用过程中，还可以通过FMA7把各个子层的事件和错误显示给用户。（5）PROFIBUS ALI。ALI：位于第7层之上的应用层接口(ALI)，构成了到应用过程的接口。ALI的目的是将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是由它在所谓的对象字典(OD)中的特性(数据类型、存取保护、物理地址)所描述的。2.Profibus DPPROFIBUS DP18是主