基于PLC的高速全自动包装机本科毕业论文

基于PLC的高速全自动包装机本科毕业论文 0 基于PLC的高速全自动包装机毕业论文 姓 名 : XX 系 部 : XXXXXXXX 专 业 : XXXXXXX 班 级 : XXXXX 指导老师 : XXXX 日 期 : 201 /12/17—201 /06/16 0 目录 第一章 绪论 ............................................................................................. 2 1(1可编程控制技术的发展趋势 ............................................ 3 1(2卷纸包装机产生的背景及意义 ....................................... 6 1(3 PLC在包装机械上应用的可能性和前景 ...................... 6 1(4项目研究的主要内容 ......................................................... 7 第二章PLC构成的包装机控制系统的总体设计 ............................ 7 2(1卷纸包装机生产工艺概述 ................................................ 8 2(2可编程控制系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计 ................................. 10 2(3系统的运行方式 ............................................................... 10 2(4总体结构关系 .....................................................................11 2(5本章小结 ............................................................................ 16 第三章 电控系统电路及各功能模块的设计 .................................. 16 3(1供电线路 ............................................................................ 17 3(2主要控制功能模块的设计 .............................................. 18 3(3放卷、分切部分的张力控制 ........................................... 21 3(4送料过程中的同步控制 .................................................. 28 3(5本章小结 ............................................................................ 33 第四章 PLC的软件设计 .................................................................... 34 4.1.概述 ...................................................................................... 34 4.2监控程序的开发 .................................................................... 48 1 4(3本章小结 ............................................................................. 56 第五章PLC控制系统的通讯实现.................................................... 56 5.1 S7-300及多点接口网络(MPI) ........................................ 56 5(2 PROFIBUS概述 ............................................................... 58 5(3现场总线信号与系统监控软件之间桥梁一OPC ...... 60 5(4 S7-300与WinCC之间的通信 ....................................... 61 5(5本章小结 ............................................................................. 64 全文总结 ............................................................................................. 65 致谢 ...................................................................................................... 67 参考文献 ............................................................................................. 68 附录包装过程STL程序 .................................................................. 69 第一章 绪论 ABSTRACT 2 This thesis mainly discussed the design ofcontrol system ofroll packing( As the kennel device control system，PLC is widety used in modem industrial production and do well in this field( This thesis takes the control system of the high-speed full— automatic roll packing machine that was developed by Dongguan Jiaming Machine Manufacturing Limited Company along with US as a background(We apply the advanced control technique in the packing machine control system such as the technique of PLC，the inverter technique，light electricity technique and SO on(By using these techniques，we realized tension control，Synchronous control in transmitting process and packing process program contr01(To complete the data of collecting and control the output equipments to work safely，high speed and efficiently， we designed the PLC correspondence network by using the WinCC，a supervise control and configurmion software of the company of Siemens，and its communication function，to realize the surveillance function ofthe packing process( The machine got the exaltation of the quality whether the function or theefficiency，basically came to the international advanced level in the late of 90’S，realized well the control request that the company put forward( This control system is well rtmning in the lab( Key words:Packing machine;PLC;tension control;self-adaptive Control Synchronous control;WinCC;Step7 1(1可编程控制技术的发展趋势 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得 到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的 时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且 3 将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下 1(可编程控制技术的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化 在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相台作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。 2(CPU处理速度进一步加快 目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。 3(可编程控制技术的智能化 提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。 4(系统的开放性和兼容性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼 4 容性也代表了可编程控制产品的水平。 5(通用性和专业化的结合 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 6(可靠性进一步提高 随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/O单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 7(控制系统分散化 根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的i,o模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 8(控制与管理功能一体化 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和 信息管理功能融为一体。 综上所述，我们不难得出下面几个结论: 1(工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着,条相互融合的道路。 2(智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。 3(系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强 4(基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。 5 5(通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 1(2卷纸包装机产生的背景及意义 卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。为此，我们开发了“卷纸包装机控制系统”，我在其中负责控制系统的研究与设计工作。 1(3 PLC在包装机械上应用的可能性和前景 包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点: 1)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动; 2)程序可以复制，批量生产很容易; 3)电气硬件设计大大简化: 4)由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化; 6 5)可靠性高; 6)成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性; 7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多i,o时可以方便地扩展。因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。 1(4项目研究的主要内容 1(对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据;分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。 2(卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。 3(可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/O接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。 第二章PLC构成的包装机控制系统的 总体设计 可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的合需求，在具体实现的过程中，又以系统 7 的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。 2(1卷纸包装机生产工艺概述 卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟60个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。 工艺盘包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度(长度由色标来 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 )时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。 简单的工艺流程如图2-1所示。 包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘共有八个v形槽，三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。工件从1号工位装入;在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号;在3号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。 8 由于这是一个典型的顺序控制，利用移位寄存器操作最为方便。设定一个8位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个V形槽，每120ms移位一次，控制相应的操作。当到2号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片(其总的上升时间大于490ms小于640ms)，托盘推动纸球(其总的上升时间略小于640ms)同时以相同的速度前进，当工艺盘V形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。当到达2号工位时，工艺盘停止，延时250ms，同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转90度后继续向前移动，进行窝边。窝边到位，该机构就后退。到达3号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。从图2-2的时序图分析，包装一个卫生卷纸只需880ms，可为什么在1分钟内却只能包60个，这里还有个PLC扫描周期的问题，本包装程序中PLC扫描周期为120ms。 9 2(2可编程控制系统控制方案的设计 PLC利用可以构成多种控制系统:单机控制系统，集中控制系统，分散 IO型控制系统和远程,控制系统。由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比 2-3较集中，因此我们采取集中控制系统方案。集中控制系统如图所示，每 IO个被控制对象与可编程控制器指定,相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。单主机 IO控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。远程,控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用 于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。 图2-2集中控制系统 PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位机来弥补。上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。 2(3系统的运行方式 运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。 1(手动:各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行; 10 2(单步:按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。再按启动，则进入下一工步运行; 3(周期:从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回到第一步开始位置停止。 4(自动:按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止;若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。 根据卷纸包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运„三种。根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。 包装机控制功能要求: 手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修。 全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。 2(4总体结构关系 在前面己经说明，本系统采用可编程控制器(PLC)和工控机两级控制的结构。PLC负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。工控机通过串行口与PLC相连，进行相互通信，所以工控机是通过发出命令去控制PLC的运行以达到进行全自动控制的目的。 2(4(1控制系统主要器件的选择 11 卷纸包装机控制系统主要器件包括工控机(另配显示器)、PLC、变频器等。它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，具体情况如下: 本系统上位机选用研华IPC-610工控机，128M内存，10G硬盘，内部底板上有4个ISA总线插槽、2个PCI总线插槽和一个CMJ插槽，可以方便地进行系统扩展，另外选配飞利浦IOSA型显示器，可清晰地显示各种图形和文字，运行WINDOWSNT操作系统，外接打印机，打印报表。工控机由一台500VA的不问断电源UPS供电，保证报表数据的完整记录。下位PLC的选型及其模块配置 在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。然后确定系统的规模、机型和配值。据统计，该包装机控制系统需要配置如下的不同性质的I,O点: 80个开关量输入: 50个开关量输出; 15个模拟量输入; 15个模拟量输出; 根据对上述控制任务的分析，本项目选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-300，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。S7-300系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I,O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。SIMATICS7-300所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。它具有很强的计算能力和完善的指令集，以及通过MPI接口和SINECLANS联网的能力，适用于高速的过程处理需要。本系统所用的主机模块是CPU315-2DP，可以通过MPI转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。除此之外，它自带的STEP7编程软件功能强大，使 12 用方便，也使开发过程变得简单快捷。此外，S7—300系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。根据I/O点数的确定要按照实际点数再加20,一30,的备用量及其特性，配置了如下的模块: 1(2个模拟量输入模块SM331(M8*12Bit):可提供具有12位分辨率的总数为16路的模数转换通道; 2(4个模拟量输出模块SM332(AO4*12Bit):可提供具有12位分辨率的总数为16路的模数转换通道; 3(4个数字量输入模块SM321(D132*24VDC):可提供总数为128路的开关量输入通道; 4(3个数字量输出模块SM322 D032*24VDC,0(5A:可提供总数为96路的开关量输出通道; 5(中央处理单元CPU315—2DP; 6(通讯处理器CP343—5 7(接口模块IM360和IM361。 图2-4 系统结构和配置图 在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号(按钮、行程开关、继电器节点)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件， 以完成相应的控制任务。除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机(上位机)的控制命令，以进行全自动包装循环。图2-4给出了本项目中配置的S7-32路数字输入模块SM321。 数字输入模块SM321向外提供电源，将位于现场的开关触点的状态经过 13 光电隔离和滤波，将从过程传输来的外部数字信号转化为内部S7--300信号电平。然后送至输入缓冲器等待CPU采样，采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。 SM321数字输入模块具有32位独立的输入点，用于连接开关或2线接近开关(BERO)。数据采集部分与背板总线通过光电耦合器隔离。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管LED显示输入状态。输入开关闭合即有输入电压时，LED亮。 32位数字输出模块SM322D032*24DC,0(5A 数字输出模块将s7—300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。按负载回路使用的电源不同分为:直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。 SM322:D032"24DC,0(5A属于晶体管输出方式的模块，只能带直流负载:32个输出点，分成8组;0(5A的输出电流;该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启动器。 8路12位分辨率模拟量输入模块SM331:A18*12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入主传动电机转速、放卷机转速、放卷辊直径等的测量值。模块主要是由A,D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。 A,D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式A,D转换的积分时间直接影响到A,D转换时间和A,D转换精度。积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选的积分时间有:25ms，167ms，20ms和l00ms。在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用20ms的积分时间，相应精度为12位。S7—300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符号位“0”表示正值，“1”表示负值。S7-300模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。它用于不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信号转化为S7-300内部处理用的数字信号。SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A,D转换部件。即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始 14 转换的时间称为输入模块的循环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时间设定为20ms，8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的SM331，其循环时间为(22+10>(8=256ms。SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接24VDC的负载电压L+，有反接保护功能。模块与S7--300CPU及负载电压之间是光电隔离的。另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的通道与M短接。 电源模块PS307(5A)及其容量计算， PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为120,230V、50,60HZ;输出电压24VDC，输出电流5A;在输入和输出之间有可靠的隔离。电源输出指示器用一个LED指示24伏直流输出。如果正常输出额定电压24V，则绿色LED点亮;如输出电路过载，则LED闪烁;输出电流长期在5A到7A之间时，输出电出短路，则输出电压为0V，LED变暗，在短路消失后电压自动恢复。 在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办法。如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。在确定所有的模块并组建S7--300系统时要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须大于CPU模块与所有I,O模块之和，并且要有30,左右的余量。故在设计系统时卷纸包装机控制系统中主要的传感器以开关量提供给PLC，作为操作决策的依据，这些开关输入量有: 1( 上位机启动信号: 2( 色标信号 3( 产品供送信号 4( 纸片上行程开关 5( 纸球上行程开关 6( 工艺盘到达1、2、3工位的行程开关 7( 送料机、皮带、推纸机的自动停用和工作信号 8( 皮带、电磁阀等的电源信号等 PLC的控制输出大多是一些开关输出信号，如送料机、工艺盘电机，皮 15 带的启动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。 2(5本章小结 本章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择和组态，并详细介绍了组态的各模块。 第三章 电控系统电路及各功能模块的 设计 卷纸包装机用三相异步电动机驱动，由专用的变频器电源供电，转速通过变频调速实现。另外几台小功率辅助电机分别用于驱动开卷机构，切纸机构，送料机构，插纸板，夹钳机械手等。对于该包装机的控制系统，主要有原包装纸放料过程中的张力控制，送料过程中的同步控制，包装过程控制等。工艺盘的转动是由三相异步电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀，以压缩空气、氮气推动气缸，从而带动机械结构移动来实现的。 16 3(1供电线路 图3-1 供电线路 如图3—1所示，三相电源由滑线引入电气柜中，经由一个总进线空气开关(OS1)后供给系统的控制回路及电机主电路部分。其控制部分则用一个1KW的变压器(TC2)将380V的电压变为220V，并且在输出侧分成五路，分别提供给工控机、PLC、PLC输入回路、PLC输出回路和继电器回路。这样便于将故障分散，并且有利于调试和检修。在QS1前引出的一路电源是为了给空调器和照明灯供电用，因为它们属于附属设备，与控制无关所以从QSl之前引出，以便在检修时也不影响其正常使用。 1(主电机的启动控制 主电机启动前，主操纵离合器应处于拉开状态，确保主电机轻载启动。若所有的检测和控制条件均有效，则按下启动按钮可使主电机轻载低速启动，并在一定时间延迟后自动控制变频器的高速运转。若机器出现故障，则应立即切断电源，并且进行机械制动，确保机器的安全。 2(变频器的运转控制 变频器的运转控制主要有运转启动、速度自动设定、故障报警停机故障提示和解除故障状态。 3(送卷纸电机的控制 17 在主电机启动后，送纸电机应自动运转，保证下纸道中有充足的卷纸供推纸板使用，并且要求在JS3传感器(检测推纸板是推还是退)的控制下有高低速自动切换功能。当主机停下来时，送卷纸电机不应马上停止，必须经过,段延时后再停，否则将会出现下纸道短时缺纸或纸道堵塞的现象，影响主电机的再次启动。 3(2主要控制功能模块的设计 3.2.1装料工位1 要达到高速包装，纸片和纸球需要快速地送到1工位，因此就必须考虑电机的速度响应性。步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200,400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。因此我们选用交流伺服电机作为装料机构的执行电机。在这个工位上，推纸空心台推动已切好的包装纸片，托盘推杆推动纸球同时以相同的速度前进，当压到纸片到位行程开关时，推纸空心板停止，当压到托盘到位行程开关时，托盘停止。卷纸和包装纸已进入该工位，电机带动工艺盘继续转动，同时插纸板向前运动，托盘推杆和推纸空心台退回原位。包装纸推纸空心台和卷纸托盘推杆要自动往返于工艺盘和地面之间以完成送料动作，其控制线路如图3—2所示。 18 图3-2装料工位控制线路图 为了在正式工作前调整推纸空心台和卷纸托盘推杆的位置，本线路设有操作选择控制，由按钮SB2和中间继电器KA组成。若要调整他们的位置，就不能按选择按钮SB2，这样KA不得电其常开触点断开，电动机正反转控制电路只能完成点动控制。推板位置调准后，按下SB2使KA得电，其常开触点闭合，电动机的正反转控制电路才能实现连续动作。工艺盘的底部装有行程开关SQa，SQb，SQc，SQp，包装机底部装有行程开关SQd，SQg(推板处在装料位)， 当KT2延时到，即在1工位装料完成时，KT2常开触点闭合，KMd，KMr得电并互锁，两电机反转，推纸空心台和托盘推杆同时下降，分别压动SQd、SOg时，下降停止。 当工艺盘转到V3或v7槽时，压动行程开关SOa，KTl得电，当延时到，其常开触点闭合，放纸空心台和托盘推杆同时上升，重复上述操作，SQp为到工位1时的行程开关，延时150毫秒后，工艺盘转动，同时放纸空心台和托盘推杆下降。SQa为到工位2时的行程开关，当到达此处时，发出进料信号，放纸空心台和托盘推杆上升。 19 3.2.2夹钳抓紧、旋转、窝边工位2 如图3(3所示，当到达V2或V6槽时，由该位的行程开关发出信号，央钳机构轴向电机动作，打开气缸电磁阀，使两端的夹钳机构沿轴向运动，到限位开关时，轴向运动停止，夹钳机构径向运动电磁阀打开，三个夹杆同时顺着导轨径向运动，当触到抓紧开关时，抓紧动作结束。延时50ms，在此时问段中，主电机带动该机构轴旋转90度，延时结束，轴向电机继续动作，完成窝边动作。然后径向电机反转，夹紧装置松开，同时轴向电机反转，使夹钳机构退回的原位。 按下SBl，KA得电，KMr2得电，M2正转，轴向电机前进，前进到位 夹紧结束松开SBl，KA断电，KMrl通电，M1反转(放松)，放松到位，如此自动循环。 20 3.2.3卸料工位3 当到达此工位时，由于已越过卷纸的支撑平台，包装好的卷纸由于重力作用，自动落入成品库中。 3(3放卷、分切部分的张力控制 卷纸包装机有一套传动系统，包括放卷，切断，每个部分由一台电动机带动。从放卷到切断，包装纸是连续的，当机器起动时，由上位机发出命令，主速节点的电机开始转动，同时通知其它各节点开始协调动作，以保证各段包装纸的线速度一致，从而使张力趋于稳定，停机时同样如此。在升降速过程中，主速节点必须发送升降速标志给其它各节点，使他们在控制各自张力时作出相应的补偿，这个过程要求响应快。当某一段张力出现允许范围内的抖动时，系统也应该作出上述反应。由主速节点测量到的包装纸线速度必须实时传到放卷节点，当某一轴上的包装纸即将放完时，该部分的另一轴应该提前转动起来，并且线速度和主速节点传过来的速度值保持一致，这样才能实现无速度差转接，以减少废料。机器运行过程中，一旦某个部分出现故障，其测控节点应将信息立即传往上位机，上位机发出急停命令使下位机各节点同时对各自电机进行直流制动。在分切的过程中，由于放卷辊上包装纸的直径越放越小，放卷机系统的转动惯量的变化范围很大，采用一般的控制方法难以取得满意的控制效果。而采取基于PLC的自适应控制方法则可消除系统转动惯量变化的影响，达到优良的控制效果。 3.3.1包装纸分切机调节原理简介 在分切时，为了使包装纸平整、伏贴，必须使包装纸保持一定的张力。包装纸分切机是一种采用调节辊的张力控制系统。其放卷机控制系统原理如图3—4所示。工作时首先根据纸厚通过上位机设定所需张力，该张力是通过 21 气压加至调节 辊上而产生的。由于调节辊所受到的向下的力F。是重力和气压力的合力，该力是一个恒定的力，调节辊所受到的向上的力则是包装纸的张力T1和T2。因此，只要调节辊处于静止或匀速运动状态，包装纸的张力就是该恒定力的一半，亦即张力亦是一个恒定的力。分切机主传动变频器控制主传动电机跟随控制面板上速度电位器的设定值运动，放卷机变频器及传动电机的作用是控制包装纸的放卷速度，使调节辊稳定在平衡点附近，以间接地控制张力。调节辊的位置通过电位器检出 后送PLC，放卷辊的直径通过超声波测距仪检出后送PLC。PLC内部根据分切机主传动的速度、调节辊的位置、以及放卷辊的直径等数据，经运算得到并输出放卷机变频器的给定频率，控制放卷机的运行。使其线速度与分切机的线速度同步。从而使调节辊保持在中间位置。 3.3.2放卷部分 放卷部分恒张力控制的变化是由于原卷材半径的变化，造成放卷电机转矩的变化，根据放卷半径的检测方法，以放卷筒为研究对象，根据图3-5受力关系，建动态力矩平衡方程: 22 为轴承的摩擦系数，R为轴承半径，N 为轴上总重量(包括卷材重量)，Mo空载转矩由电机冷却风扇的空气阻力损耗等构成。角加速度推导可得: 在开卷中，必须使送材力均匀，张力取值范围由该材料的工艺要求决定对于纸张的开卷张力一般为纸张的抗拉强度(或由拉断力换算)的20,左右，(拉断 23 力可由实验测得)。则由上式可求得发电机阻力矩Mi。 又根据发电机原理 3.3.3张力控制系统的实现 1)基本控制思想 由于带膜放卷辊的直径变化范围很大，放卷辊的转动惯量变化范围很大，亦即控制对象的参数变化范围很大，若控制器采用定参数的PID调节方法必定得不到满意的控制效果。因此系统中采用了自适应控制原理。 y(t)_参数模型输出 e(t)一偏差量 z(t)一自适应控制量 图3-6自适应系统框图 自适应控制是随着计算机的发展和普及而发展起来的一种新型自动控制技术。其控制作用是基于一定的数学模型和一定的性能指标综合出来的，采用的是“预测一辨识一控制”的方法，通过辨识(包括对系统的结构、参数、性能指标等的辨识)而获得自适应能力。一个典型的自适应控制系统如图3-6所示，与一般反馈控制系统的区别在于增加了参考模型和自适应控制器，因此 24 增加了几个参数。在自适应控制系统中，一般反馈控制作用和自适应控制作用同时存在。当信号e(t)进入自适应控制回路后，经运算产生适当的调整作用，直接改变控制器的参数，从而使系统的输出Y(t)逐步与模型输出Ym(t)接近，直到y(t)=ym(t)即偏差信号e(t)=O，自适应调整过程就自动停止，控制器参数也就自动整定完毕。 在张力控制系统中利用自适应控制，使变频器工作在转速开环的方式下，此时变频器及电机的传递函数可近似为一个惯性环节和积分环节。其中积分系数与放卷辊的转动惯量成正比。而放卷辊的转动惯量与其直径的平方成正比。通过将转速实际值反馈给PLC，经PLC形成转速闭环，并通过检测放卷辊的直径，在转速环前向通道中设置1个与放卷辊直径的平方成正比的比例系数D，可以抵消其转动惯量的变化所产生的影响，从而保证转速环在放卷辊直径变化时始终具有优良的动态性能。从而确保分切机工作时包装纸张力的稳定。放卷机的调节原理,方框图见图3—7。图中: 2)控制系统硬件配置 控制系统硬件结构简图见图3—8。其中PLC系统使用西门子公司的s7—300可第三章电控系统电路及各功能模块的设计编程序控制器，主要模块有CPU315一DP，通讯模块CP342—5，IM360，IM361扩展模块等。CPU315一DP用于要求中到大规模的程序和通过profibus—DP进行分布式配置的设备，具有 25 能进行浮点处理的STEP7处理器和用于接口通讯的微控制器，可直接与编程器连接。CPU315一DP使用STEP7编程语言，最短的指令执行时间为0.1u s，最长的除法操作指令执行时间为1(35 u s。定时控制程序调用间隔为1ms到lmin，性能上满足对分切机有关传动电机进行实时转速控制的要求。 图3-8控制系统硬件配置图 CP342—5是通信处理器，可通过profibus简单进行配置和编程，支持profibus—DP、s7等通讯协议。CP342—5能全自动地处理与它相连接的设备的数据通信，以及编辑和缓冲数据，用于SIEMENS$7-300可编程序控制器和profibus—DP主,从接口模板(作为主设备接口模板时，可链接多达125个从站。从站可以是ET200M分布式I,O设备，其通讯模块为IMl53—1(亦可以是profibus(DP有接口的现场设备，通过pmfibus—DP总线的数据传送率可达12Mbit,s。CP5611网卡是将PLC的MPI口和上位机连接，以进行程序的下载调试及变量传输。 Profibus--DP(Distributive Peripheral--分布式外设)是profibus的重要组成部分。profibus--DP由物理层、数据链路层以及用户层构成。主要应用于现场级(是一种高速(可达12Mbit,s)和便宜的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用，可满足全数字交直流调速系统对于电机快速的时间响应要求。 CBI通讯板?是用于SIMOVERT Master Drives的profibus(DP总线接口，CBl通过双口RAM与变频器内闭环控制电子板CU2接口(变频器可通过CBI通讯 26 板接人profibus—DP网中作为从站接收主站SIMATIC S7的控制。 6SE70型矢量变频器配置CBl板后可与profibus(DP总线接口，变频器之间传送速度给定与状态等。与电机同轴的光电编码器的输出脉冲信号通过CU2板送变频器(调节辊的位置信号和放卷辊的直径信号等经分布式I,O模块ET200M(通过profibus—DP总线传送给PLC。 ET200M是分布式I,O组件，带有集成的profibus—DP现场总线接口(能够快速、方便地连接到profibus—DP现场总线。ET200M带有集成I,O，除开关量信号以外，还可以采集和传输模拟信号。 3)变频器参数的设置 分切机放卷机驱动用变频器是6SE70型矢量变频器。由于放卷机电机在正常运行时处于发电制动状态，故采用直流母线供电，这样可以使电能回馈到母线。经济性较好，且可保证放卷机快速地升降速，提高动态响应性能，而直流侧不会过电压。本系统中放卷机变频器的使用特点是v,f转速开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值，变频器通过CBl板经profibus(DP总线接收PLC的‘‘控制字”命令和转速设定值，或向PLC发送“状态字”和转速实际值。为满足该要 求，变频器有关参数设置，如下。 P163:1;v,f转速开环控制 P208=1;用光电编码器测量电机转速 P090=1;CBl通讯板位于槽2 P443=3002;主设定值位于CBl板字2 P443=0;附加设定位1为O P438=0;附加设定位2为0 P554=3001;开,关1控制位于CBl板字l P697:4:CBl板通讯采用PP04格式，过程数据长度为6字节 P694 i001=9686:状态字1为CBl板字1(状态字) i002=219;定子频率1,s除以极对数之值为CBl板字2(实际测量值) 以上自适应控制方法在变转动惯量的张力控制系统中取得了良好的控制效 27 果，保证了产品质量。该控制思想也可应用到控制对象的参数可以直,间接测量的其它控制系统中。 3(4送料过程中的同步控制 在高速全自动包装机运作的过程中，产品的供送和包装材料的供送均是连续进行的，而且它们分别受到许多因素的影响，如:生产中速度的变化、包装材料的张力和拉伸率不均匀等，因此这两个系统相互之间有一个需要随时调整速度的同步控制问题。 图3-10同步控制系统框图 3.4.1同步控制系统 包装机械设备的同步控制系统框图n”如图3—10，机械动力一方面提供给产品供送系统，同时还提供给差速器，将差速器的输出提供给包装材料的供送(无同步控制的设备是直接将机械动力传输给包装材料的供送系统)。将产品供送和包装材料供送的信号反馈给同步控制电路，比较两者是否同步。如果在同步范围内，伺服电机停止不动作，差速器将输入的速度输出给包装 28 材料供送系统。否则当包装材料供送慢于产品的供送，伺服电机正转，差速器在正常输出的速度基础上叠加一个正补偿，提高包装材料的供送速度，直到两者同步;当包装材料供送快于产品的供送，伺服电机反转，使包装材料的供送慢下来，使得两者速度相同。 3.4.2信号的获取 当包装材料需要定长裁断时，如单个卫生卷纸的包装，包装材料以卷筒的形式放于原料架上，且每隔一定长度都印有一个色标。在卫生卷纸供送的同时，包装材料还要有一个切断的过程，这就增加了同步供送的复杂性。如图3—11:包装材料每供送到一定长度时，光电传感器读到色标信号，将该信号作为同步信号送给比较器，同时将此信号输送给切纸机构，由于切纸机构与包装材料在水平方向上是同步的(关于切纸机构与包装材料的同步控制在此不作论述)，因此他并不影响送料速度。产品供送系统的信号用接近开关取出。在产品供送系统的驱动轴上 图3-11同步控制方法 安装一个如图3—9所示的半圆形金属片l，在侧面装上接近开关J的探头，如图所示的瞬间，接近开关没有感应到金属片1，假设输出状态为1，当产品供送轴3旋转，半圆金属片遮住接近开关，接近开关输出状态J为0，因此产品供送轴每旋转一圈，接近开关的l和0输出状态大约各占一半的时间。假设光电传感器S检测到有色标信号时输出状态为1，没有色标信号时输出为O，只要判断每次光电传感器检测到色标时接近开关的输出状态，就能得 29 出产品供送系统是滞后还是超前于包装材料供送系统。在图3-9所示时刻，正好光电传感器s输出为1时，接近开关J的输出也为l，可以认为产品供送滞后，当J为0，即半圆金属片遮当住接近开关时，S为1，则产品供送超前。可以根据这样的判断来控制伺服电机对产品供送系统的速度进行补偿。如果两个系统刚好同步，在图3—9的同步范围内，要求伺服电机既不正转也不反转，处于停止状态。具体作法是让控制电路在超前和滞后的转换时，由跳变信号触发，给出一段延时时间，在此时间内获得色标信号s表示同步，控制伺服电机不动作。这段延时时间的长短是可供随时调节的，因此达到同步精度可调的目的。在这段延时结束后，如果获得S信号，则表时产品供送超前，发出调控动作。 上述原理可由图3-12实现。当S为0时，却未检测到色标，两个与门F和z都被锁住，J的状态对输出结果无影响，信号S:I，电路中2，4脚为高电位时正反补偿均无输出。只有当检测到色标J的状态才对输出有影响。如果J:l，1脚为高电位，F输出为1，进行反转补偿。如果包装材料供送超前，J刚好从1变为0，1脚为低电位，锁住F，而3脚由反相器的作用为1，如果得到S:I，使4第三章电控系统电路及各功能模块的漩计 脚电位也为l，Z输出状态取决于脚5。但由于J的跳变，延时电路得到一个负触发脉冲，输出低电位，使5脚为0，将Z锁住也无输出。这时正反补偿都不动作，即补偿电机停止，表示两个系统处于同步状态。当延时结束后，延时电路输出高电位，使5脚电位为1，如果包装材料供送滞后，检测到色标s=1，使3，4，5脚都是高电位，Z输出为1，形成正转补偿。 30 图3-12 控制电路原理 3.4.3同步控制电路原理的实现 同步控制电路原理如图3-13所示。接近开关的输入接J端，光电传感器的输入接s端。比较电路选用一块74LSl0集成电路中的二个三输入与非门构成，反相器选用一块74LS00集成电路。用一块555时基电路，调节电位器R1可调整电路的延时时间T1。 T1时间越短，同步精度就越高。T1的调整效果可通过发光二极管LED1来指示。只要555的2脚得到负脉冲，3脚就输出高电位。为了能锁住与非门74LSl0的5脚，用一个反相器反相。与非门的比较结果输出给由556组成的两个延时电路，这两个延时电路的输出分别控制伺服电机的正反转。R8和C9决定反转补偿时间，R7和C7决定正转补偿时间，R8与R7值相等而且联动，C9和C7容量也相等，所以伺服电机的正反向补偿时间是一样的。BGl和BG2分别驱动继电器K1和K2，实现对伺服电机的正反转控制。二极管D2和D3起保护作用，即在正转或反转补偿期间又出现反转和正转指令时，伺服电机不会出错。在伺服电机的主电路中也有互锁保护环节。实际上主电路中也可用固体继电器代替普通有触点继电器。正反转的工作状态可通过发光二极管LED2和LED3指示。产品供送和包装材料的供送同步精度调节要根据包装质量的要求，生产速度，正反方向的补偿情况等因素综合考虑。调节Rl可必变精度的大小，如果同步精度要求高，生产速度快，要适当调小R1阻值。另外，调节R7和R8，改变伺服电机每次补偿的时间。如果伺服 31 电机正反向动作交替频繁，说明补偿量超过需要，可适当减少补偿时间。如果伺服电机单方面动作频繁，说明该方向的补偿不够，可适当增加补偿时间。理想情况下的补偿伺服电机的动作补偿不太频繁，而且正反向的协动作交替都有。因此，要将R1、R7和R8配合起来调节。 通过实际运行证明，该控制方式的原理和电路是合理，可行的，能够满足实际需要，同步控制精度可以在不停机的情况下实现在线调节，控制效果大大优于常规的凸轮控制方式。 32 图3-13控制电路原理 3(5本章小结 本章主要对控制系统的供电线路及包装各工位的电气图进行设计，并根据放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依据自适应控制原理设计和实现了张力控制，同时也实现了送料过程中的同步控制并绘出了电路图。 33 第四章 PLC的软件设计 4.1.概述 PLC基于计算机，但不等同于计算机。普通计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就行了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性以及信息的使用等问题。特别是要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。 1(可编程序控制器实现控制的要点。 入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自行开发的应用程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。 可靠物理实现主要靠输入(input)及输出(output)电路。PLC的IYO电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦合元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦合元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。I,O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或0电路。PLC有多少I,O点，一般也就有多少I,O电路。但由于它们都是由高度集成化的电路所组成的，所以所占体积不大。 输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存到输入寄存器中。每一输入点都有一个对应的存储信息的寄存器。输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点，输出锁存器与输入点也是一一对应的。这里的输入锁存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I,O口的寄存器。它们通过总线与内存交换信息，并主要由运行系统程序实现。把输入暂存器的信息读到PLC的内存中,称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一 34 对应位(bit)称之为输入继电器,或称软接点。这些位置成“1’*-I9表示接点通，置成“0”为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位(bit)与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。依靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器，这个映射也称输出刷新。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。图4-1对以上叙述做出了说明。其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息流向及实现信息流动的手段。这个图既反映了PLC实现控制的两个基本要点，同时也反映了PLC中信息的空间关系。 图4-l PLC内部原理示意图 2(可编程序控制器实现控制的过程简单地说，PLC实现控制的过程，一般是:输入刷新—+运行用户程序—+输出刷新—+再输入刷新—+再运行用户程序—,再输出刷新„„永不停止地循环反复进行着。有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为:有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区:经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息;再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止的循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化，只是在时间的响应上略有滞后。当然这个滞后不宜太大，否则所实现的控制不那么及时，也就失去了控制上的意义。为此，PLC的工作速度要快，速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。 3(可编程控制器实现控制的方式 用以上这种不断重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在这种方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正在运行的程序中止，转而去处理中断工作 35 (运行有关中断服务程序)。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。显然，中断方式和扫描方式是不同的。 4.1.2PLC程序的总体结构 本系统采用的PLC软件是西门子公司的Step7，Step7编程软件可对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用Step7可以方便地创建一个自动化解决方案。 图4—2为创建一个自动化项目的基本步骤。 图4-2创建自动化项目的步骤 项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括:硬件结构的组态数据及模板参数;网络通讯的组态数据;以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。生成一个项目的主要任务就是为编程准备这些数据。数据在一个项目中以对象的形式存储。 在生成一项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可经借助于模板样本对可编程控制器中的CPU及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，都会自动生成S7,M7程序及空的连接表。连接表可用 36 来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成后就可为编程模板生成软件。为可编程模板 编制的软件存储在对象文件夹中。对SIMATICs7模板而言，该对象文件夹称作“S7Program”。在子菜单中，可以选择要生成的块的类型(如:数据块DB，功能FC，功能块FCB，组织块OB或变量表VAT)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序。 要下装S7用户程序块，或S7可编程控制器上装程序到编程器和其它操作，需在编程设备和可编程控制器之间建立连接。为建立在线连接，编程设备和可编程控制器必须通过合适的接口相连(如，多点接口MPI)。然后，可通过一个在线的项目窗口或“AccessibleNodes(可访问站点)”窗口访问可编程控制器。如果在编程设备中没有关于可编程控制器的项目数据，则可选择通过“AccessibleNodes”窗口来建立在线连接。这种访问方式可快速访问可编程控制器，可用于测试目的。如果在编程设备PG,PC的项目中有组态的可编程控制器，可通过选择在线的项目窗口建立连接。该窗口显示可编程控制器中的项目数据。可编程控制器中的S7程序或M7程序都可以在在线窗口中显示。 在完成组态，参数赋值，程序创建和建立在线连接后，可以下载整个用户程序或个别块到一个可编程控制器。在下载完整的或部分用户程序到CPU之前，把工作方式从RUN模式置到STOP模式。可以通过在线连接下载各个块或整个用户程序到RAM。在可编程控制器中，如果掉电且RAM没有被备份则数据丢失。也可以下载整个用户程序到EPROM存储卡中。当电源关断后和CPU复位时，保存在他们的数据将被保留。另外，可以从可编程控制器中上载一个工作站，或从一个S7CPU中上载块到PG,PC。这样，当出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，就可以在PG,PC中编辑它。 4(1(3 PLC编程软件Step7简介 Step7编程软件是基于Windows95,98或WindowsNT的为S7-300,400PLC配置和编程的标准软件包。通过Step7，用户可以进行系统配置和程序的编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I 37 ,O通道的状态等。SIEMENSS7-300系列PLC编程语言有三种:语句表编程语言(STL)、梯形逻辑编程语言(LAD)和功能块图编程语言(FBD)，其它编程语言作为可选软件包使用。通过编程器在WindowsNT的环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视，用户界面方便友好。 1(梯形逻辑(LAD)是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似:当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。 2(语句表(STL)是STEP7编程语言的文本表达方式。与机器码相似，如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易，语句表已扩展到包括一些高层语言结构(例如，结构数据的访问和块参数)。 3(功能块图(FBD)是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能(如数学功能)可用逻辑框相连直接表达。 4.1.4模块化编程 Step7有三种编程方法:A:线性编程;B:分部式编程;C:模块化编程。模块化编程就是把程序分成若干程序块，各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令，每个功能区被分成不同的块进行编程，这有利于程序的多人同时编程，也利于程序调试和故障的查找。 广义的程序块分为系统程序块和用户程序块。“，如表4-1所示。系统程序块是集成在CPU操作系统中的预定义的功能和功能块，不占用用户存储空间，并且在整个系统中都具有相同的接口、相同的名称和相同的编号。用户程序块是提供给用户用于管理用户程序代码和数据的区域。 STEP 7将用户程序指令存放在“块”中。本控制系统用户程序，主要有四类程序块:功能FC(Function)、功能块FB(Function block)、组织块OB (Organizationblock)和数据块DB(Data block)。其中FB和FC作为0B的子程序。全局数据块:全局数据块中定义的监控量(地址)可被所有逻辑块使用，因而在全局数据块中定义了包装传输设备、环境量、电源等所有监控量(地址)，根据此地址，逻辑块可访问、调用所有的监控量。 根据卷纸包装机的实际情况，我们在编程时作了如下规定:DBl定义存 38 储放卷分切的所有开关量和模拟量;DB2定义存储环境设备的监控量;DB3定义存储包装过程的所有开关量监控量;DB5定义了所有电源的监控量。具体到各站的定义又根据设备和通信的需要稍有不同。根据PLC设备对定义变 节(32位)分配地址，模块的起始地址是量地址的规定，数字量模块都按4个字 实际插槽(SLOT)号减l乘4，每个数字量只占1位地址;模拟量模块自动按16个字节的地址寄存器分配地址，模拟量模块的起始地址是实际插槽(SLOT)号减1乘64，再加上512，每个模拟量占用2个字节的地址。 表4-1程序块的分类和功能 系统功能 支持设置模块参数、数据通讯和拷贝等功能 SFC 系系统功能 操作系统功能的一部分，需与背景数据块一同使用 统 程 序SFB 块 系统功能 由STEP7各种工具产生的程序存储区，存储有组态 SDB 和通信连接的各项参数 程 组织块OB CPU与用户程序的接口 序 功能块FB 与背景块一同使用，调用块 逻辑块 后数据可保持 用功能FC 无背景数据块，调用后数户 程 序据不能保持 块 全局数据块 可被程序所有逻辑块使用 数据块背景数据块 与特定功能块对应使用， DB 提供数据存储空间 1(组织块(OB):提供CPU操作系统与用户程序的接口。OBI为执行用户程序的接口。 2(功能块(FB):有相连存储器区的逻辑块。单个FB块可以带不同的即时数据块，多次调用。FB块定义为“可再调用”块，用户程序对每次FB调用提供新参数。 39 3(功能(FC):无相关联的存储器区的逻辑块，Fc块定义为“可再调用”块。用户程序对每次FC调用提供新参数，由于FC块处理数据的不同方法，一个 FC比FB需要CPU处理开销较少。 每个S7CPU中常驻内存有系统功能块(SFB和SFC)。STEP7提供存储程序和数据的不同类型块。根据过程的要求，可以将程序用不同的逻辑块(组织块，功能块和子功能块)加以结构化。也可以管理处理程序的数据。 组织块中有两种模块对程序的编制和运行十分重要，它们是启动模块OBl00和主循环模块OBl。“。启动模块OBl00通过调用功能FCl22实现对PLC设备的热启动。功能FCl22必须在每个CPU中调用，实现启动DB块基础数据(BASICDATA)中的起始字节存储器，并重新设置相应的正在运行的存储器。 主循环模块OBI中存放所有用户程序以待执行，也可以将用户程序存放于不同的功能模块中，只在OBl中调用，需要时才执行。PLC的CPU中的操作系统在系统启动后将连续执行OBl，完成用户程序实现实际的控制。OBl中还可调用其它的系统功能模块完成指定的系统工作。 图4-3CPU循环程序处理过程 Network1 Call FC127 40 Call FC127 Call FC127 FCl27功能模块包含启动阶段所要执行的主要任务，如所有通信通道的建立过程，还包括启动阶段的组织任务，如启动和监视请求，响应信号等。每个CPU中都要在组织模块中调用此功能。FCl21功能模块负责CPU中连续数据和时间的管理，此功能是在配合CPU通过本地TIM同步的情况下使用的。SFC30系统功能模块用于激活模块参数设置中设置的每天时间同步控制。图4-3示意了的CPU循环程序处理工作过程o”卷纸包装机PLC控制软件共有8个FC块，2个DB块和及一个SFC系统功能块。FC功能块功能和作用如下所述: FCl:手动自动工作方式功能 FC2:放卷，分切功能 FC3:装料功能 FC4:夹钳功能 FC5:包装过程功能 FC6:送料同步控制功能 FC7:指示灯控制功能 FC8:BCD码显示控制 41 图4-4系统应用程序结构框图 PLC控制系统的应用软件程序结构如图4-4所示。OBl为启动块(Starup)，在系统启动时调用。OBl作为循环扫描块(ScanCycle)，每次执行完后在从头执行，周而复始。OBIO为时间中断块，在本系统中设置为每分钟中断一次以便计数1分钟类包装的个数。0835为循环中断(或定时中断)程序块系统程序框图如图4-5: 图4-5 总体程序流程框图 下面以工作方式和装料工位及包装过程控制为例具体介绍几个程序的编制。 手动自动工作方式FCl 用转换不关SA3-1，SA3-2来控制，SA3-l对应输入点I7.0; SA3-2对应 42 输入点I7.1，其工作方式梯形图和程序结构图分别如图4-3，4-4。 图4.3 工作方式梯形图 图4.4 程序结构图 43 装料工位FC3 从第三章工位1的控制线路图中了解到，该工位既可以实现点动又可以连续动作，点动程序比较简单，在此不做叙述，下面是用STL语句编写的连续动作的程序。且装料的上升和下降过程实现了互锁，以免电机误操作而损害设备。其输入点的设置为:SB2，SQa，SQb，SQc，SQp，SQd，SQg，输出点为KMd，KMr，KMu，KMf，KA。其I,O与图3-2的控制线路相对应的地址如下表4-2: 表4-2工位l控制系统I/O地址表 名称 控制线路中对应号 输入地址 SB2 I0.0 中间继电器启动信号 SQa I2.1 到达工位2的行程开关 SQp I2.2 到达工位1的行程开关 SQb I2.3 纸片上升到位 SQc I2.4 纸球上升到位 SQd I2.5 托纸片台下降到位 SQg I2.6 托纸球台下降到位 名称 控制线路中对应号 输出地址 KMf Q0.1 纸片上升 KMr Q0.2 托纸片台下降 KMu Q0.3 纸球上升 KMd Q0.4 托纸球台下降 KA M0.0 中间继电器 其程序如下: Networkl:(开中间继电器KA以实现连动) O I 0.0 O M 0.0 44 = M 0.0 Network2:(KTl延时程序，延时到，工艺盘动作) A M 0.0 A I 2.1 L S5T#120Ms SE T l AN T 1 = M 0.1 Network3:(Kl'2延时，延时到，工艺盘动作) A M 0.0 A I 2.2 L S5T#150Ms SE T 2 AN T 2 = M 0.1 Network4:(压动行程开关Sqa，推动纸片和纸球上升) MCRA A M 0.0 MCR( O I 2.1 O Q 0.0 O Q 0.1 MCR( AN I 2.3 AN Q 0.1 = Q 0.0 AN I 2.4 AN Q 0.4 45 = Q 0.3 )MCR )MCR MCRD Network5:(T2延时到，使纸片和纸球推杆下降) MCRA A M 0.0 MCR( ON T 2 O Q 0.4 O Q 0.1 MCR( AN I 2.5 AN Q 0.3 = Q 0.4 AN I 2.6 AN Q 0.0 = Q 0.1 )MCR )MCR MCRD 包装过程FC5 根据第三章叙述，设定一个8位移位寄存器，而此处最少是16位，因此我用一个转移指令来实现。即Mw6最初装入值是二进制的0000000000000001，每隔一定时间MW6左移1位，当移动到0000000100000000时，恰巧等于设定的Mw8 的值，移动指令MOVE使其立刻回0000000000000001，使其又从头开始循环移 位。该工位梯形图如图4—8，通过PLC的模拟器s7一PLCSIM Simulating module 模拟程序运行结果如图4-9，其程序请见附录: 46 4-8包装过程梯形图 47 图4-9包装过程程序模拟运行图 4.2监控程序的开发 本人了解过多个工控软件，如:FIX，INTOUCH等。从系统的灵活性、通用性来看，WinCC应该是比前两个略强。因为在WinCC系统中嵌套的ANSIKC语言，给系统提供了最大的灵活性。其标签点的定义与其它工控软件不同，在WinCC中，其模拟量点为一个点一个标签，对数字量点，在WinCC中，可以以8位，16位，32位为一个标签，从最大限度地节约标签数来说，对数字量点可以以一模板为一个标签点计算，但根据我们使用的经验看，最好使用8位为一个标签，这使计算机处理更方便。WinCC的报警管理、报表管理功能比其它工控软件好。因此编制监控软件所采用的系统软件平台为西门子公司组态软件WillCC(WindowsControl Cemer)。该软件具有很强的组态能力，是一个优秀的工控监控程序运行平台，能方便地和西门于PLC网络通信，具有较强的实用性。 4.2.1组态软件WinCC简介 WinCC是德国西门于公司和微软共同开发的软件系统，是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和微机软件强大功能的产物，是世界上第一个集成的人机界面(HMI)软件系统。它真实地将工厂控制软件集成到过程自动化中。WinCC将WindowsNT应用程序的现代体系结构和使用方便的图形设计程序集合在一起，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方 48 案。各系统集成商还可以用WinCC作为其系统的扩展基础，通过开放接口开发自己的应用软件。 WincC的一个主要特点是，它能和所有主要厂商的PLC进行通讯，如AB，GE，OMRON的PLC等等，甚至用户所特有的控制器也可以通过WinCC提供的CDK(通讯开发工具)进行通讯。 用WinCC建立一个新项目，它会自动为该项目建立一个目录，与该项目有关的信息都存放在该目录下，启动WinCC，打开或新建一个项目，WinCC 的基本项目环境就以树型结构显示出来。其主要控制模块如下: 建立 1(计算机 用来设置本机的启动属性及项目的运行环境。 2(标签管理 用于建立过程标签(又叫外部标签)和内部标签。其中过程标签用于与PLC 通讯，它连接着PLC内部的内存位置，是实际上监视自动化过程的数据标签。 过它，WinCC可以将现场数据读入上位机以图形方式显示出来，也可以将上位机的命令传送到PLC上，使操作员在控制室里就可以了解现场的情况并发出相应的控制命令。内部标签是WinCC内的内存位置，可以用于存放计算过程中的中间结果，还可以在软件调试阶段暂时代替过程标签。 3(数据类型 对于此项，用户查看而不能操作，它列出了WillCC中所有的数据类型及该项目所建立的该类型的标签。 4(编辑器 它是WinCC的核心部分，用于对整个项目的编辑、组态。包括以下几个控 制模块。图形编辑器、报警管理器、标签管理器等。 1)图形编辑器。它是编辑器中最重要的组成部分。它操作简单且功能强 大，所有的画面编辑和几乎所有的动态连接都在这里完成。 2)报警管理器。它可以表示位报警和模拟量报警。位报警根据标签指定 位的状态产生相应的报警信息，可用于对开关量的判断。模拟量报警 对标签的极限值进行监测:如果标签值高于指定的上限值或指定的另 49 一标签的当前值，则产生上限报警;如果标签值低于指定的下限值或 指定的另一标签的当前值，则产生下限报警。报警信息可存于硬盘的 报警档案中，还可以用表格的形式显示于监控画面上或由打印机输出。 操作员可根据报警信息快速找到故障原因并修理。 3)标签管理器。通过它，可以周期地或事件触发地记录测量值，包括过 程值、内部标签值、来自任何应用的值以及手动输入的值，然后存于 硬盘的测量值档案中，防止数据丢失。记录下来的数据可以以表格和 曲线的形式显示于监控画面上或由打印机输出。 4.2.2使用WinCC实现过程监控 无论是小规模简单的过程控制和监控应用还是复杂的应用，WinCC都可以生成漂亮的人机界面，保证生产过程的安全，使操作人员能够优化生产过程。用WinCC建立一个项目，一般需要以下几个步骤m，: 1(建立标签 确定所使用的PLC，在标签管理器中建立相应的驱动连接，并定义用于访问PLC的过程标签。如果需要，还可以定义若干个内部标签。用户可在WinCC提供的驱动器连接中选择自已所需要的，也可以自已开发。 2(编辑监控画面 这是建立项目中最重要的工作。利用图形编辑器编辑监控画面，并将其中的对象与相应标签建立动态连接。 WinCC提供的图形对象有很多种。基本对象库里有OLE控件、按钮、滚动条、单选钮、应用窗口(可以将记录标签值的表格、曲线及报警信息放入其中显示)等等，图形库里有各种特殊的图形对象，如水箱、电机、阀门等等。除此之外，还可以针对特殊情况自己生成I蛩形对象存入图形库中，待使用时从中选取即可。用户还能以BMP、WMF、EMF、OLE等形式导入外部图形和文本数据。这样就可以建立非常逼真的监控画面。 WinCC可以为任一对象的任一属性或发生的任一事件提供动态描述。其实现方法有;直接与标签链接、动态对话框、直接链接及C语言编程方式。 1)直接与标签链接。这是最简单的方式，它使对象的属性与所选标签的 50 值保持一致。例如将一个T,O域对象的输入,输出值属性与标签x直 接链接，那么在运行时I,O域中将显示标签X的当前值，而在该i,o 域中输入的值也会被送给标签x。 2)使用动态对话框。通过它实现根据表达式的值来设置对象的属性。它 提供了四种类型的控制:模拟量类型可以将某模拟量表达式的值划分 为若干区间，然后设置表达式的值在某个区间时对象属性的取值，例 如用一个棒图对象来显示某个标签的当前值，且要求其值在不同的取 值范围中时，棒图以不同的颜色显示，就可以使用该方法实现;布尔 类型用于根据布尔表达式的值来设置某对象属性为两种可能取值之 一，如对某命令按钮的可操作性进行控制;位类型用于根据标签的特 定位的状态来控制某对象属性，如用一个标签中的四位控制四台电机 的运行与停止，某位为“l”，则对应电机转动，否则停止;直接赋值 是将表达式的值直接赋予该对象属性。 3)C语言编程。用于要实现的功能比较多或计算比较复杂，用上述几种方 式不易实现的情况下。 4)用事件触发操作的链接方法。WinCC除了可让对象的属性在运行状态 下按要求动态变化外，还可指明某事件发生时应该执行的操作。可供 选择的方法有直接链接、C语言编程及动态向导。 其中C语言编程的使用与属性的动态描述中使用方法相同，只是这种动态变化由某个事件来触发。动态向导最终生成的也是c函数，仅简化了编辑过程。对于可以使用动态向导的功能，用户只需按提示经三个步骤就可完成链接，而不必键入任何c的语句。例如设置一个按键，其功能是按下时结束WinCC的运行状态，那么只需在动态向导窗口选中ExitWinCCRuntime一项，然后在系统提示下选择有效按键(鼠标左、右键)即可。直接链接实现的功能是，使该事件发生时某个WinCC对象影响其他对象的属性。例如滚动条的位置可以影响一个测量仪表指针的转角。 3(设置运行环境 在项目环境的计算机属性一项中设置。包括运行时显示画面的形式(如是 51 否全屏显示等)、启动画面、运行的控制模块等。其中运行的控制模块中图形运行是必需的，其他选项视实际情况而定。例如:项目中有记录标签值的功能，则标签管理器的运行应选中;若使用了报警，则报警管理器及文本库的运行应选中。如果运行环境参数的修改是在运行状态下完成的，必须先退出运行状态，再重新启动运行才有效。 4(在WinCC下运行项目 启动项目的运行，画面上的对象将根据动态链接的设置按实际情况动态显示，使操作员可以在屏幕上看到类似于现场实际情况的监控画面。 4(2(3系统监控程序的设计 1(组态编辑 组态编辑的内容是整个监控程序的核心。主要任务是通过WinCC软件的图形设计(Graphics Designer)功能，组态编辑一系列的用户界面文件，通过这些界面文件从网络上PLC中获得各种监控数据并以不同的形式显示在界面上，利用这些数据完成一定的功能。通过这些界面，操作人员能及时、准确的了解生产线的运行情况。同时根据不同的操作级别，可以设置机器的运行参数，实现对生产过程的控制。 监控程序要达到的目的就是要使操作人员能方便、直观的从监控计算机的显示屏上看到整条生产线的运行状态、实现集中控制。所有需要监控的数据和由这些数据产生的故障、报警信息都应能通过监控程序查阅到，数据和故障、报警信息的显示方式应根据现场情况设计。 2(监控程序设计 监控程序由一系列监控界面组成，监控界面是利用WinCC的图形设计功能设计的，利用它创建了一系列用户界面，当监控程序运行时，操作者就可以通过这些界面显示的内容完成对生产过程的监控。 用户界面是由一系列图形、按钮、FO框、文本框等组成，图形都代表了一定的意义，表示了机器的大致结构;按钮用于子界面之间的切换;FO框可以显示及其运行参数或设置运行参数;文本框用于显示文本。 3(过程数据的采集和传递 52 过程计算机完成高精度的设定计算和在线监控，过程计算机的WinCC数据管理器通过逻辑连接来访问远程PLC中的过程值。通道单元通过指定通道的连接来执行访问过程值所需要的通讯步骤，由此为witlcc数据管理提供了过程值。所读入的数据作为过程映象存储在计算机的RAM中。所有w证cc组员均可访问该过程映象。数据管理器按照通信协议在后台不断更新数据，而用户程序对数据的读取和修改则是通过标签(Tag)实现的。在WinCC项目内，标签被赋予唯一的名称和数据类型。每个标签都被分配给一个逻辑连接，该逻辑连接确定了哪个通道使用哪个连接向标签传送了过程值。这些标签存储在用于整个项目范围的数据库内。在软件组态时，用户需在标签管理器中定义标签的地址、数据格式等后就可以在程序中应用他们n?。所有包装过程数据 PLC采集，这些数据包括放卷辊直径信号，调节辊位置信号，主速节点都由 线速度等等。这些检测数据以模拟量(标准信号)方式或以数字量方式(BCD码)进入PLC，采集的数据经过标定和工程化处理后存入包装过程数据块。过程机用户程序根据需要读取数据，并对数据进行图形显示、归档、打印输出等处理。另外，PLC将一部分重要数据以模拟指针或BCD码方式输出到操作台显示。由于w(mCC数据更新速度所限，瞬间(持续时间小于250ms)的故障状态往往不能正确判断和记录，为此将故障判断和故障记录数据功能移到PLC中，PLC判断并记录故障，然后将故障信息和数据送入WinCC的故障信息和故障记录数据库。控制参数由PLC的模拟量输出或数字输出到相应的执行机构。 监控应用程序主要包括监控图形系统、故障信息系统、数据记录和报表系统四个部分，这四个部分互相结合，实现了监控系统的状态监视、数据录入、故障报警和报表打印功能。 4.2.4包装过程状态监视实现 包装过程图形系统。这些动态图形使操作员,工程师方便快捷地了解到自己所需要的信息，并可以保存每一次的试验记录，同时可查询、浏览以往的试验记录，进行分析比较，为生产实践提供最佳的工艺参数和控制方案。 53 图4—9添加WinCC髓驱动程序窗口 建立一个单用户项目，项目名为Paper，在变量管理器里添加新的驱动程 序如图4-9所示，在bin文件夹里选择SIMATIC S7 Protocol Suite(CHN作 图4-10连接参数MPI设置图 Fig(4-10 Chart of setting connection parameter 1VIPI 目的通信协议，然后在SIMATIC- S7 Protocol Suite的子菜单MPI下新建驱动程序连接，在连接属性栏，点击属性出现连接参数MPI，其参数设置如图4-10，插槽号一定要设置为2，否则WinCC的变量标签就无法与PLC连接，就不能实现监控。然后建立标签。工艺盘上八个V形槽的及计数器等的标签分别定义为: 表4—3包装过程监控标签 54 名称 类型 参数 Power 二进制变量 11.0 C10 计数器 无符号16位数 V0 二进制变量 M7.0 V1 二进制变量 M7.1 V2 二进制变量 M7.2 V3 二进制变量 M7.3 V4 二进制变量 M7.4 V5 二进制变量 M7.5 V6 二进制变量 M7.6 V7 二进制变量 M7.7 MW20 包装个数,分 无符号16位数 其监控界面如图4-1l所示: 其中，按钮Exit Wincc是退出监控程序，用鼠标左键单击，即可退出。其程序如下: #include”aNefap(h” void OnLButtonDown(char‘lpszPictureName，char4 lpszObjectName，char+ lpszPropertyName，UINT n_Flags，hat X，hat y) { { ExitWinCCO; } ) 55 图4-11包装过程监视运行模式图 4(3本章小结 本章根据PLC原理用SIEMENS的STEP7设计了某些功能块的梯形图和STL程序，并用S7-PLCSIM simulator模拟其运行结果。并利用SIEMENS的工控组态软件设计了包装过程的监视界面。 第五章PLC控制系统的通讯实现 S7的PLC网络有以下几中典型类型:多点接口网络(MPI)、工业以太网、PROFIBUS现场总线、TCP,IP协议网络等。本章以多点接口网络(MPI)PROFIBUS现场总线为例，讨论S7-300与工控组态软件WinCC之间的通信及应用问题。 在包装机控制系统中，下位机PLC通过CP343—5通讯处理器，使用PROFIBUS现场总线通讯协议与操作室的工控机组成现场总线工业控制网络。WinCC通过视窗控制中心的过程驱动软件与PLC通讯，访问PLC中的过程变量。PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令。 5.1 S7-300及多点接口网络(MPI) 56 S7—300采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、各种信号模板、通信处理器等模块，其中CPU上有一标准化MPI接口，它既是编程接口，又是数据通行接口，使用S7协议，通过此接口PLC之间、或与上位计算机之间都可进行通信，从而组成多点接口MPI网络，其构成框图如图5-1所示。MPI网络上的所有设备都被称作为节点，每一个节点都有一个不同的“MPI网络地址”，这些地址是在S7-300硬件组态中设置的。 图5-1 MPI网络构成框图 5.1.1 S7-300硬件组态 在实验时，计算机作为编程装置，打开S7—300编程软件包STEP7，首先对计算机的一些参数进行设置，如选择串行通信口COMl作为编程通信口MPI地址为2，数据传输速率为187.5kbps等。 然后开始对S7-300硬件组态，即对S7-300的机架底板、电源、CPU、信号模件等按其实际配置和物理地址进行组态，其中在CPU的组态中要设置MPI地址可分别设置为2、3，最后将组态程序表下载PLC以确认。 5.1.2 S7-300软件编程 在STEP7中，可用梯形图、语句表或流程图进行编程，若选择“线性程 计”方法，则把所有程序放在组织块OBl中即可，OBl是PLC操作系统与序设 用户程序间的接口，PLC周期性的调用此块。若选择“结构式程序设计”方法，则通过组织块OBl调用其它块如功能块FB、数据块DB等。 5.1.3 S-300相互间的通信 多点接口MPI网络中的各台PLC之间通信比较容易实现，可在STEW中创建全局数据通信表(简称GD表)，对全局数据(Global Data)进行定义，标明数据的发送和接收关系，最后将GD表下载到各台PLC即可。 57 5(2 PROFIBUS概述 随着微电子技术的发展，微处理器和微控制器由于其性价比持续快速提高而可以在工业控制领域得到广泛应用。各种仪表、仪器、装置和设备由于微处理器的嵌入而智能化的趋势逐步在控制系统中向下渗透。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的。现场总线系统在技术上具有如下特点: 1(系统的开放性、互可操作性与互用性 2(在分级控制系统中，采用现场总线的系统虽然可能具有足够的智能( 数字计算能力)，但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级 功能。 3(现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报 文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。 4(采用现场总线的系统通常费用较低，可以用低廉的造价组成一个系统， 而且与上层网络连接的费用也不高，与较高级通信网络相比， 、可 靠性与故障容限高、实时响应性好、对环境要求低等优点。 PROFIBUS(Process Fieldbus)是SIEMENS开发的一个工业控制现场总线标准，主要用于过程控制和制造业的分布式控制。PROFIBUS协议的基础为ISO,OSI的网络参考模型，但又与它不完全一致。PROFIBUS只包含第1、2和7层。图5—2显示了ISO,OSI参考模型与PROFIBUS体系结构的比较。它主要由三部分组成: 58 7 应用层 现场总线信息规范 现场总线管 6 理(FAM) 表示层 低层接口(LLI) 5 会话层 无 4 传输层 3 网络层 现场总线链路控(PLC) 2 现场总线管 数据链 介质存取控制(MAC) 理(FAM 路层 1 物理层 物理层(PHY ISO,OSI参考模型 PROFIBUS层次结构 图5-2 ISO,OSI参考模型与PROFIBUS体系结构比较 PROFIBUS—FMS，这是最通用的模块。ROFIBUS—DP，这是一种经过优化的高速而便宜的通信模块，专用于对时间有苛刻要求的自动控制系统和设备级分散I/O之间进行通信。ROFIBUS—PA，这是SIEMENS专门为过程自动化而设计的。本次设计采用的是ROFIBUS—FMS及ROFIBUS—DP。 5.2.1 PROFIBUS—FMS的协议结构 ROFIBUS--FMS(Fieldbus Message Specification现场总线信息规范)是为现场的通用通信功能所设计的协议，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，适用于一般的自动化控制。 ROFIBUS--FMS中对对应于ISO,OSI的网络参考模型的第l、2和7层均加以定义。应用层包括现场总线信息规范FMS和低层接口(LLI LowerLayerI nterface)。FMS包含了应用协议，并向用户提供了强有力的通信服务。FMS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)分组。借助于此，才可能访问一个应用过程的通信对象。LLI协调了不同的通信关系，并向FMS提供不依赖设备访问的第2层。LLI将现场总线信息规范(FMS)的服务映射到第2层(FDL)的服务。除了监控连接或数据传输外，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。第3层到第6层 59 并不明显，这几层的功能在低层接口LLI中完成。 第2层现场总线数据链路(FDL)可完成总线访问控制和数据的可靠性操作，它还为ROFIBUS--FMS提供了RS485传输技术或光纤传输技术。 第l层物理层(PHY)规定了线路介质、物理链接的类型和电气特性。 5.2.2总线存取协议 ROFIBUS—FMS的总线存取协议通过第2层实现。总线协议必须满足介质存取控制的基本要求。即，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务;应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此，总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。令牌传递保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取牌(令牌)。令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。 第2层的重要任务是保证数据的可靠性，以及传输协议和报文的处理。具体来说，ROFIBUS--FMS数据链路层(FDL)的服务包括:带确认的数据发送(SDA);不带确认的数据发送(SDN);带应答的数据发送和请求(SRD);带应答的数据循环发送和请求(CSRD)。 5(3现场总线信号与系统监控软件之间桥梁一OPC 现场总线作为开放的控制网络，能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机后，如何让现场信号与计算机内部各应用程序连接起来，让现场信息出现在计算机的各应用平台上，依然存在一个连接标准与规范的问题。OPC就是为解决这一问题所提出的。这里的现场信号OPC系统监控软件是指现场总线与计算机之间的信息传递通道。 OPC(OLEforProcessContr01)意为过程控制中的对象链接嵌入技术。它是一个开放的接口标准，一个技术规范。OPC规范包括OPC服务器和OPC客户两部分。其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立一套完整的“规则”， 60 只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的。OPC的出现可将不同制造商的部件集成在一起，而不用向从前一样先要为每个部件专门开发驱动或服务程序，然后还需把这些制造商提供的驱动或服务程序与应用程序联系起来。有了OPC作为通用接口，就可以把现场信号与上位监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它与PC机、和应用软件平台链接起来，如vB、C++、Excel等。图5-3描述了这几部分的信号传递关系。 图5-3 OPC的功能和作用 从图中可以看到，对象链接与嵌入技术(OLE--ObjectLinking&Embedding) 是OPC的重要组成部分。OLE由两种数据类型来组成对象。一类为表示数据 (presentation data)，另一类为原始数据(native data)。表示数据用于描述发送到显示设备的信息，而原始数据则是应用程序用以编辑对象所需的全部信息。在OLE模型下，既可实现对象链接，也可把对象嵌入到文档中。链接是把对象的表示数据和原始数据的引用或指针置入文档的过程。嵌入是把对象的表示数据和原始数据都确确实实地置于文档中，因而嵌入会使文件变大。而链接由于一个对象数据可服务于不同文档，因而具有更高的效率。 从图中可以看到，OLE自动化在现场设备与Pc机应用程序的信息交换中发挥了重要作用。OLE自动化是一种在应用程序之外操纵应用程序对象的方法。 利用OLE自动化，OPC这个过程控制中的对象链接和嵌入技术，为应用程序间的信息集成和交互提供了强有力的手段。 5(4 S7-300与WinCC之间的通信 PLC与上位计算机的通信可以利用高级语言编写程序实现，但用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议，严格按照通信协议规定为计算 61 机编写通信程序，所以对用户的要求比较高。 选用工控组态软件实现PLC与上位计算机的通信则相对比较简单，因为工控组态软件一般都提供不同设备的通信驱动程序，用户可以不必熟悉PLC网络的通信协议，另外工控组态软件提供的强大工具使用户开发应用程序变得非常简单。下面以卷纸包装机控制系统为例，讨论S7—300与上位计算机之间通信的实现方法。 WinCC提供各种PLC的驱动软件，因此使PLC与上位计算机的联接变得非常容易，我们用WinCC与STEP7合用，结果更是大幅度降低了工程时间，因为在STEP7中配置的变量表可以在与WinCC的联接时直接使用，本文讨论的实例正是利用了这一特点。通过视窗控制中心(WinCC)可以访问在PLC中的过程标签。在对视窗控制中心的过程驱动软件连接进行配置以前，应确保下列条件满足: 1(PLC配备有一个通讯接口——视窗控制中心使用通讯驱动程序来支持 该通讯接口。 2(PLC的通讯接口必须适当配置，以便使控制程序能够借助于通讯调用 功能来访问该接口。通讯硬件配置参数应正确。 3(视窗控制中心所要访问的标签地址(取决于所使用的PLC)必须正确。 4(在视窗控制中心系统内必须安装相应的通讯硬件。 另外，为了能够在运行方式下能访问标签，PLC必须与过程取得连接，并与视窗控制中心系统的物理连接安装完好。 62 图5-4WinCC和PLC过程通讯 在视窗控制中:(WinCC)和PLC之间的过程通讯构成如图5-4所示。访问外部标签，必须为远程PLC通讯安装通讯驱动程序。通讯驱动程序是PLC系统与WinCC之间的接口。通讯驱动程序应包括一个或多个通道单元，通过操作系统接口和硬件驱动程序，通道单元就可以支持通讯所需的硬件(通讯端口或Pc模块)。通道单元是通讯驱动程序的一部分，必须用它来与通讯硬件的操作系统接口进行通讯。通过通道单元操作逻辑连接，逻辑连接提供了访问标签的方法。WinCC通道是作为WindowsDLL实现的，并与系统动态地链接。各个WinCC通道代表了对带指定协议的连接参数的访问。一个通道DLL可支持同一类型的多个通道单元。WinCC数据管理通过逻辑连接来访问远程PLC中的过程值。通道单元通过指定通道的连接访问过程值所需要的通讯步骤，由此为WinCC数据管理提供了过程值。所读入的数据作为过程值映象存储在计算机的RAM中，所有WinCC的组元均可访问该过程映象。 S-300与WinCC之间通信的实现步骤: 第一步首先启动WinCC，建立一个新的WinCC项目，然后在标签管理(TagManagement)dP选择添加PLC驱动程序，本文实例要建立一个多点接1:3 MPI网络，所以选择支持s7协议的通信驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite(CHN，在其中的“MPI”下联接S7-300，而且要设置节点名、MPI地址等参数，而且MPI地址必须与PLC中设置的相同。 第二步在组态完的S7-300下设置标签，每个标签有三个设置项，即标签名、数据类型、其中最重要的是标签地址，它定义了此标签与S7-300中某一确定地址如某一输入位、输出位或中间位等一一对应的关系。设置标签地址很容易，可以直接利用在STEP7中配置的变量表，如设置标签地址为Q0.0，表示S7-300中输出地址Q0.0。用此方法，将S7-300与WinCC之间需要通信的数据一一作成标签，即相当于完成了S7-300与WinCC之间的联接。 第三步在图形编辑器(Graphics Editor)中，用基本元件或图形库中对象制作生产工艺流程监控画面，并将变量标签与每个对象连接，也__，也就相当于画面中各个对象与现场设备相连，从而可在CRT画面上监视、控制现场设 63 备。 5(5本章小结 本章主要介绍了通讯协议，并实现了S7-300与工控机WinCC的通讯 64 全文总结 通过四个半月的学习与设计，经历了实验室调试、模拟现场调试以及现场调试等几个阶段;最后在现场调试中各项功能都基本达到了预先设定目标，保证全部逻辑正确完成，系统可正常工作。在本次课题工作中，除了锻炼了自己的能力外，也积累了不少经验，同时发现有不少值得改进的地方，现总结如下: 1( 完成了电气控制系统硬件和软件的设计与调试工作，使系统能够按预期的目标正常地运行。 2。 全部程序(包括PLC程序和工控机程序)均采用模块化设计思想，程序的注释和文档也比较充足，不仅在设计时使结构清晰，易于检查和修改。而且为以后软件的维护和改进提供了方便。 3( 对系统的可靠性进行了充分的考虑，加入了各种保护措施，尽量消除了各种可能的事故隐患。 4( 工控机和PLC的结台非常利于小型自动化系统的实现，用PLC作为下位机实现现场的信号输入和实时控制，使执行可靠，且有效地实现了分散控制。用工控机作为上位机进行参数的设定及系统的监控和管理。各取所长，分工明确。 5( 利用工控组态软件实现PLC与计算机通信的方法简单易行，它降低了对用户的要求，大大缩短了设计周期，系统继承性较好，尤其对于大规模复杂控制系统来说这些优点更为突出，因此在现代工业自动化控制领域，采用工控组态软件进行标准化设计是一必然趋势。在设计完成之后，也发现本设计中存在着一些不足之处和需要改进的地方: 1( 程序中实时画面的主要作用是辅助监控现场状况，以防意外事件的发生。但实际使用中，许多操作员认为还是直接观察现场更加直观稳妥。故此拟引入CCD摄像头，将现场情形直接显示到显示器上，这样就可以降低工人操作的复杂性，并使界面更加漂亮直观。 2. 设计中采用了热继电器，变频器及电机等也都有过热恢复，拟在以后的设计中加入声音报警功能，即当变频器或电机过热时，程序利用蜂鸣器发出尖 65 锐的声音提醒操作员有故障发生，达到提高反应速度、降低故障危险性的目的。经过此次毕业设计，收获颇丰，感觉最大的收获应该是对理论和实际相结合的重要性有了深刻的认识。原来在课本上学到的东西当实际用起来时才知道相差甚远，实验室里完成了调试到了现场依然问题不断。所有这些，都使我深深认识到“纸上得来终觉浅，须知此事要躬行”。 66 致谢 结束本文之际，作者谨向恩师XXXXXXX机电工程系副教授XX致以崇高的敬意和由衷的感谢。导师渊博的学识、严谨细致的治学态度和一丝不苟的工作作风时刻影响着我。 同时也衷心感谢机电工程系XX主任在课题研究和论文工作中对本人的指导，他们踏实的工作作风、勇于开拓、勤勉奉献、团结协作的敬业精神使我受益非浅。 在做毕业论文中，得到了老师指导和同组同学的帮助支持老师的耐心指导和热情，使本人能够比较顺利完成毕业论文，在此表示由衷的感谢。 在论文的完成中，还得到同班同学XXX，XXX，XX的支持和帮助，在此感谢他们。 另外特别要感谢我的父母、姐、妹，在二十多年的学习生活中，他们在精神和物质上都给了我极大的支持，还有我的同学们，几年来，我们一起互勉互励，携手共进，有他的鼓励和支持，我才能专心投入到论文的研究工作中来，在此，特向他们表示我深深的谢意! 最后再一次诚挚地感谢所有给予我指导和帮助的老师和同学，感谢在百忙中抽出时间进行论文评审的各位老师!谢谢～ XX 二零一 年十二月十七日 XXXXXXX 67 参考文献 [1]陈立定，吴玉香，苏开才(电气控制与可编程控制器(广州:华南理工大学了版社，2001(2 [2]路林吉，王坚，江龙康(可编程控制器原理及应用(北京:清华大学出版社，2002 [3]齐从谦，王士兰(PLC技术及应用(北京:机械工业出版社，2000(8 [4]张万忠，周渊深(可编程控制器应用技术(北京:化学工业出版社，2001(12 [5]郝振武(PLC远程I,O控制在电厂输煤系统中的应用(南京理工大学)(中国工控网,经验视点,PLC控制，2003 [6]吴亚雄(毛巾印花机PLC控制系统及设计(单位:重庆海康实业有限公司设备能源部，中国工控网,专业论文，2003 [7]李胜勇(JZ6—660全自动高速吸塑成型机智能温度测控及运动自动控制系统的研究与实现(硕士学位论文，广东工业大学图馆，2003( [8]吕砚山，宗孔德(常用电工电子技术 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 (北京:化学工业出版社，1995年1月第1版 [9]陈黎敏(双底辊复卷装置的张力控制，硕士学位论文，江南大学，2001(1 [10]韩曾晋，自适应控制原理[M]，北京:机械工业出版社，1983 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Network5:(到工位2时，T3开始延时250MS) A M 1.0 L SBT#250MS SD T 3 70 Network6:(与Network5形成互锁) A T 3 = M 1.4 Network7:(TS延时到，MW6移动1个工位) A T 5 FP M 0.0 JNB -004 L MW 2 L MW 6 SLW T MW 6 SET SAVE CLR 004:A BR = Q 0.2 Network8:(比较MW6是否等于MW8，如等于，MW6变为00000001) A T 5 A( L MW 6 L MW 8 ==I ) Q 0.5 Network9:(判断是否到达1工位，如到，则T2开始延时) A( O( L 16 71 L M W 6 ==I ) 0( L 1 L M W 6 ) ) = Q 0(6 NetworklO:(当开关量10(2启动或T2、T3延时到时，T5开始延时120MS, 即工 艺盘开始移动一个工位) O M l.4 O M 0.5 O A I 0.2 AN Q 0.6 AN M 0.0 AN M 1.0 L S5T#120MS SD T 5 Networkll:(判断是否到达第3工位，如到，启动装料机构) O( L 8 L MW 6 ==I ) O( 72 L 128 L MW 6 ==I ) = Q 0.7 Networkl2: A T 2 = M 0.5 Networkl3 A Q 0.7 = M 0.3 Networkl4: A Q 0.6 L S5T#150MS SD T 2 Networkl5:(计算1分钟类能包装卷纸的个数) A I 0.2 L C#O S C 10 Networkl6: A Q 0.7 CU C 10 2)OB10的程序: Networkl: L C 10 T MW 20 SET SAVE 73 CLR A BR = M 1.5 Network2: A M 1.5 R C 10 74