济南西门子一级代理商CPU供应商

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0   引言 
    随着我国高速公路和高速铁路等基础建设的迅猛发展，对路基材料的生产设备-稳定土厂拌站的需求日益增大。 稳定土厂拌站的自动控制系统设计对于提高稳定土生产效率和提高物料配比精度具有重要意义。针对目前稳定土厂拌站自动控制系统国内外发展现状，又结合本系统设计对象的实际工程需求， 本文展开了对稳定土厂拌站自动控制系统的设计和研究工作。 
1   稳定土厂拌站结构组成 
    稳定土厂拌设备主要由计算机自动控制系统、粉料配送系统、骨料配送系统、集料皮带、搅拌装置和成品料输送储存系统等几部分组成。其中有一套粉料配送系统，五套骨料配送系统。除此之外，还有供水系统、供气设备和上料装置等。

 骨料配送系统：由装载车将各种骨料装入料斗，由出料口落下，经骨料皮带传送至集料皮带，由集料皮带输送至拌缸。料斗装有震动传感器，用于防止骨料结块而影响下料。骨料皮带由皮带电机传动，皮带电机的转速由相应的变频器进行控制。系统检测皮带称重信号和速度信号，输入至控制系统。 
    粉料配送系统：车至料场的粉料存储在粉料仓中。生产过程中，粉料仓中的粉料经蝶阀落入减量秤称重料仓中，给料机将减量秤料仓中的粉料输送至螺旋输送机中，螺旋输送机将粉料输送至拌缸。给料机速度由变频器控制，从而控制粉料配料比例。系统检测减量秤重量信号和给料机的速度信号，输入至控制系统。

2   稳定土厂拌设备自动控制系统的结构组成 
    稳定土厂拌站自动控制系统主要由 PLC、上位机、变频器、传感器及其他电控元器件构成，

 本控制系统采取PLC 与上位机配合控制的方式。其中PLC 作为控制，负责开关量与模拟量信号的采集与输出，以及程序的控制。选用西门子S7-200系列PLC中的CPU226作为PLC 系统的CPU，该型号的 CPU具有两个通讯口PORT0和PORT1，一个通讯端口用于PLC 与上位机进行通讯，另一个通讯端口用于PLC 与变频器之间进行通讯。五个小皮带以及粉料的螺旋输送机处安放称重传感器，用于采集各种骨料和粉料的称重信号，该信号输入到 PLC 的模拟量模块，用于程序的计算处理。六台变频器用于控制五种骨料的皮带电机和粉料的螺旋给料机的运转速度。PLC与6 台变频器进行以 MODBUS 方式进行通讯，变频器的启动与停止控制、运行频率的采集与设定、变频器的故障监控都通过通讯的方式完成。

    上位机使用西门子公司的 WinCC 作为组态软件。上位机主要完成对生产过程的实时监控和相关数据的设定与显示，同时也可以对 PLC 发送相关指令。上位机的数据报表功能可以实时记录稳定土生产过程中的相关关键数据，并能够根据用户需求生成自定义的数据报表，自动保存在的位置，用于用户打印和后续的查询或统计分析。上位机的故障显示与记录功能可以便于生产维护人员在系统故障时根据提示信息的查找和排除故障，尽量缩短故障维修时间。同时，上位机也具有配方管理功能，能够缺省设定多组配方，可以供使用者选择，系统管理员也可以对配方进行修改、下载、上载或者新增配方。

 

3   下位机设计 
    下位机的PLC 控制程序是稳定土厂拌站自动控制系统的。本系统PLC 控制程序主要是按照稳定土生产工艺的要求，实现对稳定土厂拌设备的启停控制、各种物料的配料比例控制、机械设备之间的逻辑互锁、相关信号的采集与处理等功能。 
    系统设计稳定土的生产过程分为两种控制方式：自动控制和手动控制。在手动控制模式下，厂拌站操作手可以控制各个机电设备的启停，可以手动调整各个配料电机的转速从而改变各种骨料和粉料的配比。在自动控制模式下，系统的配料过程由 PLC 程序控制，人工不能调节配料变频器的转速。手动控制和自动控制的实现都有一个前提条件：集料皮带、拌缸和上料皮带都已经运行， 防止当启动物料配送时由于前方设备没有运转而导致骨料在集料皮带上的堆积造成浪费和清理问题。 
    为实现自动控制系统对稳定土厂拌站的控制任务， 本系统在程序设计上主要分为以下几个部分：主程序、系统初始化、流程控制、数据采集与处理、自锁控制、PID 配料运算、标定与调零、故障报警、变频器通讯等。简单介绍其中的几部分。 
3.1 流程控制 
    流程控制部分分为手动和自动控制两种方式。在按顺序启动上料皮带、拌缸、集料皮带之后，操作者可以通过自动或手动的方式来启动后续流程设备。在生产流程中自动控制和手动控制的主要区别在于： 自动控制过程中五种骨料和粉料的配料变频器由程序自动来控制启停和调节其输出频率， 不需要人工干预； 而手动控制模式下人工可随意启停各个配料变频器，并且可以手动调节各个变频器的输出频率。配料变频器的启动与停止是有固定的顺序的，各个变频器的启停之间有一定的时间间隔， 该时间间隔可以在上位机监控画面的参数设定部分进行设定和调整。另外，还有一些相关的设备如空压机、电铃、成品料仓仓门等设备需要人工来启动。

3.2 自锁控制 
    根据机械生产厂家的要求，在程序部分设置自锁控制功能。厂家出于货款回收方面的考虑，对控制系统提出设置自锁功能的要求，基本思想就是设置两个时间密码，在设备运至生产现场之后与货款全部收回之前，输入个时间期限，当设备运行到所设置的时间之后，控制系统将会自动锁死，无法进行正常操作。当收回全部货款之后，输出时间密码，控制系统可以一直运行。可以通过 TODR 指令读取实时时钟。将所读取的实时时钟与设置的时间密码进行比较，即可得到设置时间是否用完。 
3.3 PLC与变频器的通讯 
    本系统采用PLC与变频器进行通讯的方式来实现PLC对变频器的启停控制和频率设定以及读取变频的一系列运行数据。PLC 与变频器之间采用 Modbus RTU 方式通讯，波特率设为 9.6K，采用CRC 校验。在 RTU 模式下，消息发送至少要以 3.5个字符时间的停顿间隔开始，程序中以 10ms为间隔进行数据的发送与接收。PLC 和变频器采用主从的方式进行通讯，PLC 是主机，变频器是从机。一共有六台变频器，在其参数设置中将其地址设为 1-6号。PLC 与变频器之间的通讯是一个“查询-回应”的过程，如图 4 所示。 
    PLC 中的通讯部分程序大体分为以下几块：通讯初始化、发送完成中断程序、接受完成中断程序、发送组码程序、生成校验码、数据发送与接收。 
    通讯初始化部分程序在 PLC 的个扫描周期运行，其主要功能是设置 CPU226 的自由端口的通讯格式、数据接收格式及复位各寄存区、连接中断。 

  发送完成中断程序主要完成的任务是：定义开始接收数据，并且置位接收标志，复位发送标志。 
    接收完成中断程序主要完成的任务是：根据接收到的数据重新计算校验码，并与接收到的 CRC 域中的值进行比较。如果两者一致，则说明正确，将接收到的数据存入对应的寄存器中。 
    生成校验码：根据 CRC检测方法生成校验码，具体生成方法是：①装入一个 16位的寄存器，所有数位均为 1；②该 16 位寄存器的高位字节与开始 8  位字节进行"异或"运算。运算结果放入这个 16  位寄存器；③把这个 16 寄存器向右移一位；④若向右（标记位）移出的数位是 1，则生成多项式 1010000000000001 和这个寄存器进行"异或"运算；若向右移出的数位是 0，则返回③；⑤重复③和④，直至移出 8 位；⑥另外 8 位与该十六位寄存器进行"异或"运算；⑦重复 ~ ③⑥，直至该报文所有字节均与 16 位寄存器进行"异或"运算，并移位 8 次；⑧这个 16 位寄存器的内容即 2  字节 CRC 错误校验，被加到报文的有效位。

4   上位机WinCC监控画面设计 
    根据用户需求以及工程实际应用的考虑， 本系统在上位机监控画面的组态上主要考虑到以下几个原则：监控画面能够清晰直观地显示设备的运行状态；能够对生产关键数据进行实时显示；能够对生产过程中物料配比数据进行修改；能够对设备运行过程中产生的故障报警信息进行显示和存储，可以进行报警历史进行查询；具有报表功能，能够将用户关心的生产数据自动生成个性化报表，并且能够自动在每班生产结束之后保存在位置，用户能够按照条件查询报表数据。 
    基于以上基本原则和要求，本课题以 WinCC 为开发平台，对稳定土厂拌站自动控制系统的上位机监控组态程序进行了设计开发。

  有系统当前的运主画面主要用来显示设备的整体生产流程， 监控生产过程中的设备启停状态、显示生产数据、报警指示等，并且行模式指示（“手动运行”与“自动运行”）。
    生产数据主要由几个部分组成：骨料和粉料的设定比例、设定流量；骨料和粉料的实际比例、实际流量；设备的设定产量、瞬时产量和累计产量等。 
    在主画面的底部有一系列按钮，如“参数设定”、“配料设定”等。点击按钮，即可进入对应的子画面。

应用自由口通信要把通信口定义为自由口模式，同时设置相应的通信波特率和上述通信格式。用户程序通过特殊存储器SMB30（对端口0）、SMB130（对端口1）控制通信口的工作模式。 

 CPU通信口工作在自由口模式时，通信口就不支持其他通信协议（比如PPI），此通信口不能再与编程软件Micro/WIN通信。CPU停止时，自由口不能工作，Micro/WIN就可以与CPU通信。

 通信口的工作模式，是可以在运行过程中由用户程序重复定义的。

 

如果调试时需要在自由口模式与PPI模式之间切换，可以使用SM0.7的状态决定通信口的模式；而SM0.7的状态反映的是CPU运行状态开关的位置（在RUN时SM0.7="1"，在STOP时SM0.7="0"）

自由口通信的指令是发送（XMT）和接收（RCV）指令。在自由口通信常用的中断有“接收指令结束中断”、“发送指令结束中断”，以及通信端口缓冲区接收中断。

与网络读写指令（NetR/NetW）类似，用户程序不能直接控制通信芯片而通过操作系统。用户程序使用通信数据缓冲区和特殊存储器与操作系统交换相关的信息。

XMT和RCV指令的数据缓冲区类似，起始字节为需要发送的或接收的字符个数，随后是数据字节本身。如果接收的消息中包括了起始或结束字符，则它们也算数据字节。

调用XMT和RCV指令时只需要通信口和数据缓冲区的起始字节地址。

同样，需要注意：

 XMT和RCV指令与NetW/NetR指令不同的是，它们与网络上通信对象的“”无关，而仅对本地的通信端口操作。如果网络上有多个设备，消息中必然包含地址信息；这些包含地址信息的消息才是XMT和RCV指令的处理对象。

 由于S7-200的通信端口是半双工RS-485芯片，XMT指令和RCV指令不能同时有效。

在PLC实际应用过程中，一旦系统出现故障，往往用户以为出问题出自PLC里，实际有都不是PLC的问题。而是由于用户不熟悉而造成的以为是故障、而其实不是故障的现象。用户的接线错误、编程错误、开关位置的错误、仪表故障、传感器故障等，都常常会使人误以为是PLC的错误。
当发现PLC没有按照自己的期望来进行工作时，要对PLC和PLC周边的设备和环境进行诊断。
一、从PLC外部的情况来进行的故障诊断。
在PLC没有像期望的那样开始工作的时候，应该先从PLC的外部来进行判断，这样，可以比较轻易地排除那些不是故障的误会。
所有的PLC在CPU模块、I/O模块或电源模块上都有LED指示灯。通常，红灯表示问题，绿灯表示OK。如果一个LED在闪烁，通常表示功能正在执行或者这个模块在等待什么。对LED灯状态的正确诠释可以节省你很多故障诊断的时间。所以在故障诊断之前，你应该把制造商的故障诊断指南看一遍并放在手边。
1. 如果PLC不能进入运行(RUN)模式，你可以用下面的方法来看看问题是在硬件还是软件：
(1) 临时将终止循环指令放在你的用户程序的行。如果现在PLC可以进入运行模式了，表示问题在你的软件中;而不是PLC的硬件问题。(有些PLC需要你在进入运行模式之前，先所有的错误状态，即使原来的问题已经正了)。
(2) 将PLC的内存复位(注意!，你要将PLC的内存的内容做一份拷贝，或者，你确信你愿意丢失内存中所有的程序、数据和组态)。如果PLC现在可以进入运行模式，问题就出在组态或者冲突使用的内存上。
2. 如果在检测一个传感器时，你发现PLC不能从一个传感器得到信号，检查该传感器的输出是否正常，接线是否正确。如果传感器经检查没有问题，则换一个同型号的输入模块，如果PLC能够识别该模块的改变，就表示输入模块故障了(或者你刚才传感器连线错误了),那么，可以按照如下的方法观察PLC输入模块的LED灯是否与传感器的状态变化一致：
(1) 如果输入LED没有动静，用万用表检查PLC输入模块的端子看看信号是否变化。如果没有，将传感器与PLC的连接断开，单对传感器进行测试。看看外接电源是否正常，检查直流电源的性是否接反。有些PLC是漏电流型(SINK)的，所以对应的传感器电路是正端子接到PLC的输入接点上，其它的DC输入模块是电流源型(SOURCE)的，则传感器电路要通过电源的地线接到输入接点上。
(2) 如果LED状态是发生变化了，可能是你的程序有问题。在你的用户程序中的行加一条终止循环的指令，然后运行程序，观察输入映射表，如果该位现在改变了，问题就在你的程序，很可能是你的程序中有一条指令对输入映射表进行了改写，从而改变了它的值。
3. 如果输入映射表依然不随着输入模块的LED的状态而改变，那么，可能是传感器电路有故障。传感器电路的电流能力可能不足以驱动输入状态，虽然它可能足以改变LED的状态。检查输入触点有没有不正常的小的电压变化。
如果一个执行器看来无法得到PLC试图写给它的信号，观察输出模块的LED，确信它们是否随着PLC改变输出状态而一起改变：
(1) 如果LED确实改变，用万用表检查输出模块的端子，是否提供了足以驱动外部电路的信号，同时也检查性是否正确。如果是，则将执行器从PLC上断开，对执行器单进行测试。(有些输出模块有保险丝，检查一下是否保险丝断了?)
(2) 如果LED 不变化，检查输出电路的电源，和它与输出模块的接线，(DC 输出可以是源型或漏型的)，如果接线正确，将执行器从PLC的输出模块断开，看看现在LED在不带执行器时是否改变。
换一个同型号的输出模块，如果PLC可以改变的输出状态，那么刚才的模块或接线就有问题。
二、PLC系统的硬件、组态和编程的故障分类和诊断方法。
如果按照上面的方法，发现连接到传感器或执行机构都可以工作，那么你就可以应该PLC内部状态或PLC程序的问题了。
由于PLC是由人来进行安装、组态和编程的，所以可能会发生很多人为的使用过程中的错误。PLC制造商(如德维森)通常都提供了很多工具来找出这些错误。这些错误可以分为以下几类：
1. 致命错误
这些错误将导致PLC离行模式而进入故障模式(类似于硬件故障所导致的情形)。致命错误通常发生在PLC开机自检时或程序执行时的部件失败。有的编程和组态问题(如定时器时，试图运行一个不存在的程序，等)也会导致致命错误。
当PLC进入故障模式时，它将故障LED打开，并将所有的输出关闭为OFF(或者冻结在它们的上一个状态)，PLC也会在内存中保存一个故障代码，编程人员可以读取该故障代码确定故障的原因，解决问题后，故障状态，将PLC电源关掉再打开，重新进入运行模式。
现在的PLC通常都会保存对几个近的故障的详细描述，并允许编程人员编写在致命故障发生时可以运行的故障程序，我们在九章曾经描述过故障进程，本章我们主要讨论如何找到和使用故障代码。
2. 非致命故障
非致命故障是PLC可以探测到，但不至于使PLC离行模式的故障。有些可探测的硬件问题，如内存的后备电池电压低，只导致非致命故障。非致命故障也可以由组态和编程错误引起，如一个定时中断程序的执行被一个的程序的运行而延迟，或者一个算术操作产生了一个太大以致无法存入目标内存的数，等等。
非致命故障导致PLC设定相关的状态位或者将相关的错误代码写到内存中。当结果太大或太小以致无法保存时，数据字处理指令将把内存中的算术标志位设置为1。用户程序应当检查这些状态位或代码，并作出响应，因为PLC将像没有错误发生一样继续执行程序，有些非致命错误状态位在的章节已经讨论过，本章我们将讨论另外一些。
3. 编程或组态逻辑错误
这些错误是PLC不能自动检查出来的，但可以用程序中的故障检测指令或者编程单元的程序监视功能来检查。
逻辑错误的例子包括一个用户将一位设为OFF而不是ON，两段用户程序试图控制同一个输出，或者结构化编程旁路了一段需要的程序等等。
早期的PLC设计为不允许逻辑错误，如两个横档控制一个输出，或者跳转指令向程序进行跳转，等，但用户需要大的灵活性，因此，即使这些措施都取消了。有些编程单元在编程人员写出上述具有潜在错误的逻辑语句时，会提供警示信息，但编程者可以忽略它们。
编程语言都包括简单的调试工具：提前终止扫描循环的指令，这样程序可以一段一段来检查;导致致命或非致命的错误，使PLC在某些情况下立即停止;以及其它特别为调试程序中的某一个问题的指令。标准指令比如，计数器，可以临时插入程序中，记录事件发生的次数。编程软件也包括调试工具，如在用户程序执行时，监视和改变数据内存，强迫I/O映射位开或者关，以观察程序如何响应;记录某个特别位或特别字的短时间的变化，然后用历史趋势图显示这些变化;当某个特别位在使用时，生成一个程序中所有地方的交叉参考清单;还有搜索工具，可以找到程序中某个特别地址或指令在程序中的位置

PLC控制系统有单机控制、集中控制、远程I/O控制与分布式PLC控制系统四种基本类型。

  单机控制是指一个控制对象（设备、简单生产线等）采用一台PLC进行控制的情况。适用于控制对象单一，设备的各控制部分相对集中，控制对象与其他设备间无协同控制要求的场合。

  集中控制是指利用一台PLC控制多个控制对象（如数台设备、生产线等）的情况，适用于控制对象相对集中，单台设备的动作较简单，对象动作间有协同控制要求的多对象控制的场合。

    远程I/O控制系统是由一台PLC控制多个控制对象，并且使用远程I/O模块的系统。远程I/O控制系统适用于设备体积较大，控制对象相对分散，但对象动作间有协同控制要求的场合。

  分布式PLC控制系统是一种以PLC为主体构成的网络控制系统。系统的一个（或相对集中的数个）控制对象由一台立的PLC进行控制，构成相对立的单机（或集中控制）控制单元；各单元PLC之间通过网络总线连接，组成生产现场控制网，并由上位机进行统一调度与管理。分布式PLC控制系统适用于柔性加工系统(FMS)、车间自动化系统、大型生产线、装配流水线等，是目前PLC应用领域的阶段。

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