佛山西门子PLC代理商CPU供应商

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1前言
        相对以往化纤生产设备来说，现在的设计思想中越来越多的引入了“柔性生产”这一概念，柔性生产线具有配置简单，自动化程度高，可程序化和重新配置的优点，而被广大用户所采用。

        在化纤柔性生产线中，挤出机是整个设备的重要部分，而后续各卷绕部分的速度同步才是整个系统的关键。系统中多电机速度同步精度的高低，直接影响着化纤丝成品的质量。

        在以前的此类生产线中，大多数采用在各辊上安装现场操作箱，根据实际情况人为调整速度的方法进行控制。这种方案存在如下缺点：（1）不便于数据的集中管理；（2）需要根据各个速度，手工计算牵伸比；（3）实际速度不满足要求，需要再循环跑到各个区域去调节，操作非常麻烦；（4）废品率偏高。

        针对上述问题，此次设计中，在理念上采用集中控制与分散控制相结合的方式，将触摸屏与PLC作为控制的。触摸屏设置配方数据，PLC直接计算牵伸比，通讯控制变频器速度。集中的操控人机界面，并在各辊上安装现场操作箱，既能在触摸屏上进行所有的控制，又能在现场进行整个系统的操作。

        通讯的应用是现代工业发展的一大主题，用通讯方式设计的系统结构简单，运行，能有效的避免硬件故障带来的整个系统的损失。

化纤柔性生产线是化纤丝生产中的一种重要的生产线，它的结构包括挤出机，计量泵，分丝盘，水箱，牵伸辊机（包括加热和不加热），导轮，冷却箱，力矩辊机和收丝机。在加工时，将化纤颗粒放入挤出机漏斗，经过挤出机加热挤出并在分丝盘将化纤溶体分成几百束的初级化纤丝后经水冷却，然后将化纤丝几十根为一把经过导轮缠绕在各牵伸辊机上逐级拉伸后变成很细的化纤丝成品卷绕在收线盘上。从初的化纤丝到成品之间化纤丝的初细就靠各辊机运行速度的逐渐加快来确定，具体的快慢由牵伸比设定，不同的产品牵伸比不同。




        本系统在设计时充分考虑了操作的简易性，只需要设定其中的主速度，通过牵伸比就可以把各级的速度分别计算出来，在调节速度时，各级的牵伸比也会自动计算出来，并进行自动保存。




        现场操作时，在各级上有一现场操作箱，可以进行速度同升同降，单启动、停止，联动启动、停止和紧急停止功能，另外在4热七辊机和8热五辊机的两个操作箱上还装有两个线速表，用以显示当前的线速度，便于现场调节。集中监控时，将控制柜上的选择开关拨到触摸屏端，即可用触摸屏进行启停操作，但不管集中控制还分散控制，都可在触摸屏上设定数据和显示当前频率和电流。




3硬件设计
        本系统主要由触摸屏、PLC、变频器、测速编码器以及其它一些辅助元器件组成。整个系统通过通讯进行，结构简单，操作方便，运行。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模块，外带一个16点的EC20-1600ENN输入扩展模块。




        EC20 PLC是艾默生小型PLC的端产品，它具有高性、高响应性，强劲的通讯功能，丰富的指令集等，其中程序容量可达到12K步，而基本指令时间才0.09μs。它的板件经过了严格的三防处理，工作电压AC85~280V，具有的抗干扰性，是系统稳定运行的保证。重要的是它自带了一个RS485/RS232的通讯接口，有丰富的通讯指令，使得和外部设备通讯变得为简洁方便。




        由于各牵伸辊机对速度要求非常高，所以各牵伸辊机的变频器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7台TD3000变频器，并且3五辊机、4热七辊机、6热七辊机、8热五辊机、9热七辊机和11七辊机都增加测速编码器以保设备对速度精度的要求。12收线机由于设备对速度要求不是那么严格，所以采用了不带测速编码器的TD3000变频器。




        TD3000变频器是艾默生公司的矢量控制型变频器，可以加测速编码器组成速度闭环控制，能实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、编码器断线检测、能进行参数考贝等多种功能，并有RS485自由通讯接口，可以满足系统的要求。计量泵采用的是两台艾默生EV1000通用型变频器。




        监控人机界面采用10.4寸触摸屏，进行数据显示和设定，直观。

        在整个系统中，PLC是控制，它可以立完成整个控制过程，在触摸屏发生故障时，仍然可以通过现场操作箱进行控制而不影响整个系统的运行。

为达到单位时间的产量大化，要求每一个工位的控制时间小化。以2000/分为例，每个工位只有30ms。除去机械时间，留给控制的时间往往只有几ms。这就要求PLC运行速度够快。

由于大量的电气和外观测试是由单的测试仪器完成，要求PLC适应包括GP-IB, RS232/485,Ethernet等多种通信。而且通信速度要求够快。
由于部件价格低廉，对控制器的格要求很高但控制要求和控制轴数却不少,由此形成矛盾。

FA-M3适用模块：
主控制器－－－－-F3SP28-3S/53-4S: 高速CPU, 小扫描200μs，
☆基本命令17.5ns,小扫描200μs, 20-40K步的贴片机程序，平均只要3-5ms.
☆搭载3处理器并行处理，通信及人机不再占用扫描时间。
各旋转轴控制－－－－-F3NC32/F3NC34/F3YP14/F3YP18-0N
☆由外部输入直接启动位控，不再占用CPU程序且响应时间小于0.72ms
☆部件运动到位后不经CPU直接启动测试仪或图像检测设备，间隔时间小于0.72ms.
☆使用软件设定动作/测试/监视。不再需要繁琐的梯形图编程。
☆YP一个模块大可控8轴，提供价格比。
各监测仪表通信－－－－-F3GB01/F3LE11/F3RZ81/F3LB01-0N:
☆提供115k RS通信，100M Ethernet, GP-IB, Profibus, DeviceNet等多种多样的高速通信。

FA-M3使用后效果：
FA-M3缩短工位间的运动时间及与测试设备的通信时间从而大大提高了产能。以一个16工位20K程序的机械为例，扫描可快5倍以上，马达启动时间每工位少10ms, 提高产能可达10-30%。

= 1 \* GB2 ⑴输入继电器（X）

汽车制造产业规模大，自动化水平要求高，涉及的自动化技术和产品包括控制产品、现场总线、运动控制、机器视觉、离散传感器、产品等等，汽车制造业成为自动化的主力市场之一。汽车行业是PLC应用的二大终用户行业，仅次于冶金行业。 汽车生产线分为冲压、焊装、总装和涂装（喷漆）四大工序。每个工序都会大量使用PLC进行控制，因此是PLC应用大的潜力行业，也是对综合技术要求的FA行业。

    冲压车间除用机械手以外，其他控制都用PLC。焊装车间主要用于传输控制，一条生产线用5－8个PLC。如标志206压装线，采用分布式控制，每一个PLC控制一个小系统，如物流生产线上的工位。总装车间PLC主要用于输送线控制，输送线分三种：高架线、内饰线和终装线。高架线上 PLC用于后轴和前轴的发动机控制，终装线用于进行测试控制和各个工位的移动控制。一般一段工艺（如终装线）用一个PLC，中型的在300IO左右，大的 1000IO以上。

    汽车行业的PLC用户不仅包括各种类型的整车厂家，还包括各种总成、部件以及零件厂家，不同厂家使用的PLC差别较大，覆盖各种规模的PLC产品。在零部件厂家，大、中、小型PLC分别用于输送机控制、烤炉控制柜，和空调控制。

    汽车行业大中型PLC产品应用较多，从应用的产品看，中型PLC比例大。小型PLC应用很少，主要在一些前处置电小车中有应用。

    与前几年略有不同，三年前汽车生产线和其自动化产品基本都是采购的，在中国的汽车生产线大多来自进口，PLC随生产线同时引进，只是在国内采购相关的备件。但是近几年汽车市场竞争激烈，汽车大幅降价，厂商开始降，很多生产线上的自动化产品开始国内采购。但是汽车产业是分散制造行业，不同的零部件来自不同的分厂，使用不同的生产设施，因此一家汽车制造厂会使用多个的PLC。

    Siemens、Omron、Mitsubishi、RockwellAutomation在汽车行业的用户覆盖广泛，其他如ABB、Schneider、GEFanuc、Koyo和LS在特定的用户也有运用。汽车行业的选择有一定的国别特征，通常日本汽车企业如本田、尼桑等会选用Mitsubishi的PLC产品。

    随着今年金融危机的影响的加剧，汽车行业也受到了的冲击，因此未来一年PLC产品在汽车行业的前景并不乐观。

1 PLC基础知识 

1.1　PLC的发展历程 
 
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，采用程序化的手段应用于电气控制，这就是代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。  个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 
 
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 
 
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 

1.2　PLC的构成 
 
从结构，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 

1.3　CPU的构成 

CPU是PLC的，起神经的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 
 
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 
 
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 
 
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 

1.4　I/O模块 
 
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 
 
常用的I/O分类如下： 
 
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 
 
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 
 
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受大的底板或机架槽数限制。 

1.5　电源模块 
 
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 

1.6 底板或机架 

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 

1.7 PLC系统的其它设备 

1.7.1 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 

1.7.2　人机界面：简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 

1.8　PLC的通信联网 
 
依靠的工业网络技术可以有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。 
 
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、 PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 
 

2 PLC控制系统的设计基本原则 

2.1 大限度的满足被控对象的控制要求。 

2.2 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。 

2.3 保证控制系统。 

2.4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。 

3 PLC软件系统及常用编程语言 

3.1　PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用 STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。 

3.2　PLC提供的编程语言 

3.2.1　标准语言梯形图语言也是我们常用的一种语言，它有以下特点 

3.2.1.1　它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 

3.2.1.2　梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 

3.2.1.3　梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 

3.2.1.4　内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 

3.2.1.5　PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。 

3.2.2　语句表语言，类似于汇编语言。 

3.2.3　逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。 

4　STEP7程序的使用 

4.1　创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。 

4.2　组态一个站，组态一个站就是你要使用的可编程控制器，例如S7300、S7400等。 

4.3　组态硬件，组态硬件就是在组态表中你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。 

4.4　组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有改经验一定不要修改。 

4.5　定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些具描述性的符号名替代地址。符号的命名一般用字母编写不过8个字节，不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。 

4.6　创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1）、分布编程（编写功能块FB,OB1组织调用）、结构化编程（编写通用块）。我们常采用的是结构化编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。 

4.7　下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器在允许下载的工作模式下（STOP或RUN-P）, RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的 CPU程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。 

5　WINCC程序的使用 

5.1　简介，WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机的操作监视系统，它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面的满足生产实际要求。WINCC有两个版本RC版（具有组态和开发环境）、RT版（只有运行环境），我们一般使用的是RC版。 

5.2　WINCC简单使用步骤 

5.2.1　变量管理，确定通讯方式安装驱动程序，然后定义内部变量和外部变量，外部变量是受你买的WINCC软件授权限制的大授权64K字节，内部变量没有限制。 

5.2.2　画面生成，进入图形编辑器，图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以使用包含在对象和样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。 

5.2.3　报警记录设置，报警提供了显示和操作选项来和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器中的对象库中的报警控件。 

5.2.4　变量记录，变量记录是用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。 

5.2.5　报表组态，报表组态是通过报表编辑器来实现的。是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表的形式。 

5.2.6　全局脚本的应用，全局脚本就是C语言函数和动作的通称，根据不同的类型脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动作的执行。 

5.2.7　用户管理器设置，用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户，就设置了WINCC功能的访问权利并立的分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。 

5.2.8　交叉表索引，交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。

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