西门子6ES7221-1EF22-0XA0使用说明

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1  引言
我国建筑陶瓷产业在20世纪后期得到迅猛的发展,陶瓷出口量年平均增长率达20-30%,占世界陶瓷墙地砖总产量的50％以上,现在已成为世界较大的陶瓷产区,未来将是世界传统陶瓷的强大制造中心。然而,在我国陶瓷产业快速发展的同时也伴随着诸多问题,就行业总体水平而言,档次偏低、技术水平不高,如何提高产品质量,与国际接轨,走向国际市场,己是摆在企业面前的重要课题。自动检测机械至今仍是我国陶瓷机械行业的一个空白,目前在大批量生产的陶瓷墙地砖中,通常都采用人工检测的方法[1]。一方面传统的人工接触式测量方法跟不上现代墙地砖加工工业的非接触测量要求,另一方面传统的离线、静态测量方法又满足不了现代加工中主动测量的实际需要,不能及时控制生产过程,在生产中经常出现因不能及时产品、控制流程而造成废品的情况,再者人工测量为静态和局部单点测量,存在速度慢、效率低等问题,检测时人为影响因素很大,如受读数、测量方法、测量习惯、量具磨损等因素影响 [2]。随着现代检测技术的发展,要求设备应具备速度快、精度高、稳定性强、实时自动检测等特点。因此,研制适合我国国情的墙地砖实时自动检测系统不仅可以大大提高分拣的准确度,保证产品质量的稳定性和一致性,而且符合主动、在线、实时、非接触测量的现代检测要求,将大幅度地节省劳动力,并减轻工人劳动强度。对满足我国建陶行业技术装备现代化需求,使我国尽早成为陶瓷生产强国有着重要社会经济意义。出于这种目的,本文对检测理论及软、硬件设计部分进行细致的研究,设计了基于PLC的瓷砖平整度在线检测分级系统。 

2  检测系统的整体框架
平整度分拣系统由传送、检测和分级三部分组成。应用光学三角法检测技术[3],通过编码器及PLC的高速计数器功能对移动中的待检测瓷砖的采样位置进行精确定位,当传感器感应到待检瓷砖进入到检测区域时,由PLC通过I/O端口给出采样指令,使用激光位移传感器对移动中的瓷砖表面进行信息,经过传感器内部运算得出距离数据,以4-20mA的电流信号传递给PLC的AD转换模块,将模拟量信号转换成数字量提供给PLC的主机单元进行数据运算,在PLC内部按照特定的算法进行数据处理,将得出的瓷砖各边平整度数据与HMI中设定的分级阀值进行比较分级、判定凸凹。PLC根据判定结果通过I/O端口驱动电磁阀控制相应的分级气缸带动铅笔为瓷砖做出标记,以便于后期工人分拣。检测时在HMI中显示实时测量数据及相关的检测信息。控制流程如图1所示。

3  检测系统硬件设计
在瓷砖平整度在线检测过程中,激光传感器直接的测量值是传感器到瓷砖表面的距离 (瓷砖表面的高度信息)。在线测量的过程中,能否准确获取这个距离对于瓷砖平整度的测量结果有较大影响[4]。所以瓷砖在检测工位的平稳传送是保证测量值准确无误的必要条件。由此可见,在瓷砖平整度在线测量系统中,输送机构能否使瓷砖正确、平稳的经过检测工位是实现平整度的准确无误检测的前提。

基于上述考虑,本测量系统采用图2所示的结构实现墙地砖的平稳传送。系统的传送机构由前方导向轮、滚筒、检测水平台、传送皮带、无级减速电机组成。机械支承与传送部分可嵌入生产线中,高度和长度可按实际生产线情况定制。
由于平整度检测系统属高精度检测设备且工业现场条件恶劣环境复杂,所以在设计检测系统的机械部分时应考虑到各种影响检测精度的因素,通过理论结合实践给出一套适用于工业现场的机构方案,使检测系统有一个相对稳定的物理平台[5]。考虑到陶瓷墙地砖生产现场震源较多、震动频繁,对测量结果会产生一定的影响,故将检测电柜与检测平台连为一体,当发生震动时,传感器与检测平台、待检瓷砖一起做同步震动可减少震动对测量数据的影响。检测平台选用厚度为2cm且平整度小于0.1 mm的玻璃板,相对铸铁平台玻璃平台更加耐磨、更耐腐蚀,而且廉,安装更换容易。由于玻璃的自重和支撑玻璃平台支架的微观变形,会导致检测平台的自身形变增大,对测量结果产生影响,因此在检测平台底部安装变形调节装置。通过调节下方的8个调节螺丝,可对检测平台的变形进行校正。

4  检测系统软件设计
4.1  人机交互界面设计
检测系统选用维纶通的MT6070iH触摸屏作为人机交互界面。按照功能可分为实时检测信息显示界面、参数设置界面和调试界面。通过编写HMI程序实现参数下载、实时信息显示、高级窗口调试、历史数据记录等人机交互功能。

1  引言
核电厂非放射性污水处理系统担负着收集并处理核岛各厂房和各区域的生活污水、常规岛各厂房和BOP各厂房的生活污水、地面冲洗污水及厂前区生活污水的任务。本文以某核电厂非放射性污水处理系统为例,应用Siemens S7-300系列PLC和智能检测仪表组成下位机,对现场设备进行实时监控。上位机采用WinCC组态软件,实现整个系统的画面监测、打印管理、参数设置和逻辑控制等功能。该PLC控制系统具有可靠性高、控制性能优越、便于管理等优点。

2  工艺流程及概述
非放射性污水处理采用A/O生化处理和MBR膜生物处理相结合的处理方式。前置缺氧段,来达到生物脱氮目的。MBR膜生物反应池中设置浸没式膜生物反应器,达到出水直接回用的目的。
主厂区及厂前区生活污水进入污水处理站,首先经自动机械格栅去除污水中的杂物(杂物排至平台小车内,定期清运),随后进入调节池,调节池对原水水质水量进行均化和调节(为防止池内污物沉积,池内设曝气管),调节池中设提升泵4台(3用1备,其中一期安装2台,1用1备)将污水提升至缺氧池。污水在缺氧池内进行脱氮处理,随后污水进入MBR膜生物反应池。为防止颗粒物堵塞MBR膜生物反应器,在污水进入缺氧池前设置毛发聚集器,在膜反应池前设置提篮式格栅。MBR膜生物反应池对污水进行生物加过滤处理,设置膜在线清洗装置,处理水经抽吸泵抽吸后进入回用水池。回用水池内设置变频供水泵,通过供水泵把中水输送到所需区域。MBR膜生物反应池的污泥排至污泥池,污泥池内上清液溢流至调节池,剩余污泥定期清运。调节池、缺氧池、MBR膜生物反应器、污泥池内设置曝气装置曝气,曝气装置由罗茨风机供气。所有仪表信号和主要设备运行信号在控制室显示,设备的控制可在控制室和就地控制柜分别操作。

3  控制系统硬件设计
3.1  设计原则
核电厂非放射性污水处理自动控制系统首先应保其具有高可靠性和稳定性,因此应选择具有工业高抗干扰性能的软硬件设备;系统还应具有良好的扩展性和兼容性,并满足生产工艺对自动控制系统的各种要求;还要便于管理等[1]。
3.2  控制系统硬件结构
本工程采用Siemens S7-300系列PLC对全厂主要工艺设备进行监控,并通过现场仪表采集液位、流量、压力、温度等信号和设备运行状态信息,由PLC控制现场设备的启停以控制工艺参数。
控制系统结构如图1所示,采用研华公司生产的两台工业计算机,1台操作员站,1台工程师站,采用TCP/IP通信协议;工程师站配置1台打印机,可以对生产过程中的报警及报表进行打印。PLC主要由*处理器(CPU)、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口、内部电源等部分组成。PLC系统由CPU机架与I/O扩展机架组成。机架间由IM365接口模块实现内部通讯链接,如图1所示。

*处理器选择标准型CPU314,其主要技术参数为:工作存储器内置96KB,装载存储器是较大8MB的可插拔存储卡MMC;数字量全部I/O点数为1024,模拟量全部I/O点数为256,较大机架数为4,每个机架的模块数量较多为8个;内置RS485接口,MPI连接数为12;CPU编程语言为STEP7 V5.2 SP1以上。负载电源模块PS用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供CPU和I/O模块使用;选用PS307(5A)型电源模块,其主要技术参数为:输入电压120V~230V,输出电压24VDC,输出电流5A,具有防短路和开路保护功能,可向总线提供电流1.2A。数字量输入模块采用SM321(16×24VDC);数字量输出模块采用SM322 (16×24VDC/0.5A);模拟量输入模块采用SM331(8×16位);模拟量输出模块采用SM332(4×12位),接口模块选用IM365。
污水处理PLC自动控制系统配有在线式UPS不间断电源供电,负责给控制系统和仪表供电。采用山特CASTLE系列UPS,容量2KVA,电源备用时间30min。PLC机柜内每种类型的I/O测点都有不少于10%的备用量;同时机柜内留有10％的I/O模件插槽备用量;存贮器容量也考虑40%的备用量。
现场测量及分析仪表主要有超声波液位计、电缆浮球液位开关、电磁流量计、压力变送器、就地压力表、在线PH计、在线COD分析仪等。污水处理系统的现场仪表设计选型时应尽量选用高精度、高稳定性、免维护或低维护的智能仪表,还应尽量选择非接触式、电磁式的传感器。由于污水处理中很多现场仪表在井下或露天环境,所以必须考虑安全防护手段。对于清洗、维护及更换时必须拆卸的管道式安装仪表及其传感器,应在管道上设计安装旁通阀,以免在其更换或发生故障时,需要停止工艺运行。另外,污水处理中仪表设计必须和工艺紧密结合,选取合适的测量或取样位置[2]。

4  控制系统软件设计
污水处理控制系统软件分为上位机WinCC软件和下位机PLC现场控制软件两部分。
系统上位机运行bbbbbbS XP操作系统和WinCC V6.3组态软件,提供了数据、数据处理、流程控制、数据显示、过程报警和连锁、历史记录和报表以及数据查询、打印等控制和管理功能。
图形界面包括两大部分:主画面和各个工艺阶段、参数曲线、报表、报警的分画面。主画面有各个厂房、设施设备和管道流向,分别用不同的颜色和形状表示,用来展示全部的工艺流程;分画面用来显示各个工艺阶段的详细参数和测量值,报表分画面用于打印和输出各个时段各个设备的历史数据,报警分画面用于设置报警级别和显示报警原因等用途[3],各个画面之间可以灵活地相互切换。
WinCC提供了所有较重要的通信通道,用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器的通信,以及如PROFIBUS-DP/FMS、DDE和OPC(用于过程控制的OLE)等非专用通道;也能以附加件的形式获得其他通信通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器,因此实际上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC[4]。
系统下位机PLC编程软件为STEP7 V5.3专业版,Siemens S7-300程序采用SIMATIC Manager的梯形图(LAD)与语句表(STL)两种编程语言相结合编写,实现整个污水处理工作流程的运行和监控。正常生产时,设备按照工艺要求的流程和顺序由PLC自动控制启停,PLC程序运行时完全独立于上位机,即便上位机出现故障或关机,PLC程序仍可以继续完成相应的控制功能。当现场设备需要检修或出现故障时,技术人员在现场设备附近的就地控制箱中,将设备工作状态开关切换到手动模式,设备不再接受PLC的控制,但PLC仍会采集设备的启动、停止及故障信号用于显示。

面向对象编程是计算机高级语言的一种先进的编程模式，在工业控制系统的PLC程序中也可以采用这种设计思想，虽然我们无法实现面向对象的很多优秀特点如 “继承”，甚至于它根本就不具备面向对象编程语言的特点，但面向对象编程的基本概念就是类和类的实例（即对象），我们只需要使用这种概念就可以了。在计算 机编程中我们需要把一些事物抽象和归纳，才能编写类，而在工业控制系统中，控制对象如：电机，阀等等是很明显的控制类别，不需要抽象就可以很明显的针对它 们编写类，以下将会用到西门子的Step7编程语言和的Unity 编程语言来讲解PLC的面向对象编程。
一、 实现方式
在Step7中使用功能块（即FB）编程，一谈到此大家就会想到西门子提出的模块化编程，不错，就是这个模块化编程，但西门子提出的模块化、背景数据块、 多重背景等名词并不能让大家很明白的理解和使用这种优秀的设计理念。如果大家从面向对象编程的角度去理解，则可以很好的理解这种设计模式。“FB块”被看 成“类”，它可以被看成是对相似的控制对象的代码归纳，如对MM440的变频器可以编写FB块:MtrMM440,这在面向对象编程中称为“类”，当需要 编程控制具体的电机时，可以给它分配一个背景DB块，在面向对象编程中称为类的实现（即创建类的实例：对象），当需要控制多个电机时，可以分配不同的背景 DB到这个FB块，即创建类的多个实例。Step7中有另外一种程序块，即FC块，以FC块为主的编程在西门子中称为结构化编程，这也可以类比于计算机编 程中的面向过程编程，即纯粹以函数为主体的编程。
的Unity软件编程可以更好的理解面向对象编程。它的DFB定义中包含输入/输出参数，私有/共有变量，以及代码实现，而这正是计算机的面向对象 编程中“类”的基本元素，而创建类的实例（对象）就像创建普通的“布尔”变量一样，只需在“Function Blocks”中定义这种“类”的变量即可。
Step7和Unity都可以采用面向过程和面向对象编程方式，这两种编程方式的区别类似于计算机高级语言中的C语言和C++语言编程的区别。
以下的讲解将会把Step7中的FB和Unity中的DFB称为“类”，Step7中的FB+背景DB以及Unity中DFB的实例称为“对象”。
二、 面向对象编程架构
以上讲解的是实现细节，而编程思想是建立在程序架构上的，不是某个局部使用了面向对象方式，则可以称之为这种编程就是面向对象编程。这种编程需要从以下方面着手：
1、 电路设计的结构化。
这里主要以自动线为主介绍，对于单机机床可以是它的简化结构，
<1>、自动线层：这是较高层次，它拥有一个主PLC，对属于它下面的各区域控制
<2>、工程层：拥有独立的配送电系统，但没有PLC，只有分布式模块，由自动线控制。顾名思义，它有着较大的独立性，可以作为一个单独的工程项目设计和制造，当自动线比较小时，可以省略该层次。
<3>、功能组层：根据工艺划分，将实现某一个工艺功能的区段设备划分为一个功能组，它隶属于工程层，当工程层被省略时，隶属于自动线层。
面向对象编程并不一定要求使用以上的结构，但好的电气结构更利于面向对象编程。
2、 任何控制对象逻辑都在“类”中实现。
为了做到这点，必须分析与控制对象相关的信息，譬如，对于一个电机，有以下相关的信息需要考虑：
输入信息：
<1>、电路保护信息，如电机的空气开关，热继电器等。
<2>、功能保护信息，如运动电机的限位开关，风机的风压开关，油泵的油位开关等。
<3>、启动和终止条件，以上的电路保护和功能保护都可能导致电机运转终止，复位也可能导致重启动，但这里的条件指的是正常运行的启动和终止条件，譬如顺序控制的流程步。
<4>、控制模式：如手动和自动等。
<5>、故障复位：通过复位信息，重新启动。
输出信息：
<1>、控制输出，如控制电机的主接触器。
<2>、状态信息输出
<3>、故障输出
。。。
状态储存信息：
用于代码实现的中间变量以及可以被人机界面读出的状态变量等
把以上信息都整合到一个类中，并尽量使类的参数标准化。不过，同高级编程语言还是曾在一些差别，针对Step7,应该遵循的标准是：程序结构由FC实现，对象控制由FB实现，如下的一种结构体系（其电气结构来自上面的介绍）：
这只不过是一个粗略的PLC程序架构体系，好的架构应该更完善和科学。
3、 规划好数据结构
数据结构的定义相当重要，并尽量统一这些结构，不要顾虑存储空间，当今的PLC内存足以容纳大量的数据。说明一点的是在Step7中尽量不要在类的外部定义数据结构(UDT),而是在类里面定义，虽然会造成不同类中同一结构的重复性定义，但却提高了类的独立性。
三、 优越性
1、 标准化
使用这种设计模式，可以将程序设计分为两个阶段，即标准库、基本架构开发，以及实际应用层面设计。其中标准库、基本架构是制定程序标准化的基础，而应用层 设计是针对具体的控制工程编程，这样可以把程序设计人员分成两类，一类是标准开发，由*程序员负责，一类是应用设计（其中程序调试规划到应用设计），由 经过标准化培训的一般程序员完成，通过这种分配就可以解决中国工业自动化中面临的尴尬局面。传统的中国控制工业，一个程序设计由一个人完成，这样他还必须 负责现场调试，而拥有丰富经验的程序员一般是三十岁后，这时他已经成家，而显然长期出差对家庭不利，很多优秀的程序员为了家庭考虑不得不改行，要么转到管 理岗位，要么去制造工厂搞设备维护，这是资源的严重流失。毫无疑问，使用以上的设计流程，我么可以让经验丰富的程序员搞标准库和架构的设计，而让刚踏入这 个行业的年轻人搞应用设计和调试，这不仅可以让老程序员继续他自己的工作，而不影响家庭，也可以让年轻的程序员参入现场调试，培养自己的经验，提高自己的 收入。
这可能让某些人士担心，认为年轻的程序员可以参加现场的调试吗？可以肯定的是没有标准化支撑的程序不仅年轻的程序员编不出来，而且现场调试会问题多多。但有了好的标准化后，一年半以上工作经验的程序员就应该能够独立面对自动线。
PLC中的面向对象编程的核心就是黑匣子编程，针对Step7,我们使用FB去实现每一个对象的控制，控制逻辑、报警处理、信号交换全在FB中，对于应用 设计人员，不需要明白里面的代码实现，只需要了解该FB的功能以及如何使用好它就行，这样对于应用程序人员的编程能力要求大大降低，对于编程只不过是遵循 架构，拷贝代码，改变输入输出条件而已。
那么调试呢？很多人认为使用FB编程的较烦就是FB的多次调用后，根本无法诊断这些代码，从技术层面上讲确实如此，我们除了从背景DB上查看信息外， 是无法在它多次被调用后监控代码的，但我已说过，这是黑匣子编程，我们不需要诊断这些代码，只需要知道什么样的输入、什么样的参数设定导致什么样的输出就 行，代码的逻辑与功能好坏是由标准库开发人员负责的，这就要求标准开发人员需要对他设计的功能块在不同条件下进行不同的测试，保证无误，还需要编写完整、 详尽的功能说明文档，以便于应用设计人员了解这些块，标准架构并不是制定出来就一劳永逸的，针对千变万化的工程，它是需要不断完善和修订的，这也是一个工 程公司可以实实在在进行知识积累的地方。
程序不仅需要给调试人员使用，而且用户（设备维护人员）也需要了解，如果把完整的标准库文档给用户，可能曾在技术外泄的可能，若不给，对他们诊断设备可能 曾在困难，这就需要标准制定人员制作另外一分文档，即设备维护文档，其知识的透漏以用户能够使用程序进行诊断为限。