西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0大量库存

西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0大量库存

可编程控制器（PLC），变频器，伺服系统，触摸屏，旋转编码器，无协议通讯，功能块等。

1.引言

票据印刷机是印刷机行业中一种常用的机型，对机器的控制精度，伺服的响应时间都有很高的要求，以前主要靠进口，成本投资比较大。近年来，随着可编程控制器（PLC）在通讯功能和高速计数以及脉冲输出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋变频器＋触摸屏组成的整个系统在印上应用成为可能。国内众多的厂家都相继开发出各自的票据印刷机械，繁荣了国内的印刷机市场，有力的抵制了国外品牌的入侵，巩固了国产印刷机的市场地位，并在性能上日益得到完善。烟台某印刷机械生产厂家委托上海某厂家开发的基于西门子S7-200可编程控制器＋松下伺服＋海泰克触摸屏＋台安变频器的系统解决方案以其低廉的成本，稳定的系统配置赢得了客户的青睐，取得了良好的业绩，但也存在诸多的问题，如系统调试周期时间长，印刷速度低，改变转速必须停机断电等缺陷，在此不一一细表，后文有叙。应客户要求，经过本人分析探讨，最后确立了基于OMRON系统的整体解决方案，以减少和改进原系统的缺陷，提升机器的性能。

2.控制过程及存在问题
2.1 原先票据印刷机的控制过程
原先票据印刷机的控制过程是这样的：由一台主电机拖动印刷机的两个滚筒（两个滚筒可印刷两种颜色）单方向旋转，主电机采用变频器进行宽范围调速，主电机轴上装有旋转编码器用来测算主轴电机的速度；由一个电磁铁来控制滚筒的离压和合压。在合压情况下，滚筒压紧票据进行印刷；采用伺服控制进给纸速度，以便使伺服电机的线速度和主轴电机的线速度保持一致，由于是两个滚筒，它们之间可能存在速度上的差别，所以采用两套伺服。当伺服电机的速度大于主轴电机的速度时，合压后将会在滚筒和伺服电机之间堆纸，当伺服电机的速度小于主轴电机的速度时，合压后纸张将被扯断，以上两种情况在系统正常工作过程中都是不允许的，即伺服电机的速度必须保持和主轴电机高度一致。系统工作之前首先启动变频器，待变频器速度稳定后按下印刷按钮，伺服电机开始旋转，此时合压电磁阀不合压，等旋转编码器的**个Z相信号到来，立即合压，开始印刷。印刷过程如下：首先在触摸屏上设定纸张的尺寸，在每一个Z相信号到来之后，伺服立即正向旋转设定尺寸＋2英寸的距离，随后反向旋转2英寸，以保纸张长度和张力平衡。要想停机，按下停止按钮，本张纸走完立即停止伺服电机的运转。
此外还要求：一、即使在走纸过程中突然停电，来电后要能继续走完这张纸。二、由于是印刷机械，对印刷精度要求很高，两张纸的印刷起点必须一致，即PLC必须用中断来控制伺服系统，否则可导致两张纸的印刷起点不同，原因是PLC循环扫描时间造成的。三、系统还要求能在走纸过程中（伺服系统运转中）能实现纸张的前后移动，即稍微变化一下纸张的位置，以使印刷更完美。选择伺服系统电机的线数：由于印刷的纸张可以设定为浮点数，单位是英寸，为保证精度，必须固定伺服系统，即固定伺服系统的每转给定脉冲数，通过比较判断，我确定伺服系统每转脉冲数为4000个，原因如下：因为伺服系统每转是4英寸，0.001英寸则是1个脉冲，所以在每转设定4000个脉冲时，系统能精确到0.001英寸，如设定为0.0005，则每进给一张纸差0.5个脉冲，会严重影响纸张的印刷精度，走纸越多差别越大。如设定每转脉冲为10000，虽可以更精确，但PLC需要更高的脉冲输出频率。由于固定了伺服系统的线数，要想提高系统的速度，只能提高PLC脉冲输出的频率，否则纸张设定精度就会变低，这是不允许的。
整个系统要有手动、自动、点动以及报警功能，要便于维护，触摸屏界面要求美观实用。
2.2 西门子S7-200 PLC主要存在的问题
原先采用西门子S7-200 PLC主要存在以下问题：（1）S7-200 PLC脉冲输出速率低，较大频率不到30kHz，使得印刷机的效率低，每小时只能达到五六千张。而且因为西门子PLC速度太低，导致伺服系统不能有更高的分辨率（松下伺服为每转2000个脉冲），导致纸张印刷精度只有0.005，比改造后系统的较高设定纸张精度差了5倍。（2）在正常印刷过程中，调整变频器速度必须首先停机，再改变变频器的速度，然后断电重新上电后方可正常运行。（3）系统速度计算误差较大，使得单机调试时间拉长，影响设备的出厂时间。（4）停机不够人性化，即停机之前印刷的那一张因为可能没有进给完成造成纸张废掉。
3.改造选型
接手这个项目后，立即展开工作，在分析了原系统的特点并且为以后升级留下一定的余地的前提下，决定选用OMRON高性价比的CP1H-X40CDT机型。该PLC配备了40个I/O点，其中24输入，16点输出，拥有2路双向100kHz的高速计数器输入，2路双向30KHZ的高速计数器输入，4路双向100kHz的高速脉冲输出，不仅能满足当前伺服电机的要求，还为以后四色印刷机的开发留下了足够的空间，使后续开发工作变得简单。
（1）确立了PLC的型号后，根据主轴电机的要求选择伺服系统，比较了多家的伺服系统，最后选择了OMRON的SMARTSTEP W伺服系统。该伺服系统简便易调，特别是在线自动调整功能，方便调试，而且较重要的是启动时间短，响应快。
（2）主轴电机由于需要调速，而且是三相异步电动机，从节能和可靠及经济性说只能通过变频调速，选用OMRON的3G3MV系列1.5kW变频器。该变频器具有通讯功能，支持OMRON的功能块和MODBUS-RTU功能，具有PID调节功能，性价比比较高。
（3）印刷机原先用按钮指示灯和触摸屏进行操作，直观性差，不美观，应用户要求，我们为其配备了OMRON的NT5Z的黑白触摸屏作为人机界面。这样，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋触摸屏（NT5Z）＋变频器（3G3MV）的整个系统解决方案出台。
4.系统特点
OMRON的这个系统解决方案克服了西门子S7-200的上述缺点：
（1）OMRONPLC的脉冲输出速率达到100kHz，速度是西门子S7-200的10倍，完全满足了用户提速的要求，较大的提高了印刷机的速度;
（2）OMRON的变频调速是用PLC功能块通过通讯做的，不需要停机后再开机，因而解决了上述的*二个问题。也可以通过MODBUS-RTU功能，亦可方便的进行通信;
（3）整个系统全部采用OMRON的控制产品，调试简便,硬件和软件的兼容性好; （4）OMRON PLC的高速计数器当前值的读取是直接读取的，在程序中直接利用高速计数器PV中断编程，来控制纸张的进给，完全可以准确定位并在按下停机按钮后走完最后一张再停机，使设计更性化;
（5）在线纸张自动调整功能的实现。因为整个走纸过程是先正转，并且多转2英寸，所以可以通过减少反转的脉冲个数实现在线位置调整，每次反转后，都把反转尺寸重新设定会原值。
5.系统结构、电路图及编程
（1）系统利用CP1H作为主控制器，CP1H上面安装两个通讯接口，一个是RS232,另一个是RS485,PLC通过232端口与触摸屏进行通讯，通过485与变频器进行通讯，PLC上还有一个USB接口，用作编程和监控用，PLC的脉冲输出直接给伺服驱动器，控制伺服电机。

（2）地址分配
地址分配如附表所示，电路图省略。
说明：程序中用到三路高速计数器，高速计数器0用来测量主轴的速度，高速计数器1用来测量主轴的Z相信号并产生中断的，高速计数器2用来显示主轴的位置，用来调整机械滚筒的位置，为厂家用。其他文章中没有介绍的信号和输出为一般开关量，比较简单

用户设备是一个类似PLC的带串口（DB9）的设备，则可以通过卓岚串口服务器连接到网络；如果用户设备电路板是可以重新设计的，则可以选用卓岚联网模块，并将其集成到用户电路板。两种方案在原理上是相同的。
在远程计算机端，卓岚科技提供了3种方式方便用户和联网产品通信：
1．卓岚设备管理DLL+VB等程序。提供的DLL设备管理函数库，可以被用户程序所调用，用户只需使用提供的open、close、send、recv
函数，即可实现通信。
2．串口程序+虚拟串口驱动。例如三菱PLC需要通过MELSOFT开发环境和PLC通信，某些Modbus设备则通过三维力控软件和设备通信，它们
都是现成的串口程序。使用卓岚虚拟串口驱动，可以在网络化升级后，仍然使用这些串口程序。
3．Socket网络程序：对于高级用户，可以选择通过TCP/IP直接和联网产品通信。

2.域名（DNS）系统

域名系统的支持是远程控制的关键技术。目前网络接入以ADSL接入网络占绝大多数，但是若远程计算机通过ADSL联网，每次的IP是不同，必须解决设备如何知道远程计算机IP的问题，解决的方法是动态域名系统。
在卓岚远程控制技术中，远程计算机通过动态域名服务在每次联网时都可以获得**一的域名，例如yourname.。卓岚联网产品支持域名，可以用域名*通信的的目的地址，例如将其设置为yourname.。
这样，无论远程计算机在何时何地通过ADSL接入网络，卓岚联网产品都可以在**时间和其建立TCP连接。

3.网络地址映射（NAT）技术

4.创新的断网恢复机制

TCP连接的不正常中断在设备远程监控中比在局域网中更加常见，因为在Internet环境下，中间的任何一台路由器出现问题都可以导致连接中断。
断网在远程监控中产生如下问题：如客户端务端建立TCP连接后，服务端由于掉电等原因重新启动，那么客户端将不再能够务端建立连接。原因很简单，因为客户端认为连接已经建立，这导致了服务端无法向客户端发送数据。
心跳包技术是目前常见的断网恢复机制，但是该方案并没有写入TCP/IP规范，原始是心跳包技术存在很多争议的负影响，例如增加了网络负担等。
卓岚的设备管理DLL库和虚拟串口驱动内部集成了创新的断网恢复机制，采用优于心跳包的技术，可以在服务端、客户端、中间路由器任何一方断网情况下，迅速恢复连接。

1．体积极小的微型PLC

FX1S，FX1N和FX2N系列三菱PLC的高度为90mm，宽度为75mm(FX1S和FX1N系列)和87mm(FX2N和FX2NC系列)，FX14M(14个I/O点的基本单元)的底部尺寸仅为90mm×60mm，相当于一张卡片大小，很适合于在机电一体化产品中使用。内置的24V DC电源可作输入回路的电源和传感器的电源。

2．先进美观的外部结构

FX系列三菱PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。它们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。

3．提供多个子系列供用户选用

FX1S，FX1N和FX2N的外观、高度、宽度差不多，但是性能和价格有很大的差别FX1S的功能简单实用，价格便宜，可用于小型开关量控制系统，较多30个I/O点，有通信功能，可用于一般的紧凑型PLC不能应用的地方；以FX1N较多可配置128个I/O点，可用于要求较高的中小型系统；FX2N的功能较强，可用于要求很高的系统。FX2NC的结构紧凑，基本单元有16点、32点、64点和96点4种，可扩展到256点，有很强的通信功能。由于不同的系统可以选用不同的子系列，避免了功能的浪费，使用户能用较少的投资来满足系统的要求。

4．灵活多变的系统配置

FX系列PLC的系统配置灵活，用户除了可选不同的子系列外，还可以选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块，组成不同I/O点和不，同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性能价格比。FX系列的硬件配置就像模块式PLC那样灵活，因为它的基本单元采用整体式结构，又具有比模块式PLC更高的性能价格比。每台三菱PLC可将一块功能扩展板安装在基本单元内，不需要外部的安装空间，这种功能扩展板的价格非常便宜，

功能扩展板有以下品种：4点开关量输入板、2点开关量输出板、2路模拟量输入板、1路模拟量输出板、8点模拟量调整板、RS–232C通信板、RS-485通信板和RS-422通信板。显示模块FX1N–5DM的价格便宜，可以直接安装在FX1S和FX1N上，它可以显示实时钟的当前时间和错误信息，可对定时器、计数器和数据寄存器等进行监视，可对设定值进行修改。FX系列还有许多特殊模块，如模拟量输入输出模块、热电阻，热电偶温度传感器用模拟量输入模块、温度调节模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、定位控制器、可编程凸轮开关、CC–bbbb系统主站模块、CC–bbbb接口模块、MELSEC远程I/O连接系统主站模块、AS–i主站模块、DeviceNet接口模块、Profibus接口模块、RS–232C通信接口模块、RS–232C适配器、RS-485通信板适配器、RS–232C／RS-485转换接口等。FX系列三菱PLC还有多种规格的数据存取单元，可用来修改定时器、计数器的设定值和数据寄存器的数据，也可以用来作监控装置，有的显示字符，有的可以显示画面。

5．功能强，使用方便FX系列的体积虽小，却具有很强的功能。

它内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。使用脉冲列输出功能，可直接控制步进电动机或伺服电动机。脉冲宽度调制功能可用于温度控制或照明灯的调光控制。可设置8位数字密码，以防止别人对用户程序的误改写或盗用，保护设计者的知识产权。FX系列的基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。FX1S和FX1N系列PLC使用EEPROM，不需要定期更换锂电池，成为几乎不需要维护的电子控制装置；FX2N系列使用带后备电池的RAM。若采用可选的存储器扩充卡盒，FX2N的用户存储器容量可扩充到16K步，可选用RAM，EPROM和EEPROM储存器卡盒。FX1S和FX1N系列PLC有两个内置的设置参数用的小电位器，FX2N和FX1N系列可选用有8点模拟设定功能的功能扩展板，可以用旋具来调节设定值。FX系列三菱PLC可在线修改程序，通过调制解调器和电话线可实现远程监视和编程，元件注释可储存在程序储存器中。持续扫描功能可用于定义扫描周期，可调节8点输入滤波器的时间常数，面板上的运行/停止开关易于操作。

近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：  

1）过程自动化程度低，信息和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。 

2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。 

3）系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升；  

鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。 

1 PLC控制系统的特点及组成 

PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。 

PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装 RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10//触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。系统组成如图1所示。  

1.1 系统结构及硬件配置 

根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入 (AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用 SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。 

1．2控制系统的功能实现 

PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。 

PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。 

      1.3 现场显示 

现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。 

1.4 工控机配置 

工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。 

2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能： 

1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能： 

系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作； 

2）报警功能： 

 当压力**过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警； 

3）简单、方便的参数设定： 

压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。 

2.1 系统控制功能 

（1）过程控制的功能： 

1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制； 

2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理； 

3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。 

（2）逻辑控制 

联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。 

（3）人机接口 

HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。 

（4）报表打印 

以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。 

3 软件设计 

根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：　　　　 

（1） 数据采集及工程量转换　　 

（2） PID算法　　 

（3） 温压补偿计算以及流量的累积计算 

对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。  

PID调节是该系统中较为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。 

3．1 ＰＩＤ算法　　 

STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。 

PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和： 

Ｍｎ＝ＭＰｎ＋ＭＩｎ＋ＭＤｎ　　 

ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）　　 

ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ  ＴＳ／ ＴＩ（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）＋ ＭＸ　　  

ＭＤｎ ＝ ＧＡＩＮ  ＴＤ／ ＴＳ（ＰＶｎ－１－ ＰＶｎ）　　 

Ｍｎ：*ｎ次采样时刻的输出值。 

ＭＰｎ：*ｎ次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。 

ＭＩｎ：*ｎ次采样时刻的积分作用，可以静差，提高控制品质。 

ＭＤｎ：*ｎ次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制**调。　　　　ＳＰｎ：*ｎ次采样时刻的设定值。 

ＰＶｎ：*ｎ次采样时刻的过程值。 

ＭＸ：*ｎ－１次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。 

ＧＡＩＮ：回路增益，P参数。 

ＴＩ：积分时间常数，即I参数。 

ＴＩ：微分时间常数，即D参数。 

ＴＳ：采样时间。 

从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到较佳的控制效果。  

4 采用该系统的意义 

 （1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除； 

 （2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。