西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8技术介绍

西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8技术介绍

   应用摘要

    制药行业是受**管制较为严格的行业之一，因为不合格的药品会威胁人的生命和健康。各国相应的管理机构都建立了相关的法规和标准，用于药品的生产和控制，药业企业也需强制遵守相关的法规与标准。GMP(药品生产质量管理规范)认证是一个建立规定文档的过程，这些文档提供了一种保，即某个生产过程可以稳定的生产出符合规范和质量的产品,严格按照GMP进行规范管理和组织生产。目前，美国食品与管理局和各国响应的管理机构都越来越多地强调计算机系统的作用，相应的标准也在不断的提高，制剂车间监控系统就是要满足计算机系统认证新标准的要求。杭州某药厂为了提升产品生产的管理和控制水平，计划在新建的制剂车间采用计算机联网方式集中监控制药机具和车间的安全生产，以满足国际和国内对中药生产质量控制的要求。

    应用领域

    医药

    方案内容

    方案背景：

    杭州某厂制剂车间是一座4层楼建筑，每层面积约2500平方米。每层分别安装相应制机械，包括：5台制粒机、5台压片机、3台包衣机、2台机及2条包装流水线。

    在该建筑内规划设计内部局域网络，视频系统、制药机械的监控等均基于局域网建设。在每楼层上安装一台工业控制主机(带触摸屏，简称上位机)，用于控制该楼层的每台制药机的PLC系统，并负责与总监控室的服务器通信。在各车间安装24个摄像机用于安全监视，其中16台可控摄像机、8台固定摄像机。

    根据规划在一楼设立总监控室，安装24台监视器用于各车间的实时监视，安装一套大屏幕投影用于将计算机内容显示，安装三套控制台用于放置总监室的计算机。

    根据项目需要开发一套软件系统用于固体制剂车间的信息反馈记录、生产跟踪、相应报表打印、生产工艺控制、视频监视等需求。

    上位机(车间内的PC)可分别连接和监控各类制药机械的运行操作和工作状态参数,打印相应报表，并在授权级别允许情况下更改特定的设备运行参数。

    生产过程中的数据(参数和视频数据)上传到总监控室，集中监管，实时显示，可按照用户自定义要求保存重要的历史数据，并产生相应历史报表。

    可以通过设备的PLC、前台PC(上位机)和管理工作站(PC)进行参数设置，设置参数要有级别区分，高级别用户的设置不能由低级别用户更改。

    在设备停止状态下,可利用计算机模拟设备的运转和生产流程,有动画显示界面,相应的参数可查询。

    方案功能：

    制药机械的联网监控是本方案的重点，主要内容包括：

    1.设备监视部分：包括设备运行状态，设备操作状态的所有状态参数可上传到信息中心显示并保存到数据库，供进一步查询和统计分析，实时处理相应设备的异常信息，提醒管理人员及时排除故障。这些保留的历史信息参数可作为模拟运转的基础数据。

    2.设备控制：分级别的控制参数(如速度参数)设定,高级别用户的设置不能由低级别用户更改，具体级别授权由登录用户的身份确定。可以在网络的任何一台工作站(通过授权)，也可以通过设备的PLC、上位机进行参数设置(同样通过授权)。

    3.车间的各个设备运行于生产线的各相应位置，在同类设备相对集中的区域安置一台PC机(上位机)，通过RS232线路与设备之间相联;各台PC机之间通过IP网络连接，并通过局域网连接服务器，各设备的上传参数集中存放到中心的数据库服务器中。

    4.任何联网的PC可作为工作站，任何工作站都可以实时监控车间各工位的操作情况和设备运行情况，并根据实际需要对部分设备的运转参数进行远程控制。

    5.PC机上运行的系统由以下几个部分组成：

    工位视频：显示操作现场的实际画面

    设备运行监控：现实设备运行状况

    报表产生和打印：通过自动统计设备的工作能力和时间，计算出日报单，也可以随意统计各时间段的工作量，通过配置的打印机打印

    设备运行控制：部分设备的参数设置和控制

    系统模拟显示：根据工艺流程通过动画显示运行状况和流程

    统计分析：根据各种指标对于日常工作进行多方位的统计分析，供管理层参考。

    技术路线

    网络是本系统实现的基础，不仅要考虑系统的合理性，更要考虑系统的可靠性和可扩展性。所以在设计贵公司网络系统时要综合分析多种网络系统和产品各自的特点，保证建成的综合布线系统的合理、稳定、可扩展性，又有较好的性能价格比。

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**。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，不再进行描述。附表 地址分配表

    电力工业是国民经济建设的基础性工业，也是一个技术密集型、资金密集型行业，与国民经济发展和人民生活密切相关。近年来，随着高速增长，电力需求猛增，中国电力事业飞速发展。而火力发电特别是燃煤发电在未来较长时间内仍将起主导作用。2006年底，全国发电装机容量达到62200万千瓦，居世界*二位。其中火电48405万千瓦，占总容量的77.82%。

    随着大型火电机组运行和管理水平的不断提升，以及火力发电机组向高参数、大容量的发展，人们已经越来越重视提高自动化水平，控制技术、计算机和通信技术为基础的现代化火电热工自动化技术得到了大力发展，促进了电厂的发展和建设。电力自动化已经成为电力行业生产管理及行业发展不可缺少的重要组成部分。

    火电厂的辅机系统与电厂生产过程密切相关。它们的正常运行是保证机组稳发满发的重要条件，因此如何可靠、有效地对辅机系统进行监控十分重要。锅炉、汽轮机、发电机是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。与三大主机相辅工作的设备称为辅助设备或称辅机。辅机及其相连的管道、线路组成辅机系统。火电厂辅机系统主要由3个独立的自动化子系统组成，分别为输煤、化水、除灰渣子系统。这些系统与主系统协调工作，它们相互配合完成电能的生产任务。

    目前国内的大中型火电厂都把各个控制系统通过网络连接成水、煤、灰三个区域控制点，分别实现集中监控，在此基础上将全厂所有的系统连接成一个大的网络，在机组单元控制室设立辅机监控操作员站，实现了全厂的辅机集中监控。通机监控网络的拓扑结构分为三层:

    底层是PLC主机I/O站，中层主干网络是PLC和工控上位机之间的实时监控通讯网络，较上层是上位机信息交换通讯网络。输煤系统、化水系统和除灰渣系统基本结构是一样的，只是各个系统的IO点数不同。

    亚控科技是国内家独立开发出组态软件的公司，其主要产品组态王经历了多个版本的发展直到现在的6.52。技术已经非常成熟，使用方便、运行稳定，赢得了广大客户的**。目前，随着公司的不断壮大，技术力量越发深厚，公司员工70%以上都是硕士学位。另外，在全国10几个重要城市都设有分公司及办事处，分销商更是遍布全国各地，为客户提供了强有力的技术**。

    组态王的特点：

    1.分布式系统，真正的瘦客户端模式。

    2.支持双机热备，双网热备，系统可靠性高

    3.能够实时显示数据，保存历史数据，历史数据查询，显示趋势曲线

    4.声光报警功能，可以添加Email报警、短信报警等功能。

    5.支持各个主要厂家的PLC，支持多种通讯方式，选择灵活

    6.多级用户管理，具有多种事件记录功能，比如登陆记录、操作记录等

    7.打印报表功能

    8.支持各种数据库，SQLServer、Oracle，另外还可以选择亚控自己研发的实时数据库KingHistorian来保存数据。

    9.支持GPRS通信，支持国内上百种DTU终端。

    由于电厂辅机系统具有工艺系统多、物理布置分散及通主机系统相互独立的特点，所以要求监控系统需要具有双机热备、双网热备等技术，能够分布式布置，多级用户管理等功能，运行**要。组态王经过10年的发展，功能上完全满足电厂辅机系统的需要，而且有*的工程师为客户提供完整的解决方案，数十位技术支持工程师随时提供技术服务。