西门子6ES7211-0BA23-0XB0当天发货

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焦作钢厂使用的PLC控制系统有十几处之多，其中除尘使用的PLC常出现无输出的故障，使得先进的装备不能很好地发挥作用。为此，对PLC及外围设备进行了综合分析。PLC为光洋电子有限公司生产的SH48-R1型控制器，24点继电器输出，较大开关容量：阻性负载2A，感性负载0.25A。采用JZ7型继电器，JLXK1-111型行程开关，检查发现损坏的输出端子与继电器之间连接的印刷铜箔烧断，其余正常。分析认为，输出回路上的行程开关位于室外的金属构架上，且数量多，易形成输出回路对地短路而烧毁印刷铜箔。
针对上述问题，提出了以下几种解决方法：
（1）在满足控制系统的前提下,尽量减小所选用保险的保护值。根据开关容量和继电器线圈 容量的要求,在控制回路中可选用1A的保险管,作为PLC输出回路的保护。
（2）将火线与中线互相对调位置，使输出回路发生对地短路时，短路电流不流经控制器输出端。
（3）加强线路绝缘，同时，控制电源采用隔离变压器，使控制回路成为不接地系统，以减少接地短路故障的发生。
（4）加大控制器内部输出端子与输出继电器连接导线的面积，提高其导电能力。
最后考虑安全性，采用了（1）、（3）两种方案相结合，同时在控制回路安装了接地报警指示灯，加强线路接地故障的检测，以便及时发现故障，予以排除。改造后，PLC控制系统工作正常，再未出现无输出的故障。

系统功能：

控制密炼过程中的压强、温度、时间、功率等。

控制挤出的速度、压力、料斗料位等。

控制压延的形状、速度、质量等。

控剪的长度、同步贴合等。

控制硫化的时间、温度、压强、质量等。

可检查断线、保险跳闸、中线断线等故障，并可检测线电压。

可对系统数据进行修改，进行数据热备份。

可进行故障报警，并能输出实时数据。

由于simatic s7-300能够承受高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有较高的工业环境适应性，所以本系统采用simatic s7-300。

simatic s7-300 plc系统配置：

硬件:simatic s7-300 cpu315c-2dp；

伺服电机定位模块simatic 6es7 354；

继电器输出单元simatic 6es7 322；

高速计数模块simatic s7-300 6es7 fm350；

电源模块simatic s7-300 ps3075a；

接口模块im153；

数字量输入输出模块simatic 6es7 321；

人机界面tp170a；

通讯处理器cp342-5 ；

profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。profibus根据应用特点分为profibus-dp、profibus-fms、profibus-pa三个兼容版本。其中profibus-dp是一种高速(速率9.6kbit/s～12mbit/s)的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散i/o之间的通信，可满直流调速系统快速响应的时间要求；profibus-pa采用iecii58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；profibus-fms主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

本生产线控制系统采用profibu -s现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降。西门子simatic s7-300集成了profibus分布式系统的组态功能。基于profibus的分布式i/o可实现全集成自动化。通过组态可以方便地由plc中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。

2.3 系统软件设计

    该系统软件的开发环境为siemens simatic s7 step7编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统启停周期和运行时间。主要实现以下功能：

(1) 控制操作：能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置plc的某些参数等。

(2) 显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。

(3) 数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化生产线的控制系统，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。

(4) 报警功能： 当某一模拟量测量值**过给定范围或某一开关量(如电机启停、阀门开关)发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。

(5) 打印功能： 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

LS-300L型包装机的所**构全部采用气动组件，全部采用气动控制，在**业同类型产品中属于中高档机种。该包装机根据包装盒的大小长短，只需通过控制系统的人机界面对包装膜的长宽、伺服电机的速度等进行调整就能够进行包装。系统主要采用了欧姆龙的CP1H-X40DT-D PLC、NS5-SQ00/0B-V2人机界面、R7M-Z40030-S1Z伺服驱动器、R7D-ZP04H伺服电机等一系列产品。
CP1H是欧姆龙较新的**高速的一体化紧凑型PLC，它整合了CPM2A和CJ1系列PLC的优点。内置功能，如数字I/O，高速计数、高速脉冲输出、模拟输入和输出提供了较大的灵活性。集成的通信网关功能使CP1H成为**个符合欧姆龙Smart Platbbbb概念的紧凑型PLC。只需要一个连接，使用CX-ONE软件包，所有通过以太网、DeviceNet或者串行通信连接到CP1H的设备都能被配置、编程和监视。编程电缆只需要标准的USB电缆，使用快捷、方便。
NS系列触摸屏是工业级的IT人机界面，具有256色（32768色图像显示）、高亮度、宽视角；多语言支持（16种）、用于梯形图监控和数据传送、存储的CF卡；丰富的宏语言功能；具有Ethernet和Controller bbbb网络接口，USB打印驱动；增强网络功能-NS可放置在有网络连接的所有地方；系列化的智能控件(SAP)－在NS终端上*编程实现设置、设定、监控等功能；重量轻、扁平外形设计、板IP65防护等级。
SmartStep Z系列伺服具有全自动增益调节功能；并且装备了比以前W系列的增益自动调整更加进一步的自动调整功能。结合客户的系统只需要表面的2个旋转开关就能够完成设定！之后，所有的调整，伺服驱动器都能自动地自己完成。作为驱动类机器的伺服，在小型化方面，更加前进了一步。在欧姆龙产品的体积比率上，实现了60%的小型化，对于加工小部件的小型装置的伺服以及原先装置的小型化改造来说，是较适合的。
三、控制系统设计考虑说明：
控制系统的控制有3种工作方式：1）手动操作；2）单动操作；3）自动连续操作。以下对控制系统手动操作方式考虑作简要说明。
当手动操作时，推料、折角、整形、上折、下折、易拉线、下膜、切膜、吹气都能独立动作，其中：
推料：推料－>推料到位－>推料停－>推料回程－>推料回程到位－>推料回程停
折角：折角－>折角折到位－>折角停－>折角回－>折角回到位－>折角回停
整形：整形－>整形开始延时－>时间到－>整形退
上折：上折下降－>上折下降到位－>上折下降停－>上折上升－>上折上升到位－>上折上升停
下折：下折上升－>下折上升－>下折上升停－>下折－>下折下降位－>下折向下停
易拉线：易拉线动作－>易拉线动作延时－>时间到－>复位
下膜：下膜－>伺服动作－>下膜到设定长度后停止
切膜：单独点动
吹气：吹气动作－>定时开始－>定时到－>停
单动操作时，系统完成一次由推料、下膜、吹气、切膜、折角、下折、上折、整形组成的动作。
自动连续操作是连续的单动操作，在没有盒子的情况下，会自动停止。在自动运行的状态下，系统会自动进行计算，然后在人机上显示。

四、系统的保护及安全措施
1）在手动状态下，推料只有在折角回程到位、上折上升到位、下折下降到位的时候，才允许推料动作。
2）在手动状态下，折角只有在推料回程到位、上折上升到位、下折下降到位的时候，才允许折角动作。
3）在手动状态下，上折只有在推料回程到位、折角回程到位的时候，才允许上折动作。
4）在手动状态下，下折只有在推料回程到位、折角回程到位的时候，才允许下折动作。
5）当系统由手动操作状态切换到自动运行状态或者由自动运行状态切换到手动运行状态时，所有的汽缸都自动复位。即推料、折角、整形、上折、下折、易拉线、切断、吹气都复位到初始状态。
6）一旦在自动运行模式下启动时，系统会自动先进行检测，确认所有的汽缸是否处在复位状态，如果没有处在复位状态，系统就会报警，同时将所有气缸复位。
7）为保证气压的正常，一旦气压不足，系统会有提示信息，告知用户，气压不足，系统不能启动。
8）整个系统提供两个急停开关，一旦出现紧急事故时，按下急停按钮，系统全部停止。所有的操作都禁止，直到故障解除后，将急停按钮复原后，才能进行所有的操作。
9）伺服一旦出现故障，系统会提示相应的报警信息，提示用户检查伺服电机。

五、系统的工艺参数设置及控制画面


六、系统设定
1、 长度控制
系统的下膜长度是由伺服控制的，SmartStep Z系列的伺服控制非常方便。调整脉冲的分辨率只需调节伺服驱动器上的指令脉冲设定旋转开关(PULSE)即可，*用操作器来调节。伺服的动作快慢及动作长度都是靠CP1H PLC发出的脉冲的频率及数量来控制的。
2、 下膜速度的控制
下膜速度的控制就是CP1H PLC控制高速脉冲的频率SPED指令来控制的，SPED速度越大，下膜速度越快。
3、 气缸动作控制

气缸动作都是由PLC的开关量输出点控制的，分别控制机器的推料、折角、切膜、上折、下折、整形热封等动作，动作到位后由光电传感器反馈给PLC的输入点。

1 引言
近年我国不少矿山企业为了实现、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP圆锥破碎机，以进一步优化生产指标和提率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此，需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且性价比高等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。
2 工艺与控制要求
某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿首先从原矿仓通过重型板式给送入鄂式破碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛，筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成闭路;筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给、鄂式破碎机、2台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热继电器状态）的监测及自动联锁;②2个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3台除尘风机起停控制和工作状态监测;③粉矿仓超声波料位计的信号监测;④控制室与现场各车间联络的声光警示信号。
本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2台圆锥破碎机和轴瓦温度监测;⑥2台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制;⑦1#和3#皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制;⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC控制系统通过转换开关进行工作方式切换。
3 系统硬件配置
根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC控制器和现场电气驱动和信号检测。PLC控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟可靠，应用广泛，具有功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护;16通道DI模块SM321，5个;16通道DO模块SM322，3个;8通道AI模块SM331，2个;4通道AO模块SM332，1个;考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSA过程监控组态软件。S7-300和监控站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613通讯卡，通过MPI电缆进行连接。
4 PLC控制功能设计
PLC程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。
4.1设备起停联锁逻辑控制
碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，最后起动重板给;顺流程停机，即先停重板给，最后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔，以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变;当重板给、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行;②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号****自动停机，以防止设备受损;③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警;④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。
系统从、灵活的原则出发，设置3种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动;②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用;③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停，满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要;在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮，可在3种控制方式间进行任意转换。
通过对上述控制功能和PLC各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K为控制设备起/停的PLC输出信号，Y为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态;S1，上台设备启动后延时触发信号;S2，转换开关处于计算机控制方式;S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动;S4，监控画面单动按钮;S5，控制方式预转换按钮;S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制;S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号;B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生;B2，监控画面停止按钮;D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发;B3，监控画面紧急停止按钮;B4，操作台紧急停止按钮;S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态;S9，该设备PLC控制输出状态，为“1”表示PLC控制线路接通。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。PLC具有通用性强、维护方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，已在工业自动化领域得到了广泛的应用。特别是在电机控制上，PLC集成了**的控制指令集，这可大大缩短编程者对程序的开发时间，提高调试的效率。
位置伺服系统，一般是以足够的位置控制精度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的。故伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通调速系统高且严格得多，并且不会出现象步进电机在高速状态下旋动时出现“脱步”等现象，其在位置控制方面具有相当高的精度而且在高速旋动时具有与低速运动状态下相同的转矩，即可以实现恒转矩运行。伺服电机的以上一些特性可以很好地满足本系统的设计需要。
密封垫圈在石油管道、液气压系统等诸多领域内有着广泛的用途，是一种密封性较其优良的产品。主要原材料包括钢带和石墨等，因为其良好的密封性，所以在**的需求量非常庞大，企业为提高其生产效率，要求采用自动生产设备。
该生产系统现大都采用的是手工操作的方式，在生产过程中，时刻需要人工干预产品的生产过程，通过测量来确定产品是否符合工艺要求。比如，时刻需要用游标卡尺来测量产品的外径来保证产品的质量;整个焊接过程完全由人工操作，自动化程度低，产品的生产效率低下，已无法满足日益增强的竞争需要，所以提率迫在眉睫。
1 系统组成
根据生产工艺的要求和对实际系统的测量，预估电机带动模芯运行所需的力矩和运行速度，综合不同规格下的各种要求，选取了PLC作为控制系统，驱动伺服电机和焊机，采用文本显示器设置相应参数。
1.1 硬件部分
本系统电气硬件控制电路的设计，主要包括保护电路、电源变换电路、伺服电机驱动部分电路、伺服电机供电电路和控制电路。对于伺服电机的控制采用PLC作为主控制器，主要控制线有4根：伺服使能信号线、指令脉冲输出信号线、伺服电机旋转方向控制线和伺服电机故障信号输出线。前3根信号线的引出主要是对伺服电机的位置运动进行控制，通过相应设置和程序设计来达到要求的精度。故障输出信号线主要是对电机的不正常运行进行保护，比如电机的过流、过压运行等。通过适当的程序来对故障信号进行处理，保证伺服系统运行的安全性和可靠性。除此之外，还安装了急停按钮对特别紧急事件进行处理，以保证系统的安全性。
电气主电路主要由空气开关、熔断器（保险丝）、电源指示灯、接触器、电源开关按钮、急停开关按钮等组成。功能是保证220V电源供电的安全性与可靠性，同时，熔断器等可以对后续电路过流等情况起到一定的保护作用。220V交流电源电压经过转换变成24V直流电源电压驱动电磁阀工作，控制气缸的动作与释放。PLC开关量输人中有2个光电开关量的输入，主要为钢带和石墨缺料时的信号输入，通过PLC程序来控制伺服电机和各机械部件在上述状态时的运动。
1.2 软件部分
软件设计主要对输入的开关量等信息进行分析、处理、综合后输出控制信号来对伺服电机和执行部件（主要为焊机）进行可靠的运动控制。满足系统控制精度的要求。
在实际生产过程中，由于石墨带的刚度不够，在绕制过程中发生断裂等问题。因此在实际程序设计中要求伺服电机在启动和制动过程均要有加减速时间以防止电机产生速度突变，造成石墨带的断裂和危及操作人员的安全。根据系统要求，将系统运行状态中的某些参数通过通信模块显示于文本屏上，达到实时监控的目的。其中参数主要为产品工艺的要求参数，比如焊点数、材料绕制的圈数等参数的实时显示。文本显示器除了显示功能外，还集成了参数设置的功能，主要是对生产的产品规格型号的选择和绕制圈数的设定。通过规格型号的选择来确定焊机动作与释放时间的分配和伺服电机转速的设定，使两者达到合理的配合，较大限度地提高产品的生产效率。通过对产品绕制圈数的设定可以实时控制产品的合格率并可以随时按生产要求来选择生产产品的规格。打破了手工操作下，能生产的产品比较单一的缺点（规格少），提高了设备的利用效率。
2 系统问题及解决方案
2.1 伺服电机定位问题
本次系统设计中主要存在的问题是模芯的精确定位。当一个产品制作完成后，怎样才能使模芯在高速回归原点时与压轮压下的位置的偏差不**过1mm。考虑到伺服电机的高精度定位功能，设计中采用了记录全程脉冲数的方法。这种方法充分利用了伺服电机的高精度定位功能，实现率的精确定位。在整个系统设计中，将PLC的Y0口作为伺服电机脉冲的输出端，因此利用PLC指令集中的特殊功能存储器D8140，D8141来记录PLC发给伺服电机的脉冲数并将其累加。通过运算求出不到一圈的脉冲数，再用一圈的脉冲数减掉上面的运算结果。将此结果的脉冲数再通过PLC的Y0口发给伺服电机来控制其回归原点。如果仅用以上方法即使回归了原点但其仍无法满足1mm的精度要求，需要对伺服驱动器参数设置中的21号参数（零偏差幅度）进行相应计算设定。因为伺服驱动器出产时21号参数一般是400脉冲，当要求定位的精度很高时，这个默认的参数是不适合的。可以通过式（1）进行计算来确定需要的参数值。
 （1）
其中：132072为电机旋转一周所需的脉冲数，为固定值，单位为脉冲/周;S为每转一周的移动量，单位为m;J为系统所要求的精度，单位为m;P为零偏差幅度，单位为脉冲。
对于本系统，模芯采用较小尺寸，S=0.580 9m，J=0.001m，可求得P=226脉冲;（实际电机旋转一周需要的脉冲可以通过调节驱动器的电子齿轮比参数得到）考虑到系统的转速比接近1：10，所以P可以取20脉冲。综合考虑各种规格之后可以取较小值P=1脉冲。
在软件设计中还应要使用特殊辅助继电器M8145，其功能是停止Y0口的脉冲发送（立即停止）。采用程序驱动M8145可以防止伺服电机在发送脉冲时的过脉冲现象，提高定位的精度。
2.2 焊机的时间控制问题
对焊机的开始放电时间的精确控制直接关系到产品的质量。对于密封垫圈其要求在**轮启动焊接的时候能够达到在电机带动模芯旋转一圈的过程中，按顺序先5—l0mm焊接3个点，然后再以40—50mm的距离焊接剩下的点。在这个过程中要保持电机有一定的转速，大概20r/min，还要保持焊点的均匀、美观和一定的强度。在设计中将电焊机的时间控制模式改为“1”（外部时间控制），又鉴于PLC的扫描方式不同于一般的单片机芯片，所以要考虑程序的扫描周期。在以上转速下利用公式（2）算得可以启动电焊机工作的时间：
S=V×T （2）
式中：S为焊接距离;V为电机运动速度;T为电焊机可以工作的时间范围。
算得时间T，加上扫描时间就是焊机要动作的时间范围，对其进行启动和释放时间合理分配。该系统中电焊机启动时需要l0ms的高电平维持时间（实际设定），才能进入稳定的放电状态，而且焊机的响应时间存在不稳定性，所以设定电焊机启动时高电平维持时间为20ms，电焊机可以很好地进行工作，达到控制的需要，保证焊点的质量。
3 结论
经过现场安装与调试，本系统其性能比传统的手工操作系统优良。而且体积小，结构也简单，为日后的维护和功能扩展奠定了良好的基础，精度能够达到要求，大大提高了效率，操作也更加简单方便。对操作人员来说，也更加。

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