西门子6ES7321-1CH20-0AA0详细说明

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PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。DCS集散系统: DCS英文全称 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全称为集散型控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。DCS一般由五部份组成：1：控制器2：I/O板3：操作站4：通讯网络5：图形及遍程软件。

一、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），现在，仍常常将PLC简称PC。
     PLC的定义有许多种。国际电工**（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
    上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展较快的时期，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、可靠性高、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。

二、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。

三、CPU的构成
     CPU是PLC的核心，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。

四、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。
    开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。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，但其较大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受较大的底板或机架槽数限制。

五、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24VAC）。

六、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。

七、PLC系统的其它设备
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。
2、人机界面：较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。
3、输入输出设备：用于*性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

八、PLC的通信联网
    依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、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，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准

针对以上要求,国内纺织制造业正以性能更可靠﹑更稳定的PLC逐步取代国外流行以单片机为控制核心的纺纱系统,另外随着人机接口-触摸屏﹑变频器的应用推广,一些**前的企业及时地将人机接口﹑变频整合在该行业电气控制系统中,为精彩精确的控制增添新的亮点.如该的先头代表企业之一浙江省***机械公司开发的型号***气流纺织机,就全部采用了闽台DELTA公司(中达电通股份有限公司)的PLC,矢量型变频器(VFD-B),节能**风机﹑水泵型变频器(VFD-P) ﹑触摸屏(PWS-3760)等主要电控产品,该系统采用单台人机接口-触摸屏通过RS-485总线,实时对PLC进行监控﹑参数调整﹑断纱自动报警等多项功能.本系统的PLC通过调整160多个电磁铁开合时间来实现纱线接头长度及纱线支数的调整,由于受电磁线圈消磁特性及纱线粘度﹑引纱电机的速度等综合影响,电磁铁的开合时间亦通常有0.02-0.06秒的卫小调整来满足生产的需要.所以该系统单台人机接口的点睛运用,在有效控制成本的基础上,较大地提高了生产效率及生产工义指针. 该系统PLC的I/O共计996点,面对如此庞大的系统设计及其成本的压力,设计者却一反传统的大而大做,巧妙地利用DELTA公司PLC(自带485口)及人机接口共同支持MODBUS协议的特点,根据纺纱工义的要求,将996点分为10台PLC主机的小系统,仅用双绞线将传统的10台PLC与人机接口连为统一的"大系统",真正做到了大系统小设计. 

在一个负载不断变化的引纱﹑喂给主轴上,实现纱线的支数稳定地控制,无疑都会采用速度死循环控制来实现,但在一定的物质成本限制下而达到高品质的控制,将是今天乃至明天甚至将来工业控制的较高境界.而该系统全部采用DELTA公司的B型矢量变频器,该型变频器在有效控制励磁电流﹑转矩电流的基础上,利用PG速度反馈卡,轻松简单地实现纱线支数的稳定控制.另外,整条生产线的不间断的气流控制上也选用了DELTA公司P系列风机﹑水泵**型变频器,而根据风机阻力与转速平方成正比特性开发的P型**变频器,结合现场断纱的非同时性﹑非连续性,进行有级控制进风流量,使该套设备在用户使用不足一年中即可回收所有变频器的成本.

更引人注目的是,首例利用人机接口-触摸屏COM2 (DELTA公司的人机接口INTERFACE为2S/1P)口与三台变频器直接通讯,彻底摆脱了"变频器 PLC 触摸屏"的传统模式.该系统精心大胆的设计,主要利用了DELTA公司人机接口的宏功能(综合数据处理﹑逻辑运算﹑通讯等功能),用软件开放出一自由协议口,使不同协议的智能单元能够在一个控制平台上实现相对统一和整合,同时减轻了同一总线上的通讯负荷和风险.在实际应用中,该系统的引纱﹑喂给电机的频率及相互匹配系数,可直接通过触摸面板快捷地调整和电流的实时监控,并且使线上所有10多台PLC程序严格的一致,增加了PLC应急互换性,实现了多层控制单一化,复杂简单化.

纵观整个控制系统,简洁﹑准确﹑节能﹑人性化的设计风格无不透着现代设计者的匠心*具.同时也折射出新世纪传统控制产业的方向和主流.

1.引言
细纱工序是成纱的最后一道工序，是将粗纱进一步牵伸30～50倍并加捻，纺成具有一定特数、符合相关质量标准的细纱，供捻线、机织或针织使用。纺织厂生产规模的大小是以细纱机总锭数表示的；细纱产量是决定各工序数量的依据；细纱的质量水平、原料物料耗电量等指标、劳动生产率等是技术和管理水平的体现，因此，细纱工序在纺织厂中占有重要的地位。

传统细纱机的牵伸原理与粗纱机基本相同，而卷绕和加捻则是由钢领和钢丝圈来完成的，所以称为环锭细纱机。环锭细纱机和传统粗纱机一样由一台电机传动，通过齿轮箱变换各机构需要的速度。在环锭细纱机各组成部分中，牵伸系统是反映细纱机性能和影响纱线质量的较关键因素，而新型的紧密纺纱技术通过对牵伸部分进行创造性改造，将牵伸区和集合区分离，在环锭纺罗拉牵伸与加捻之间叠加对纤维须条的气动凝聚或集聚技术，增加了须条的紧密度，毛羽减少约20％，强力则提高约10％，同时，条干均匀度、机器效率等也有不同程度的提高，不仅可以降低加工成本，同时可以减少后加工工序。紧密纺的另一优点是与原细纱机完全一致，只多出一对集聚罗拉，在原环锭细纱机上也可进行改装，具有广阔的市场前景。

紧密纺细纱机的控制系统较环锭细纱机复杂许多，首先是前后罗拉的严格同步，实现牵伸倍数和捻度的精密控制，保证高支数纱线的成纱质量；其次是通过取消钢领板的传动齿轮，采用先进的伺服控制技术实现卷装的电子成形技术，从而实现了机械机构的简化、生产速度的提高、以及纱线支数和管纱成形的自动调节。

2.控制系统方案
在紧密纺细纱机的控制系统，我们采用了三套施耐德电气公司的Twin Line系列伺服驱动系统和无刷伺服电机，分别控制前、后罗拉以及钢领板；采用两台ATV31系列变频器，分别控制主传动电机和风机；整个系统采用Micro PLC控制，同时采用XBT-G 5.7”黑白触摸屏进行系统操作和监控。

3.控制系统简介
 
Micro系列PLC是施耐德电气公司推出的具有强大处理能力和较大的存储空间的中小型PLC(I/O点较多256点)，采用灵活的模块化设计，结构紧凑，为要求精密功能(PID调节、高速计数、精确定位、人机对话等)的复杂机器提供经济型的解决方案。Micro PLC内置人机界面接口和多种通讯扩展接口，易于实现与其它设备的连接；高密度的应用(64点I/O模块等)使Micro PLC成为较紧凑的控制器。

Micro PLC编程软件与Premium PLC兼容，具有中型PLC同样的通讯语句、PID调节语句、各种运算语句等精心设计的功能函数，和在线修改等高性能的调试诊断工具，较大地丰富了Micro PLC的应用范围，减少了系统设计的时间。

Twin Line系列是施耐德电气公司推出的宽范围的伺服驱动器和无刷伺服电机产品，集成了先进和优化的无刷电机控制技术，并具备IEC 61131-3标准的编程功能和各种开放的接口，通过脉冲/方向、I/O或现场总线等方式控制，电机功率范围为0.3～13.8 Nm，速度范围为4500～12000 rpm，可以灵活满足各种实时应用要求，实现经济化、智能化的应用解决方案。

通过Micro PLC准确的运算和高精度的模拟量输出，控制Twin Line系列伺服系统，可以实现紧密纺细纱机所要求的前、后罗拉精密同步、以及钢领板电子成形；Micro PLC的内存扩展功能也为紧密纺细纱机控制所需的大容量数据存储区提供了有力的**。

ATV31系列变频器是较新推出的、ATV28系列变频器的升级产品，功率范围从0.18～15 kW，有6个逻辑输入口、3个模拟输入口、1个逻辑/模拟输出口和2个继电器输出口。ATV31系列变频器具有可靠性高、结构紧凑、便于使用等特点，内置A级EMC滤波器，集成了Modbus和CANopen两种工业现场总线，提供电机和变频器保护、加/减速斜波、16段预置速度、双较(±10V)信号给定、PI调节器、制动顺序、以及横动控制(Traverse Function)等众多功能，可以很好地满足各种机械的应用要求。

4.细纱的电子成形控制

细纱的管纱如右图所示，分管**、管身和管底三个部分，卷绕形式采用圆锥形交叉卷绕形式(又称短动程升降卷绕)，同一层纱各处的卷绕直径不同，以实现退绕时纱可从管**抽出而管体不转动，适应高速退绕的目的。

卷绕成形运动由两个运动组合而成：
· 圆周运动：电动机通过锭带拖动筒管恒速转动
· 轴向移动：钢领板短动程升降运动引导纱在卷绕面上均匀分布

其中：
· 卷绕转速(nW)=锭子转速 - 钢丝圈转速 ? v/(pdx) (v：前罗拉线速度，dx：筒管的卷绕直径)
· 钢领板升降速度(vR)＝= D * nW (D：卷绕节距)
因此，在细纱的电子成形控制中，采用伺服系统控制钢领板短动程升降运动，根据前罗拉的出线速度和纱线的粗细度设定卷绕节距和成形高度，计算出纱线在管身和管底卷绕所须的钢领板升降速度；通过编码器钢领板的位置，由PLC输出相应的速度信号给伺服系统，实现细纱的电子成形。

5.结束语
本系统采用施耐德全套解决方案，具有以下几大优点：
(1)人性化的编程软件，减少了客户工作量。
(2)优化的闭环控制系统，降，提高了质量
(3)由于成形时，要求纲领板的速度始终在变化，要求PLC具有快速运算能力及输出，Micro PLC运算指令丰富，支持浮点数运算，能够快速及时地控制纲领板的速度，以保成形精度。
(4)Micro 高速计数可达500KHZ，能够满足高精度测速的要求。

汽车制造厂的输送线和装配线的控制系统非常复杂，它需要控制道岔、停止器、捕捉器、隔离开关、急停开关、接近开关、光电开关、传送机、张紧器、提升机、举升台等许多执行机构。在奇瑞公司二期工程总装车间里，采用两条装配线实现了四种车型的混线生产。整个控