西门子模块6ES7322-1FF01-0AA0技术参数

西门子模块6ES7322-1FF01-0AA0技术参数

本文介绍工业人机界面的特点和功能，并以国内某大型浮法玻璃生产线冷端切割区主控系统为例，介绍HMI在PLC工控系统上的应用。
        1、前 言  
       
        可编程序控制器Programmable Logic Controller在工厂自动化中占有举足轻重的地位。技术的不断发展较大地促进了基于PLC为核心的控制系统在控制功能、控制水平等方面的提高。同时对其控制方式、运行水平的要求也越来越高，因此交互式操作界面、报警记录和打印等要求也成为整个控制系统中重要的内容。对于那些工艺过程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，尤其显得重要。新一代工业人机界面的出现，对于在构建PLC工控系统时实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。
       
        2、工业人机界面的特点和功能  
       
        工业人机界面Human Machine Interface，简称HMI，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。工业人机界面以特殊设计的计算机系统32位RISC CPU芯片为核心，在STN、TFT液晶显示屏或EL电发光显示器上罩盖有透明的电阻网络式触摸屏。触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化并由软件计算出触摸位置。
       
        NMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；在HMI上设置触摸控件可把HMI作为操作面板进行控制操作；报警处理及打印；此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。
       
        3、HMI在PLC工控系统上的应用
       
        下面以国内某大型浮法玻璃生产线冷端切割区主控系统为例，介绍HMI在PLC工控系统上的应用。
       
        3.1 系统概述
       
        切割区为浮法玻璃生产线中一个重要工段，其中包括测量发讯、纵切、横切、掰断加速、掰边、纵掰纵分、输送辊道等众多生产控制设备。系统硬件上主要由主控制器PLC，现场设备控制装置，包括伺服控制器、变频器、模拟量信号及脉冲信号处理器等和HMI构成。作为整个控制系统的核心，切割区主控系统在正常生产时根据生产工艺要求协调各个单机控制子系统的工作，制定切割计划，实现整个生产过程全自动化。整个系统的核心控制部分由日本三菱FX-200系列PLC完成，此部分内容本文略，而系统的监控和交互式操作界面等任务将由HMI承担。主要有以下内容：系统参数的设定；动态画面的显示；故障报警与诊断。其中HMI选用深圳显控公司的SA-5.7型人机界面。
       
          3.2 HMI与PLC之间的通讯  
       
        当HMI用于PLC控制系统时，HMI与PLC之间通过串口以Direct bbbb（直接连接）方式进行通讯。在该方式下，HMI根据要求直接读入PLC的数据或把数据写入PLC相应的地址中。由于内装通讯协议，因此无须编制通讯程序，只要*所用PLC类型即通讯协议，运行时便可实现通讯。因此大大减少了PLC用户程序的负担。在系统设计时，直接*控制部件与其对应PLC的输入输出（I/O）、寄存器（R）、中间寄存器（M）的地址，运行时HMI就能自动和PLC进行数据交换。直接读取或改写PLC相应地址的内容，并据此改变画面上显示内容。同时通过对HMI的触摸操作，可向PLC相应的地址输入数据。
       
            3.3 HMI监控主面
       
       
       
        整个HMI监控系统采用树型结构，由监控主画面及相应功能子画面组成。在监控主画面下端设有控制功能键，按动功能键可以依次进入相应子画面，执行所需的功能。在每一个子画面中可通过 上一页 、 下一页 功能键在同一功能组中进行画面切换，在任一子画面都可以通过 主画面 功能键退回到监控主画面。系统自动采集相关数据，将切割计划、测量脉冲、辊道速度等一些重要生产工艺参数显示在主画面上，便于操作人员的观察。监控主画面上还有生产过程的动态画面显示，在动态画面上以各种形式模拟出主要控制设备的运行情况，例如光电开关的动作、电磁阀的吸合、电机的运行停止等，直观、生动的反映出现场的过程，方便操作人员对生产情况、设备工况的了解。显控公司的HMI编程软件SamDraw3.1提供了丰富的控制部件，例如按钮部件、画面切换部件、指示灯部件、数据文本显示部件等等，实现上述功能只要根据需要选择相应的控制部件，定义好其属性即可。SamDraw3.1采用软件通用模式，所有控制部件的属性通过组态形式完成，以实现相应控制功能。使用SamDraw3.1内附的图库及作图工具来构造生产现场的模拟画面，简便易行。内容丰富的作图工具库，使得画面生动、丰富多彩。 而且SamDraw3.1还支持图片上传以及自定义图库功能，用户可以很方便的将本地图片生成为图库或控件，在以后的组态过程中可以很方便的调用。
       
        此外，充分利用HMI的优势将原先布置在控制柜上的开关、指示灯尽可能地用HMI中的控制部件替代，这样做减少硬件设备，简化了现场设备间的接线，更重要的是给设计和调试带来诸多方便。
       
            3.4 HMI参数设置功能  
       
        主控系统中有多达近百个参数需要设置，根据控制功能将其分为联锁、横切、横掰、速度、掰边、纵掰及设备参数组，使整个系统的结构更加合理。同时利用HMI触摸操作的特性使参数设置变得较为直观和简便。在参数设定时，点击数字输入控件自动弹出系统的数字键盘进行操作。每个参数在部件属性中定义并分配了相应的PLC地址，当确认后输入的数据将存入PLC*的地址中。操作完成后，按动ENT键，可消去数字键盘同时完成数字输入。此种设计模式可较大化地利用画面的有效面积。同时每个参数都设有上下限限制，当输入数值****，系统将拒绝接受并且不能退出键盘，待输入正确后方可退出。此外对重要的系统设备参数组，为安全起见，可以对参数设置画面设置访问权限，赋予操作人员不同的操作权限，增加系统的安全性。
       
        3.5  HMI报警功能
       
        在系统报警设计时，将故障信息在报警编辑器中编辑好，并在报警记录子画面中设置报警记录显示部件用于故障信息显示。系统运行发生故障时，HMI根据PLC传送的故障信号，将报警编辑器中对应的故障信息在报警记录子画面显示出来。同时监控主画面上的“故障”信号灯将闪烁，声响报警。此时操作人员可进入报警记录子画面，根据故障信息查找原因，及时处理。
       
        4、结束语  
       
        该系统投入使用后，受到用户的欢迎。系统具有安全、直观、简便等特点。监控、故障诊断和报警等功能的实现，大大提高了生产运行的可靠性。实践明，HMI在PLC控制系统中有着广泛的应用前景，必将在工厂自动化中发挥出越来越大的作用。

1、引言

由我院技术总承包、近期已顺利投产的张家港华达涂层有限公司年产15万热镀锌板工程和我院目前为济南钢铁公司技术总承包的年产20万吨热镀锌板工程，采用新型自动化系统配置模式，从根本上改进和简化了自动化系统，目前张家港项目运行良好，济钢项目进展顺利。

2、系统配置原则和方式

冷带连续加工机组的过程控制系统一般按照工艺特点可以进行比较详细的分类，如焊机控制、锌锅控制、加热炉控制、辊涂控制、光整机控制等，但一般而言，冷带连续加工机组(镀锌机组、彩色涂层机组还是退火机组等)其通用的过程控制系统均为传动控制系统和与它关系密切的PLC系统再加上上位监控系统；20世纪80年代，宝钢2030冷轧厂08镀锌机组(1850mm、年产30万吨)的自动化系统根据当时自动化技术水平按照工艺区段方式共配置5台西门子公司的S5-150KPLC和一台上位工业控制机300-R30，属当时国际水平，目前自动化技术与20世纪80年代相比，进步较大，沿袭2030冷轧厂带钢生产机组工艺分段配置自动化系统的传统模式已不适应目前的自动化技术水平，表1为S7-400系列PLC、S7-300系列PLC与S5-150K系列PLC的技术性能对比；以表1技术性能对比为依据，通过分析，济南钢铁公司20万吨镀锌机组集成的自动化系统我们采用一块S7-400主CPU：CPU416-2DP；张家港机组(年产15万吨)采用一块S7-300主CPU：S7-315-2DP，实践证明，我们的系统配置模式完全满足生产要求；可以有以下结论：目前国内大型钢铁企业年产在20万吨左右的冷带连续加工机组自动化系统，只需1台S7-400主CPU就可以满足生产要求，对于年产在15万吨以下的中小机组只需要一台S7-300主CPU：CPU315-2DP就完全可以满足生产要求，这无疑较大地简化了冷带加工机组的自动化系统，使广大用户从中受益。

采用新型方式配置冷带连续加工机组自动化系统的好处可以归纳如下：

(1) 充分发挥CPU技术性能，淘汰按照工艺区段分配PLC的老模式，从根本上简化自动化系统结构，降低设备投资。

(2) 充分采用现场通讯总线技术和远程IO单元，从而大量节省输入输出点和施工电缆，降低投资费用。

(3) 充分采用现代HMI技术，省却大量操作按钮、指示灯和显示仪表，从而提高自动化生产的操作和管理水平，使操作更性化和简约化。

3、系统组成及功能

冷带连续加工机组自动化系统构成方式为：基础传动+PLC+上位监控；PLC(主CPU、远程IO站)、HMI、传动系统之间通过PROFIBUS-DP网络进行信息交换。

3.1 上位机监控系统组成及功能

监控系统通过PROFIBUS-DP总线与PLC主CPU连接，接受和采集原料、生产过程、产品有关信息，实现生产管理人员-设备-原料-产品之间的信息交换，对机组的正常生产和产品进行自动化管理；通过网络，把工艺参数设定值和对电气设备的操作从人-机界面接口传送到PLC，把机组的状态、电气参数及故障由PLC收集送到人-机接口的CRT显示器上；我院目前为济南钢铁公司技术总承包的20万吨热镀锌板工程上位监控系统采用WinCC组态技术对整个机组运行状态进行监控。
上位监控系统软件功能如下：

(1) 原料数据(板材宽度、厚度、钢卷编号等)，过程数据(机组各段张力、机组速度)，产品数据(钢卷卷号、卷重、卷径、焊缝位置等)的自动生成、存储和修改，将自动生成的配方工艺参数下载到PLC。
(2) 所有生产技术数据的汇总、存储、打印；
(3) 各主要工艺设备状态显示；(4)在人-机界面上或者在操作台上对上述生产技术数据进行人工干预；
(4) 加热炉的温度显示、运行状态监视、故障报警；

3.2 PLC系统组成及功能

以济南20万吨热镀锌项目为例，PLC系统采用西门子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，远程IO采用ET200，由CPU、存储单元、电源模板、通讯模板、输入输出模板、高速计数模板、中继器等组成，PLC与分布式I／O及传动系统采用Profibus-DP网。具体配置见表3。PLC控制系统主要完成加工线工艺功能的控制，根据工艺需要完成区段速度设定、张力设定、活套控制、逻辑控制、监测和报警、与上位机进行通讯等控制功能；在三个操作台(入口操作台、工艺操作台、出口操作台)别设有模块化IO单元，由通讯电缆汇总到PLC系统，为提高系统可靠性，PLC与各自的远程IO站之间的通讯、PLC与调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人-机接口的CRT上显示。

4、PLC软件功能

冷带连续加工机组的PLC软件主要是焊缝跟踪任务，包括自动刹车、慢速定位和紧急刹车；焊缝跟踪任务是靠现场远程IO站信号通过ProfiBUS-DP与S7-400主CPU通讯，依据编制好的过程控制软件完成，它的任务主要包括：

(1) 根据带钢焊缝在机组的位置实现机组的自动刹车

a) 开卷机的自动甩尾刹车。
b) 入口活套出口活套的自动刹车。
c) 卷取机的自动刹车。
d) 拉矫机的辊道自动开闭。

(2) 根据焊缝位置实现机组的慢速定位

a) 入口上下通道带头在焊机处的慢速定位。
b) 入口上下通道在助卷器和夹送辊两种方式下的穿带。
c) 入口出口侧剪处的带钢定位。
d) 焊缝的自动打孔。
e) 根据焊缝位置计算带长。

(3) 机组的紧急刹车

a) 传动设备故障的机组紧急刹车。
b) 断带故障的紧急刹车。

(4) 4个程序模块

上述所有工艺要求的控制功能其软件核心为4个程序模块，根据需要分别在自动刹车、慢速定位和紧急刹车过程中调用，它们是：

a) 状态控制模块MDCT01。
b) 张力调节模块TEAD01。
c) 定位模块POSI01。
d) 自动刹车模块AUBK01。

定位模块POSI01、自动刹车模块AUBK01的功能主要是接受来自现场状态控制点的状态，并且根据状态控制点状态去触发或者调用状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01的不同设定值程序,它们附属于张力调节模块和状态控制模块，主要是开关顺序连锁和通／断关系；状态控制模块MDCT01和张力调节模TEAD01的主要功能是速度-张力的设定。

状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01按照机组工作状态的不同可以分为目标速度非“0”状态的生产请求和目标速度为“0”生产请求两种基本情况；

(5) 目标速度非“0”状态的生产请求，可以分为两种情况：

a) 初始速度为“0”，既生产线为停止状态，这种情况下，首先要进入张力准备阶段，根据工艺要求进行张力预选，接通张力，建立静态张力，其次是张力调节阶段，建立该运行区所有设备的工作张力，并且对张力的建立和调节进行确认和检查，在确认和检查无误的情况下，进入速度调节阶段，经过一定时间Δt(如出口段为4秒、工艺段为3秒、出口段为6秒)检查速度不为“0”，说明请求实现。

b) 初始速度不为“0”，既生产线为正常生产状态，这种情况下，所有张力均已存在，各段张力均为正常生产值，此时，可以直接进行速度调节。

目标速度为“0”，这种请求是实现目标速度为“0”的状态。

可以知道，当速度为“0”后大约0.7秒，取消工作张力，建立静态张力，若没有外部中断请求，那么在大约900s之后，系统自动取消静态张力，张力值“0”。

镀锌机组入口段软件功能框图，整个框图基本包括状态控制模块MDCT01、张力调节模块TEAD01、定位模块POSI01和自动刹车模块AUBK01。

冷带连续加工机组的PLC控制程序编制，应该注意以下情况：

a) 现场执行元件的可靠性直接关系到自动化系统的稳定运行，传动电机、抱闸和限位开关、光电检测在自动化系统中具有同样的重要性，机组的连续性生产和限位开关这样小的元件密切相关。

b) 冷带连续加工线自动化系统控制的主要设备是辊系设备，主要参数是张力-加速度-速度-位置这样四个力学参数，其控制过程属于刚性物料输送过程，其前后联系非常紧密，单体设备之间相关性较大，在控制精度上有一定要求，否则会出现断带、拉带、堆带或者机组振荡故障现象。

c) 冷带连续加工线自动化系统的硬件结构应合理采用远程IO和总线通讯方式，软件结构上应该按照程序模块把所有开关量信号与张力-加速度-速度-位置参数**地整合在一起，否则，机组静态张力、穿带张力、工作张力、入口出口活套充放套等工作状态很可能会出现意想不到的故障。

5、结束语

目前，由我院承担的我国国内所有冷带连续加工机组的自动化系统运行均非常稳定、可靠，这和我们多年吸收、借鉴我国花巨资从国外引进的同类机组自动化技术、不断跟踪自动化技术发展趋势是分不开的，我们的工作为我院和广大用户创造了良好的经济效益和社会效益