西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8产品描述

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  PLC除了用于开关量控制、定时、计数的基本指令外，还有大量的应用指令，有的plc的应用指令多达数百条。
      对于应用指令，初学者非常困惑，不知道哪些指令重要、哪些指令常用，应该怎样学习它们。这些指令可以分为下面几种类型：
      1．属于几乎所有计算机语言都有的指令，例如数据的传送、比较、移位、循环、数学运算、字逻辑运算、数据类型转换等指令。
      这类指令非常重要，它们与计算机的基础知识（例如数制、数据类型、寻址方式等）有关，应通过例子和实验了解这些指令的基本功能。学好一种型号的plc的这类指令，再学别的plc的同类指令就很容易了。
      2．与顺序控制程序有关的指令。这类指令中，fx的stl指令设计得，用stl指令设计的梯形图与顺序功能图之间有明确的对应关系，因此易于理解和使用，设计的程序比其他方法设计的短，可以节约大量的设计时间。
      s7-200的scr（顺序控制继电器）指令和欧姆龙的步指令（step/snxt）也用于编写顺序控制程序。
      建议在学习这类指令之前，学习顺序功能图（见作者编写的plc教材）。
      3．与plc的应用有关的指令，例如与pid控制、运动控制、高速输入/高速输出、通信有关的指令，这些指令也很重要。某些指令需要学习有关的专门知识，才能正确的理解和使用它们。
      4．与plc特定的硬件、软件有关的指令，例如读写特殊模块和模拟电位器的指令，s7-300/400读取数据块长度和编号的指令等。
      5．与某些特定的工程应用有关的指令。例如fx的凸轮顺控指令和旋转工作台控制指令。
      学习应用指令时，可以按指令的分类浏览所学的plc有哪些应用指令，它们用来干什么，便于在需要的时候能找到手册或帮助中的指令说明。初学时没有必要花大量的时间去了解应用指令的详细使用方法，没有必要记硬背它们。是了解指令的基本功能。
      可以采用需要什么学什么的方法，学习读程序、编程序时遇到的和需要使用的指令，没有用到的指令暂时不管它。在阅读或编写程序时如果遇到不常用的指令，可以通过编程手册了解它们的详细使用方法。
      如果编程软件有指令的在线帮助，选中指令列表或程序中的某条指令，按一下f1键，就可以看到该指令的大量细节，例如指令各参数的数据类型、可用的存储区、参数的意义，指令的功能和应用实例、指令的执行对状态字或有关标志位的影响等。
      与学外语不能只靠背单词，应主要通过阅读和会话来学习一样，要学好plc的应用指令，也离不开实践。一定要在读程序和编程序的过程中学习应用指令。
      有的指令实际上少使用，它们属于“休眠”的指令，学习的时候可以不管它们。万一在读程序时遇到它们，可以通过指令的在线帮助或查手册来了解它们。PLC控制系统的性直接关系到整个生产效率和，不论是硬件、还是软件或者外围设备，只要其中某一环节出问题都将导致停产。因而它是讨论技术要求的要因素。
只有5%的故障发生在可编程控制器中，这说明可编程控制器本身的性远外部设备的性，的故障发生在I/O模板中，只有10%的故障发生在控制器中。说明发生在可编程控制器CPU、存储器、系统总线和电源中的故障只占系统总故障的0.5%，而发生在I/O模板中的故障也只占系统全部故障的4.5%。分析可见，通常，在实际应用中往往从以下几方面来考虑。
(1)要注意外部设备的选择，缩短大量的维修时间。
(2)数据和程序的保护。大部分PLC控制系统都采用锂电池支持的RAM来存储用户的应用程序，一般一支电池的寿命为5年左右，用完后应用程序将全部丢失。因此一些重要的地方常采用存储卡来存储用户的应用程序。将程序及技术资料作为存档保存起来。以防后备使用。
(3)安装与布线要采取一定的抗干扰措施。一般PLC电源都采用带屏蔽层1：1隔离变压器供电，在有较强干扰源的环境中使用时，应将屏蔽层和PLC浮地端子接地，接地线面积不能小于2mm2。接地线要采取立的方式，不能用与其它设备串联方式接地。PLC电源线，I/O电源线，输入、输出信号线，交、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应该分开布线，后者应用屏蔽线，并且将屏蔽层接地等等。

近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就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、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。

(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调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一介绍。

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，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。

5 结束语

该系统自2005年7月投入运行后，工作稳定、，成功地实现了全部控制功能，了比较好的控制效果，达到了预期的控制指标。

1.引言

注塑机是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备，能一次成型外型复杂、尺寸或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品，被广泛应用于、机电、汽车、交通运输、建材、包装、农业、文教卫生及人们日常生活各个领域。在塑料工业发展的今天，注塑机的生产总数占整个塑料成型设备的20%-30%，是目前塑料机械中增长快、生产数量多的机种之一。

2.注塑机概述

注塑成型机是利用塑胶的热物理性质，把物料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加热，使物料熔融，在料筒内装有外动力马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化、熔融和均化。当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力和剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程，然后，螺杆在油缸的活塞推力的作用下，以高速、高压，将储料室内的熔融料通过喷嘴到模具的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，开启模具，并通过出装置把定型好的制品从模具出落下。其工艺如图1所示。

图1注塑机工艺流程图

图1中传统的注塑机系统中保压与冷却工艺是为耗电的，其原因在于传统的注塑机是靠溢出阀和流量阀来控制注塑机系统的压力和流量的，而油泵马达则一直是工频运转，在保压和冷却时，其并不需要马达的运转，只需要保需要的压力或根本压力输出。测试马达若一直运转，虽然靠溢出阀和流量阀能够让系统的压力值达到所需数值，但是马达消耗的不必要电能很多。因此，目前注塑机系统的主流技术为油电混合型，即通过变频器来控制马达的转速，上位机下达的压力和流量命令直接进入变频器内，完成压力和流量的闭环控制，保证压力和流量的同时，减少不必要的电能消耗。通过大量的实践证明，采用油电混合的注塑机系统较传统的纯油压的注塑机系统要省电50%以上。如图2所示。

图2油电混合与纯油压注塑机系统耗电状况对比

传统注塑机的系统结构如图3所示。上位机通过控制溢出阀和流量控制阀来保证系统的压力和流量给定，采用油电混合方式的注塑机系统则可以省去溢出阀和流量控制阀，而通过上位机控制变频器去实现压力和流量控制。

图3纯油压注塑机系统结构图

图4是基于台达HES注塑机系统的油电混合注塑机系统结构图，上位机将压力和流量命令直接交给台达油电混合伺服驱动器，驱动器将会自行进行压力和流量的闭环控制。

图4油电混合注塑机系统结构图

3.台达油电混合注塑机系统方案

3.1台达注塑机PQC控制思想

图4中已经将基于HES的台达油电混合注塑机系统展示了出来，所谓HES是由台达VJ驱动器(台达油电伺服驱动器)、台达伺服马达、配套的内齿轮泵和压力传感器组成的一套系统，其部分是VJ驱动器。该驱动器只所以称为油电混合伺服驱动器，是因为其可以驱动同步马达，具备伺服控制特性;此外VJ具备PQC控制模式，即压力与流量闭环控制，从而能够实现系统压力和流量的回授运行，不但能够节省电能，还能保证上位机的压力与流量命令得到执行。基于VJ驱动器的PQC控制框图如图5所示。

图5中，液压控制系统即是PQC控制，其思想为压力命令与压力回授进行闭环PI控制调节，同时流量命令作为压力PI控制的输出限制，从而利用压力PI闭环的快速性，控制系统压力跟随压力命令，并保证系统流量控制在流量命令之内。这是充分利用流量与频率对应，压力与转矩对应的关系。

图5PQC控制框图

3.2基于C2000内部PLC的注塑机方案

VJ驱动器作为注塑机驱动器，内置PQC控制环，可以简单有效地进行注塑机系统压力和流量控制。但是由于注塑机客户应用要求的高低不同，并不是所有客户都需要驱动器进行马达驱动。尽管驱动器具备驱动、节能明显等特点，但是价格的考虑使得客户愿选择比较经济的方案。

台达C2000通用型变频器可以满足这类客户的需求。C2000不仅具备同步马达驱动能力，同时还内置了PLC功能，即可以进行一定范围内的PLC程序编译，这为C2000进行注塑机应用提供了可行的条件。考虑到C2000并没有VJ所具有的PQC控制环，因此通过内部PLC来进行程序编辑以实现PQC控制环。

先将图5的控制思想简化如图6。从图6中可以看出，压力输入对于C2000来说只是0～10V的模拟量，压力回授同样对于C2000来说也只是0～10V模拟量，其流量命令也是0～10V的模拟量，这样C2000的ACI、AVI、AUI三路模拟量输入通道可以分别对应，并且通过内部PLC的模拟量PID指令，进行压力闭环PI控制程序编写，再将流量命令的输入模拟量转换为频率命令，并写入模拟量PI输出限制参数内，完成功能的实现。

图6PQC等效控制

再将图6结合C2000的模拟量通道变为如图7所示的PQC控制。根据图7的思想进行C2000内部PLC程序编写，主要的指令为FPID与FREQ两个，其中FPID指令已经将PID回授与对应的频率进行了自动的变换，例如若01-00=50Hz，那么PID回授AVI=5V，变频器会自动将此事的PID回授看为25Hz。但是FREQ则没有这样的功能，其只是简单的将频率命令以0.01的单位进行输出，因此，ACI输入数值后，变频器内部PLC需要将其数值进行必要的转换，变成对应的频率值。

图7基于C2000模拟量通道的PQC控制

以01-00=50Hz为例，ACI输入与对应的频率值关系从图8中看以看出，这是一个线性方程的关系，可以推算ACI=5*F-Value/10。同理，AUI作为流量输入，其模拟量与对应的频率值的关系也是相似的，只不过AUI对应之频率值需要作为模拟PID的输出限制而已，ACI与AUI对应频率值计算的PLC程序如图9。

图8ACI与频率值对应关系

图9ACIAUI频率值计算程序

在图9中，以01-00=50HZ进行编写，测试正常后，以01-00为任意值进行编写，完整的PLC程序如图10。

图10PLC完整程序

4.结束语

油电混合型注塑机系统因通过变频器实现压力和流量的闭环调节，从而节省了大量的电能。但是由于注塑机客户的层次不同，并不是每个注塑机客户都需要的注塑机油电伺服驱动器进行控制。而台达C2000通用型变频器，通过丰富的模拟量通道以及内部PLC功能，可以模VJ驱动器的PQC控制环功能，从而提供客户加经济的注塑机变频器控制方案。

  1．可编程控制器的硬件连接

    实现电动机的点动及连续运行所需的器件有：启动按钮SB1、停止按钮SB2、交流接触器KM、热继电器FR及开关Q等。主电路如图5-1所示。PLC控制的外部接线如图5-2所示。

图5-1 主电路

图5-2 PLC控制的外部接线

    由图5-2可知，启动按钮SB1接于I0.0，停止按钮SB2接于I0.1，热继电器FR动合触点接于I0.2，交流接触器KM的线圈接于Q0.0，这就是端子分配，其实质是为程序安排控制系统中的机内元件。

    2．梯形图程序的设计

    可编程控制器的基本逻辑控制功能是基于继电器接触器控制系统而设计的，而控制功能的实现是由应用程序来完成的，而用户程序是由使用者根据可编程控制器生产厂家所提供的编程语言并结合所要实现的控制任务而设计的。梯形图便是诸多编程语言中较常用的一种类型，它是以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言。

    根据输入输出接线图可设计出异步电动机点动运行的梯形图程序，如图5-3(a)所示。工作过程分析如下：当按下SB1时，输入继电器I0.0得电，其动合触点闭合，因为异步电动机未过热，热继电器动合触点不闭合，输入继电器I0.2不接通，其动断触点保持闭合，则此时输出继电器Q0.0接通，进而接触器KM得电，其主触点接通电动机的电源，则电动机启动运行。当松开按钮SB1时，I0.0失电，其触点断开，Q0.0失电，接触点KM断电，电动机停止转动，即本梯形图可实现点动控制功能。大家可能发现，在PLC接线图中使用的热继电器的触点为动合触点，如果要使用动断触点，梯形图应如何设计？

图5-3 电动机控制梯形图

(a)点动运行；(b)连续运行

    可编程控制器的优点之一是不改变硬件接线的情况下，通过变软件设计，可完成不同的控制任务。图5-3(b)为电动机连续运行的梯形图，其工作过程分析如下：

    当按钮SB1被按下时，I0.0接通，Q0.0置1，这时电动机连续运行。需要停车时，按下停车按钮SB2，串联于Q0.0线圈回路中的I0.1的动断触点断开，Q0.0置0，电动机失电停车。

    图5-3 (b)称为启、保、停电路。这个名称主要来源于图中的自保持触点Q0.0。并联在I0.0动合触点上的Q0.0动合触点的作用是当按钮SB1松开，输入继电器I0.0断开时，线圈Q0.0仍然能保持接通状态。工程中把这个触点叫做“自保持触点”。启、保、停电路是梯形图中典型的单元，它包含了梯形图程序的全部要素。它们是：

    (1)事件。每一个梯形图支路都针对一个事件。事件用输出线圈（或功能框）表示，本例中为Q0.0。

    (2)事件发生的条件。梯形图支路中除了线圈外还有触点的组合，使线圈置1的条件即是事件发生的条件，本例中为启动按钮I0.0置1。

    (3)事件得以延续的条件。触点组合中使线圈置1得以持久的条件。本例中为与I0.0并联的Q0.0的自保持触点。

    (4)使事件终止的条件。触点组合中使线圈置0中断的条件。本例中为I0.1的动断触点断开。