西门子6ES7222-1HD22-0XA0厂家供应

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一.工艺简介：
染缸系统用于为布料着色，通过调节温度，压力，和颜料的流量形成一定的工艺条件，在相对稳定水位、压力、温度条件下对布料进行染色。系统属于全电脑控制，对各个控制量均实现闭环控制，根据反馈实时调节补偿，以达到稳定的控制效果。
用户对于每种染色工艺的要求不同，要求程序按照功能进行模块式划分，可以根据需求在上位机中灵活调用，组成一个工艺方案。
二.电气技术方案：
2.1 系统组成
根据客户需求，结合当前工控技术的和产品，设计采用的电气技术方案如下。
上位机采用工业平板PC机。PC机与PLC以RS232方式通信，上位机开发平台采用Wonderware Intouch 9.5版组态软件，可实现对整机运行工作情况的监控和历史纪录数据的保存。
在可编程控制器（PLC）方面，选择业内的艾默生PLC作为控制器，采用MODBUS通讯协议，与艾默生变频器通过RS485总线通讯控制方式实现传动控制，并可与流量传感器通讯。根据系统要求，这些PLC分配在三个控制箱中。主控制箱中1台PLC配置为MODBUS主站，由主站对全部从站PLC、变频器、流量传感器进行监控；上位机通过主站来进行系统监控。
变频器选型采用艾默生TD3000系列和SK系列产品。 TD3000系列变频器是、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器；SK系列变频器具有体积小巧、操作简便、功能实用、宽输出频率和低噪音等优点。
文本显示器采用无锡汇联SLIAN文本显示操作屏。
2.2 电气系统结构图


电气系统结构图说明

图中粗黑线表示的是MODBUS总线。
1、PC作为系统的上位机通过串口与主控制箱的PLC主站模块的通讯口0连接，采用RS232通讯实现对PLC数据的采集和控制。
2、系统主干通讯网络采用MODBUS协议。
3、系统分为三个控制箱：主控制箱、机身控制箱、机身电磁阀接线盒。系统需要配置5个PLC主模块，以MODBUS总线协议进行通讯。主控制箱内有3个PLC主模块，其中1个主模块配置为MODBUS主站。机身控制箱和机身电磁阀接线盒分别各配置1个PLC主模块。
4、主控制箱的主站PLC采用EC20-2012BTA主模块（晶体管输出），扩展了2个EC20-4PT模块（温度测量）、2个EC20-4AD模块（4-20mA模拟量测量）；主控制箱的从站PLC采用2个EC20-2012BTA主模块（晶体管输出）。
5、机身控制箱从站PLC采用EC20-2012BRA主模块（继电器输出），扩展了1个EC20-4AD模块（0-10VDC模拟量测量）。控制箱应留出未来扩展的空间，以便将来增加扩展模块。该控制箱上安装1个无锡汇联SLIAN的文本显示屏，通讯线与PLC的通讯口0连接（RS-232）。
6、机身电磁阀接线盒从站PLC采用EC20-3232BRA主模块（继电器输出）。
7、5个比例阀分别由主控制箱的3个PLC主模块进行控制。每个PLC主模块可控制2个比例阀。
8、4台变频器和2个计都作为MODBUS从站，由主控制箱主站PLC进行监控。
2.3工作原理说明
人机交互通过PC实现，PC可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警、实时曲线描绘和保存历史数据等，同时可发送各种操作命令给PLC以控制系统的运行。
在主站PLC与PC、从站PLC、变频器和流量计仪表通讯方面，EC20 PLC充分利用自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和PC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台从站PLC、变频器和流量计仪表组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。
艾默生变频器自带RS485接口的通讯单元，用于实现PLC与多台变频器的联网。对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，可省去变频器的外部起停控制线路。
5个比例阀控制器均由步进电机及放大器组成，由主站PLC及2个从站PLC通过高速脉冲输出口来进行控制。
流量计仪表具有MODBUS协议，可由主站PLC通过MODBUS网络访问和监控。另外，流量计具有脉冲计数和频率输出，可用于计量，作为备用方案。脉冲输出可以接入到EC20的高速输入通道。
三．PLC逻辑控制：
此次编程采用顺序功能图（Sequential Function Chart），利用顺序功能图的过程划分和步骤间转换功能。可将程序段进行模块化自由组合。
由于顺序功能图编程具有直观和流程化的特点，分解后的每一步骤和每个转换条件都为相对简单的程序过程，在顺序控制领域应用比较广泛。
3.1 模块化的分解与实现
染布工艺经过长时间的积累，已经形成一套相对固定的工艺流程。但是随着布料种类、染料种类和印染要求的不同，会在原有流程上进行一定的增加、删减或者参数的改变，因此需要将整个印染工艺分解为若干个小模块以实现这一功能。
经过对印染工艺的了解，现将整体工艺拆分为如下功能块：



模块功能的实现应用顺序功能图流程的概念。在一个关联且封闭的顺序流程中，每一时刻只有一个步骤在运行，且各流程间互不干扰。而工艺模块的划分也正是本着一个模块内的工艺顺序执行、各个模块间的工艺尽量立这一原则。因此，一个模块对应一个流程即可。
3.2 自由式组合编程的实现
工艺要求能够自由的对功能模块进行顺序组合和重组，而PLC的程序是通过软件将PC中的内容写入到PLC固件中的，因此一经写入就不再可以改，程序的执行按照预定流程。于是我们通过与上位机的配合，再结合顺序功能图的特点，来实现自由编程的，其原理如下图：



在上位机中对各个功能模块进行组合，通过组态软件将这些模块所对应的流程的起始步进号存储到一个配方列表中。上位机PC发送配方当前的步进号给PLC，PLC接收到后启动该步进对应的流程，并在流程的后置位某固定的完成标志，发送给上位机。PC收到完成标志后，配方的步进号向下传递并再发送，如此实现自由组合编程。
四 小 结
通过模块化的编程与PLC双通信口的功能，把一个中型机的功能在小型机上就轻易实现了，实现了染缸工艺要求的全部功能，并降低了客户的成本。

在温度控制中，针对此生产工艺系统的组成特点和工况条件，我们采用两级PLC串级控制方式进行系统温度的控制。其中一级主PLC一台（西门子S7-315）负责控制工艺系统中五个主要设备的运行状态及所有数据的传输、显示和控制及报表图形的输出和打印，PLC二台（西门子S7-200）为三方厂商制造的加热冷却设备中自带的控制器，其负责该设备的温度控制，并与一级PLC串级构成对三具反应釜两台干燥器内部温度的串级控制，从而实现控温，控温精度为±1℃。
在保护中，将现场使用的工控机进行正压防爆处理，使其防护级别达到FM1级1区，温度组T4 （< =135度），并在每个操作台上设置一个紧急停止按钮，当生产出现急威非状况而又无法在短时间内解决时，按下其中任何一个紧急停止按钮都可将系统停止，大限度的人身及设备。
二 系统控制方案
2.1 对R1、R2、R3生产工艺流程的控制
2.1.1 R1、R2、R3搅拌速度的控制
其搅拌系统是由： PLC—变频器—搅拌电机—测速传感器—PLC构成的控制回路，控制范围：20-200转/分钟，控制偏差为5转/分。
本工艺要求R1、R2、R3在不同的生产时间里搅拌的转速是不同的,因此为了保证生产条件的一致性，减少人为操作的随意性，在转速控制系统中设置了五条在不同工况下的速度控制配方，而且每条配方都可根据具体工况修改，设定好后按顺序储存在系统中,在生产时操作人员只需调用配方的序号就可以完成每次生产中搅拌的起、停和中间转速的变换，因此对产品质量的保证起到一定的作用。而系统对转速的监控则是通过速度传感器将真实的搅拌速度上传给PLC，经计算绘制出理论速度与实际速度对比图，实现生产过程中对搅拌速度的控制和完整记录。
理论控制速度与实际控制速度对比示意图：

2.1.2 R1、R2、R3的温度控制
对R1、R2、R3温度的控制，是保证产品质量的重要条件，釜内温度控制范围：-10℃--+80℃，偏差控制在±1℃，加热冷却速率为2℃/分。生产工艺要求当R1、R2、R3的搅拌启动后方可启动它们的温度控制，否则不能启动，当搅拌停止工作则温度控制也停止工作。
其中R1、R2的温度控制方案如下
现以R1为例：因不同时段要求的釜内温度不同，为了使R1釜内温度受到控制，故采用S7315与S7200串级控制方式来实现。当R1需要升温时系统程序对S7315和S7200下达梯度升温指令：
1 S7315关闭板式换热器的冷却水进水电磁阀。
2 S7315通过TIC-101釜内温度传感器，TV101三通控制调节阀，并结合当前SV值和升温速率组成一个以控制加热水水流量为单元的外环控制方式。
3采用无限逼近SV的PID控制方式控制加热机组中的热水温度形成内环控制单元，确保热水温度不调。（由于进入R1加热水套的水温不会调因此R1釜内的物料不会调）
当SV-PV为负值时R1进入降温时段，系统程序对S7315和S7200下达梯度降温指令：
1 S7315通过DP通讯给S7200下达梯度降温指令，并给定当前SV值（此时的降温是以减少对加热机组来水的加热来实现的）。S7200通过TIC-102管道温度传感器采集水温温度数据，当TIC-102采集到的水温温度与来水的温度相差5℃时（在实际工作中可根据工况调整该值），加热停止。
2 系统程序检测到TIC-102采集到的水温温度与来水的温度相差5℃时S7315打开板式换热器的冷却进水电磁阀，启动TV101三通控制调节阀。
3 S7315通过TIC-101釜内温度传感器，TV101三通控制调节阀，并结合当前SV值和降温速率组成一个以控制冷却水水流量为单元的外环控制方式实现对R1的降温操作。
4 S7315在降温控制过程中，采用无限逼近的PID控制方式控制TV101三通控制调节阀的水流量，实现无调控制。
R2的控制方式与R1相同
R3的控制过程：TIC-301为釜内温度传感器、TIC-302为夹套温度传感器，FC为加热冷却设备带流量控制器其作用是作一个逻辑条件，当FC有流量时才能启动加热冷设备，如没流量则设备无法启动运行。在程序设计中如此设定E=SV-PV，当E值为正时，则加热，为负时则冷却，同时加热与冷却互锁，只能启动其中之一。，同时对TIC-302作出如下设定，当加热条件为一定时，其上下限设定为±0.5度，其中釜内温度控制回路TIC-101是由S7-315组成的主调节器温度控制单元；釜夹套循环水温度控制回路TIC-302是由加热冷却设备自带的S7-200组成的辅助调节器温度控制单元。R3在加热过程中控制方式、控制输出与R1、R2相同，只是在降温的控制元件上略有不同，温控PID输出略有不同。那么运用串级控制回路如何实现控制的呢？
2.1.2.1串级控制的原理
以下为标准图，串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用，主要由以下几部分组成：
主调节器——按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
副调节器——按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。


2.1.2.2串级控制的具体方案
本方案的串级控制回路图如下:

从上图中可以看出，本方案中的主调节器由西门子S7-315组成，而副调节器则由西门子S7-200组成。
主调节器根据工艺上要求的釜内温度值（即设定值），与测量到的釜内实际温度值（程值）进行PID运算，其输出作为副调节器的给定值，副调节器根据主调节器的输出值（即副调节器给定值）与副调节器输出的循环水温度值（过程值）的偏差进行运算，其运算结果控制循环水的温度，再将循环水注入反应釜夹层内，从而控制反应釜内的温度。
串级控制的主要特点：
1 改善了被控过程的动态特性，提高了系统控制质量；
2 提高了系统的工作频率；
3 具有较强的抗扰动能力；
4 具有一定的自适应能力。
串级控制的应用场合：
1用于克服被控过程较大的容量滞后；
2用于克服被控过程的纯滞后；
3 用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；
4 用于克服被控过程的非线性。
2.1.2.2 温度控制的监测和数据的输出
系统的主PLC除了完成系统温度的串级控制外,还要将辅助加热冷却设备的控制参数和温度参数读取后，在加热和冷却过程中计算出加热速率、冷却速率，并结合理论控温曲线绘制出实际控温曲线，实现对生产过程中反应釜温度的监测、控制和完整记录。
理论控温曲线与实际控温曲线对比示意图：

2.1.3 R1、R2、R3的压力的控制
保持釜内的合理压力是生产的一个重要环节,通过的压力变送器（精度0.25‰）将采集来的压力值送给系统,在程序中采用两级报警系统来保证反应釜的生产（报警值的大小根据现场工况的具体情况而定制）。
1 当反应器压力压达到一级时,蜂鸣器启动,提醒操作人员反应系统已压，请注意操作，人机界面出现黄色压对话框,直到人为干预将压解决,系统恢复正常。
2当反应器压力压达到二级时,蜂鸣器启动，人机界面出现红色压对话框，同时系统自动关闭进料阀并打开反应器的放空阀，停止其它的运行步骤，直到人为干预将压解决,系统恢复正常。
其中对R2的压力保护是系统压力保护的。
2.2对H1、H2的控制
当操作人员在人机界面上启动H1、H2时：
1 S7315通过控制智能马达控制器控制干燥器的转速。
2 对H1、H2升温的控制与R1一样。主系统只将温度和压力数据采集后在系统中记录运算并以表格或曲线图的方式输出打印，实现对生产过程中温度、压力的控制和完整记录。
2.3对真空系统的控制
在主系统界面中设置两套真空泵的启动按钮和停止按钮，不对真空度等参数进行控制。
三 控制系统的构成及特点
3.1操作控制台的选型
因本案的生产场所为有氢气存在的1区 危险场所，所以要求操作控制台为防爆型产品,并且防爆等级为 Ex(ia)ⅡC T4及以上。通过对市场的了解，得到以下几种信息：
1： Proface触摸屏有一款具有防爆功能且通过欧洲的防爆认证，但在国内好象没有通过该项认，而且价格昂贵。
2：德国P+F EXTEC的防爆屏可在1区使用，并通过国内防爆认证，但进近二十万的价格对本案来说似乎也高出了许多。
3：采用隔爆式防爆箱将将触摸屏特殊处理后封装，达到防爆的目的，价格较为适中。
4：采用正压式防爆操作控制台将工控机；显示器封装后用防爆键盘防爆鼠标操作，达到防爆的目的，价格较为适中。
针对以上4种方案，结合本案的实际情况：1、2方案都是进口防爆触摸屏，性能好使用不方便，而且价格奇高。在本案中使用成本似乎有些过高。3种方案的防爆方法效果较好，但是由于触摸屏的功能有限，屏幕相对小，对于复杂的工艺界面不能有效的表述，而且放在防爆区的触摸屏较昂贵，且要使用的时间很短，戴手套不能对触摸屏进行操作，触摸屏使用时间不长，就会变得很脏还会有故障产生。另外在程序设置时要加入很多的嵌套，会影响触摸屏的反应速度。4种方案采用正压防爆控制台，将工控机封装，其次运用专有的屏幕防爆技术将工控机的显示器封装后用防爆键盘防爆鼠标操作。该操作控制台有正压气源自保护系统，当控制台的压力未到值时控制台不能上电，该产品有国家防爆，防爆等级达到 Ex(ia)ⅡC T4以上，实现了防护。在操作上简单直观，提高了操作速度，对多重界面的操作是游刃有余。与3方案相比在使用上，在设计理念上为人性化。因此将该方案定为。
3.2 WINCC组态软件
WinCC代表bbbbbbs Control Center（视窗控制）是工控软件技术上的者。目前在PC基础上的操作员监控系统近年来发展,用于监视和控制的SIMATIC HMI产品中，WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有高性价比的SA级的操作监视系统。WinCC的显著特性就是开放，它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，地满足生产实际要求。因此作为Siemens TIA概念的一部分，WinCC可与属于SIMATIC产品家族的自动化系统十分协调地进行工作。
3.3 本案控制系统的特点
3.3.1性好
基于多年为石化企业做工控的经验，我们的系统开发以为主，性好不好是一个系统成败的关键。在本次系统设计中我们对软件和硬件的性做了较为充分的论证，根据用户的要求本系统以防爆为主线。在程序中设置了多处应对的不同措施大限度的用程序的来保证生产的。其次两个操作控制台采用正压防爆保护方式，实现了与现场环境的隔绝，达到了一级区域的防爆等级。三在每个控制台上我们安装了一个防爆急停按钮，一旦工作中出现非情况，按下后就可将整个系统强停，大限度的人身及设备。后在控制柜中根据不同的用电器分别设置不同的熔断器、过载保护器、短路保护器等常规电气保护单元。
3.3.2实用性强
在系统设计时强调以人为本的设计理念，降低使用操作的难度，使操作人员一学即会得心应手，在人机界面及控制方式上以实用好用为目标，用简单的方法实现不简单的控制。比如：在人机界面中将受控运行的设备用动画形式表现出来，加热制冷设备的运行状态用不同的颜色表示出来，当为反应器加热时循环水回路用红色表示出来；冷却时循环水回路就用蓝色表示出来，系统中还有很多地方用到这样的设计，使操作者一目了然。
3.3.3性高
依靠多年的系统集成经验和方法，我们将使S7315发挥出通讯能力强，控制精度高的特点，并在软件与软件之间；软件与硬件之间；硬件与硬件之间的联接、通讯、数据交换有的保，使系统运行、快捷、稳定、准确，远程监控得心应手一目了然，便于主管对生产状态的了解和监控。强大的报表功能将记录生产中的每个细节，便于您在产品质量的追溯中查找问题。
四、总结
这是一个用以太网和两台上位机通讯，一个315-2DP和多台S7200通过PROFIBUS进行数据交换。主要采用PID算法对温度通过加热器和调节阀进行控制。控制精度为正负0.8度。控制精度远远过了用户正负2度的误差。

随着我国微电子技术的发展，PLC技术在机械加工的各类机床的电气设备的改造和新型设备的自动控制中得到日益广泛的应用，本文将阐述家用缝纫机的机加工组合机床的PLC改造实例。

1 组合机床的运动及控制情况

浙江某缝纫机厂，拥有很多的加工缝纫机部件的组合机床，用以生产家用缝纫机。如对家用缝纫机的机壳实施机械切削加工的组合机床，其动力头分布与运动情况如图1所示。图1中动力头Ⅰ、Ⅲ分别用于针距大孔和夹线器孔的钻削加工，动力头Ⅱ用于挑线杆行线槽的铣削加工。M1，M2和M3均为三相异步电动机，分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头的切削主运动提供动力。为便于控制组合机床运动，在组合机床上装了许多行程开关，以的位置信号。图1中的行程开关的压动情况为：SQ51、SQ61和SQ71分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头在原位时压动;SQ52、SQ63和SQ72分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头工进到位时压动;加工时Ⅱ动力头先动作，当压合SQ62时，Ⅰ、III动力头才能离开原位。另外还有：后插销滑台降、升到位分别压动SQ11、SQ12;人工拔、插定位销分别压动SQ21、SQ22;针孔杆拔、插销分别压动SQ31、SQ32;夹具松开、夹紧分别压动SQ41、SQ42。

组合机床中的液压系统的油泵也由一台三相异步电动机M0驱动。液压系统的个功能是给三个动力头的进、后运动提供动力，液压系统三个动力头的进给、后退运动由液压系统中的三个三位五通换向电磁阀分别控制，动力头从快进转换到工进由液压行程调速阀控制，与电气控制无关。液压系统的二个功能是：用于加工件——机壳的夹紧和松开。其中机壳的装夹过程是：将机壳（工件）放于工作台上，先由液压驱动后插销滑台上升，再进行人工插销定位，接着由液压驱动针孔杆插销定位，后是液压驱动下夹具压夹紧工件。夹紧过程的动作由液压系统中的三个二位五通换向电磁阀控制，这三个换向阀带械自锁。加工好的机壳（工件）的下卸过程正好与装夹过程相反。同样，松开过程的动作也由液压系统中的另三个二位五通换向电磁阀控制。所以加上三个动力头的进、退动作，共有12个电磁阀线圈的通断电进行控制。

组合机床的单循环、循环和调整三种工作状态的选择由组合开关SA的三个位置选择;SB1、SB2为油泵电动机M0的起动、停止按钮;SB3、SB4为选择循环工作（含单循环）状态时组合机床工作的起动、停动按钮;其余按钮SB11～SB62（共15个）均为选择调整工作状态时组合机床的点动调整控制按钮。无论选择何种组合机床工作状态，油泵起动是组合机床工作的前提，油泵停止组合机床立即停止工作。选择单循环或循环工作状态时，点动调整按钮 SB11～SB62不起作用;选择调整工作状态时，组合机床工作起动、停止按钮SB3、SB4不起作用。

因此原组合机床的控制电路有一个组合开关、19个按钮、4个接触器、12个行程开关、12个电磁阀线圈、还有众多的中间继电器、时间继电器，其控制电路的接线非常复杂，电器触点易损坏。所以使用时间一长，性变差，故障率增大，维修困难，从而使生产受到很大的影响，因此迫切需要对此组合机床的电气控制电路进行技术改造，经分析决定采用PLC控制技术，以满足生产性的要求。

2 PLC控制的设计

2.1 PLC的I/O分配表

根据组合机床的电气控制、液压系统原理，设备要求的输入/输出均为开关量，分析输入、输出点数，选择了日本OMRON公司的CPM1A-40CDR型的PLC，继电器输出。其中PLC的输入点是24点，输出是16点。16个输出点对应控制4台电动机的4个接触器，12个电磁阀线圈，刚好够用。对于输入点，有SA的3个档位、油泵电动机的起动、停止按钮，循环工作的起动、停止按钮和调整用的15个按钮共22个输入点，另有行程开关输入点15个，这样有 37个输入点，因此PLC的24个输入点不够用，为此采用输入公共端切换的方法来扩充PLC的输入点数，将单循环和循环控制的输入置于一条公共线上，而将点动调整的输入置于另一条公共线上，这两条公共线的切换由组合开关SA完成。保证每种情况下的输入点不过24 点。具体的PLC的I/O点分配表如表1 所示。

表1 I/O点分配表

PLC控制程序用梯型图编程完成，根据控制要求，总框图如图2所示。图中有一个复位至原位的程序，这是考虑到油泵电动机M0起动后，选择循环工作方式时，如果机床不在原位状态，按下工作起动按钮，可能会使各动力头相撞。因此使Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ动力头自动回原位，夹具自动松开，针孔杆自动拔销;如果后插销滑台没有下降，则人工拔定位销使滑台自动下降。

图3所示为组合机床循环工作（含单循环）的PLC的梯形图。其中组合机床的循环工作状态与单循环工作状态由SA组合开关选择，它们的不同之处是，单循环工作状态每开始一个循环按一下SB3，而循环工作状态则在一个循环结束后设置30秒钟的延时，用于取放工件，延时到，则机床自动开始下一个工作循环，不需再按SB3。梯形图中的内部辅助继电器20110、20111、20112分别代表复位至原位程序中的复位1、复位2和原位，而20000至 20010分别用于移位，按加工流程进行控制。

3 结语

把PLC技术应用于家用缝纫机的机壳加工组合机床，采用了输入公共点切换的方法来扩充输入点数，用少输入点的PLC代替多输入点的PLC，节省了改造成本;用移位指令控制循环加工流程，经改造后的控制系统性高，稳定性好，易于维护，加工零件的质量也得到了得到了很好的保证，产生了良好的经济效益。