6ES7241-1AA22-0XA0产品

1前言

以往化纤生产设备来说，现在的设计思想中越来越多的引入了“柔性生产”这一概念，柔性生产线具有配置简单，自动化程度高，可程序化和重新配置的优点，而被广大用户所采用。

在化纤柔性生产线中，挤出机是整个设备的重要部分，而后续各卷绕部分的速度同步才是整个系统的关键。系统中多电机速度同步精度的高低，直接影响着化纤丝成品的质量。

在以前的此类生产线中，大多数采用在各辊上安装现场操作箱，根据实际情况人为调整速度的方法进行控制。这种方案存在如下缺点：（1）不便于数据的集中管理；（2）需要根据各个速度，手工计算牵伸比；（3）实际速度不满足要求，需要再循环跑到各个区域去调节，操作非常麻烦；（4）废品率偏高。

针对上述问题，此次设计中，在理念上采用集中控制与分散控制相结合的方式，将触摸屏与PLC作为控制的。触摸屏设置配方数据，PLC直接计算牵伸比，通讯控制变频器速度。集中的操控人机界面，并在各辊上安装现场操作箱，既能在触摸屏上进行所有的控制，又能在现场进行整个系统的操作。

通讯的应用是现代工业发展的一大主题，用通讯方式设计的系统结构简单，运行，能有效的避免硬件故障带来的整个系统的损失。

2系统简介

工艺流程如图1所示。

图1 化纤柔性生产线流程图

化纤柔性生产线是化纤丝生产中的一种重要的生产线，它的结构包括挤出机，计量泵，分丝盘，水箱，牵伸辊机（包括加热和不加热），导轮，冷却箱，力矩辊机和收丝机。在加工时，将化纤颗粒放入挤出机漏斗，经过挤出机加热挤出并在分丝盘将化纤溶体分成几百束的初级化纤丝后经水冷却，然后将化纤丝几十根为一把经过导轮缠绕在各牵伸辊机上逐级拉伸后变成很细的化纤丝成品卷绕在收线盘上。从初的化纤丝到成品之间化纤丝的初细就靠各辊机运行速度的逐渐加快来确定，具体的快慢由牵伸比设定，不同的产品牵伸比不同。

本系统在设计时充分考虑了操作的简易性，只需要设定其中的主速度，通过牵伸比就可以把各级的速度分别计算出来，在调节速度时，各级的牵伸比也会自动计算出来，并进行自动保存。

现场操作时，在各级上有一现场操作箱，可以进行速度同升同降，单启动、停止，联动启动、停止和紧急停止功能，另外在4热七辊机和8热五辊机的两个操作箱上还装有两个线速表，用以显示当前的线速度，便于现场调节。集中监控时，将控制柜上的选择开关拨到触摸屏端，即可用触摸屏进行启停操作，但不管集中控制还分散控制，都可在触摸屏上设定数据和显示当前频率和电流。

3硬件设计

本系统主要由触摸屏、PLC、变频器、测速编码器以及其它一些辅助元器件组成。整个系统通过通讯进行，结构简单，操作方便，运行。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模块，外带一个16点的EC20-1600ENN输入扩展模块。

EC20 PLC是艾默生小型PLC的端产品，它具有高性、高响应性，强劲的通讯功能，丰富的指令集等，其中程序容量可达到12K步，而基本指令时间才0.09μs。它的板件经过了严格的三防处理，工作电压AC85~280V，具有的抗干扰性，是系统稳定运行的保证。重要的是它自带了一个RS485/RS232的通讯接口，有丰富的通讯指令，使得和外部设备通讯变得为简洁方便。

由于各牵伸辊机对速度要求非常高，所以各牵伸辊机的变频器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7台TD3000变频器，并且3五辊机、4热七辊机、6热七辊机、8热五辊机、9热七辊机和11七辊机都增加测速编码器以保设备对速度精度的要求。12收线机由于设备对速度要求不是那么严格，所以采用了不带测速编码器的TD3000变频器。

TD3000变频器是艾默生公司的矢量控制型变频器，可以加测速编码器组成速度闭环控制，能实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、编码器断线检测、能进行参数考贝等多种功能，并有RS485自由通讯接口，可以满足系统的要求。计量泵采用的是两台艾默生EV1000通用型变频器。

监控人机界面采用10.4寸触摸屏，进行数据显示和设定，直观。

在整个系统中，PLC是控制，它可以立完成整个控制过程，在触摸屏发生故障时，仍然可以通过现场操作箱进行控制而不影响整个系统的运行。

系统主控制部分如图2所示

图2 电气主控制原理图

系统PLC控制部分如图3所示。

图3 PLC电气原理图

4软件编程

本系统用触摸屏作为人机交互界面，编程简单，性能稳定。触摸屏主要操控画面如图4、图5所示。

图4 触摸屏主显示画面

图5 参数设定画面

“触摸屏主显示画面”是操作员经常需要查看的画面，主要用于显示计量泵1、2和各牵伸辊机的运行频率和电流以及它们当前的运行状态，同时还显示主令速度和收线的长度。它是只监测当前的运行情况，并不能进行设定。在画面上部设置了各个命令按钮，点击它们查询相应的状态或进行相应的操作。在上面点击“牵伸比”可以进入如图4画面，它是用户调试时的主要操作画面，调机时，用户先设定各牵伸辊机的线速度，然后点击“确认”计算出各级牵伸比和主牵伸比，确定好牵伸比后，只需调节主令速度，就可以根据牵伸比自动设定各辊机的运行速度，达到速度同升同降的目的。同时在操作箱上拨动“速度升/降”开关也可以起到同升同降的目的。“大限速”主要是为了防止操作不当而作的一个保护措施。PLC作为触摸屏的下位机，承担了数据的传送和处理工作，它和变频器之间通过通讯进行数据读取和设定，其网络组成如图6所示。

图6 PLC和变频器通讯网络通讯组成图

在构成此网络时，由于EV1000和TD3000变频器的通讯协议不一致，所以只能采取自由通讯协议进行通讯。EC20 PLC作为控制主站，在系统中具有的控制权，它主动给变频器发送指令，主动接收变频器的反馈数据。在这里，我们将EC20自带的COM1口作为RS485通讯口和变频器通讯，COM0口用于和触摸屏通讯，设置为MODBUS协议，下面就将艾默生PLC和变频器之间的通讯作简单介绍。

设备之间的通讯不但要有相应的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太网口等，还需要有相应软件支持，也就是通讯协议，本系统使用RS485接口和自由口通讯协议。RS485通讯可以理论上可以连接128台设备，通讯距离可以达到1200米，而且抗干扰性强，是目前工控中普遍采用的通讯方式。

下面是通讯程序的设计：在写程序之前我们设定串口参数，比如波特率，数据位，启始位，停止位以及奇偶校验，这里设定波特率=9600 ，数据位=8 ，启始位不用设，停止位=1，奇偶校验=不校验。具体参数设置如图7所示。

图7 艾默生PLC通讯参数设置

设定了这些参数以后，我们就可以编写通讯程序了，此程序比较长，我这里就不作详细解说，仅列举TD3000变频器频率设定和电流读取子程序供大家参考，具体数据读写请参考艾默生EV1000和TD3000自由口通讯协议。

入口参数：addr , freq_set

出口参数：end , freq

//设定频率，读取电流,使用长帧读取功能参数FF.05

//初始化短帧，帧头为02

LD SM0

MOV 16#2 V3

MOV #addr V4

MOV 16#1F V5

MOV 16#5 V6

MOV 16#0 V7

MOV 16#0 V8

MOV 16#44 V9

MOV 16#7F V10

MOV #freq_set K4M1980

MOV K2M1988 V11

MOV K2M1980 V12

MOV 0 Z0

MOV 0 V13

//异或校验

LD SM0

FOR 9

LD SM0

WXOR V13 V4Z0 V13

LD SM0

INC Z0

NEXT

//发送和接收

LD SM0

MPS

ANI SM122

XMT 1 V3 11

RCV 1 D7000 11

MRD

AND SM123

MOV D7004 K2M1988

MOV D7005 K2M1980

MOV K4M1980 #freq

MPP

AND SM123

SET #end

//发送完后，将完成标志位END置ON

此段程序为TD3000变频器设定频率和读电流的子程序，EV1000的通信程序可以根据它的通信协议进行设计。下面介绍变频器的参数设定，由于总共有九台变频器需要通信，所以我们将变频器的地址分别设为10到18，具体通讯参数TD3000在F9组里面进行设定，EV1000在FF组里进行设定，除了设定通讯参数外，还有编码器，摸拟量设置等参数，设定如下：

TD3000变频器 通讯参数 F9.00 3 F9.01 0 F9.02 12-18

编码器参数 Fb.00 1024

启停参数 F0.02 1 F0.03 6 F0.05 1

模拟量参数 F6.08 0 F6.11 7.8

EV1000变频器 通讯参数 FF.00 0005 FF.01 10-11

启停参数 F0.00 2 F0.03 1

此程序中，除了需要给变频器设定频率外，我们还要读取变频器的当前电流和故障状态，以反应当前设备的运行状况，另外还有参数计算，系统启停，故障报警等程序，这里不一一赘述。

5结束语

此化纤柔性生产线自运行以来，达到如下效果：

（1）的同步速度精度，使产品废品率明显降低。

（2）完善的集中控制，大幅降低工人的劳动强度。

（3）设备速度从以前设备的100米/分钟，提高到150米/分钟，效率提升了50%。

（4）生产过程的参数完整记录，为质量追溯提供了依据。

以上效果等到了用户的高度评价。

从本次的实际应用来看，艾默生公司矢量变频器TD3000较高的速度精度与EC20系列PLC的强大的通信能力，可以为化纤提供高稳定性、高性、高度自动化和率的系统性解决方案。

通讯越来越多地走进了现代控制领域，它直接着传统工控设计理念的变革。大到成千上万点的监控系控，小到单台设备，无处不见通讯的身影，它以快捷的硬件组态和率的运行获得了很多工控的支持。艾默生EC系列小型PLC增加了一个通讯接口和很多强劲实用的通讯功能，是当前小型PLC的发展方向。

1、引言

啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤、包装等几道工序。啤酒灌装、压盖机部分属于包装工序。啤酒经膜过滤后由管路送入回转酒缸，再经酒阀进入瓶子中，压盖后获得瓶装啤酒。啤酒灌装、压盖机的工作效率和自动化程度的高低直接影响啤酒的日产量。
为了满足我国啤酒行业日益扩大生产规模的需求和啤酒现代化灌装机械高速灌装的要求，国内各啤酒生产厂家都在积寻求或改造本单位的啤酒灌装生产设备，使其成为具有良好的使用性能，的技术水平及高生产效率、运行稳妥、维护的啤酒现代化灌装机。

2、啤酒灌装、压盖机工作原理和控制部分构成

液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机。啤酒灌装、压盖机采用压力灌装方法，是在大气压力下进行灌装，贮液缸内的压力瓶中的压力，啤酒液体靠压差流入瓶内。

目前国内外实现灌装工艺路线基本上是:利用回转酒缸产生的旋动，使安放在酒缸槽位上的空瓶通过机械机构将固定在酒缸上部的欲抽真空阀打开，对已封好的瓶子进行抽真空处理，拨转外操作阀杆，打开气阀，对瓶内充填CO2气体，抽真空凸轮继续打开真空阀，将瓶内空气与CO2混合气体抽出，气阀再次打开，对瓶内充填CO2气体，灌装阀内的液阀在瓶内压力接近背压气体压力时打开，酒液顺瓶壁注入瓶内，通过气动或电动控制灌装阀实现啤酒的灌装。

当今的啤酒灌装、压盖机的控制系统主要由光电开关位置检测部分、走瓶带、酒缸转速的变频调速部分、主控由可编程控制器、触摸屏等组成。灌装、压盖机的机械结构装置与PLC可编程控制、变频无级调速、人机界面等现代自动控制技术手段完整的结合，形成机电一体化。

3、控制部分改造方案

国内很多啤酒厂家现使用的灌装、压盖机的控制系统的自动化程度参差不齐;所有手动按钮和工艺开关都设置在一个操作箱的面板上，PLC控制器大都为日本 OMRON公司或三菱公司的早期产品，设备连锁控制、保护设置少，加之啤酒灌装的现场环境恶劣，潮湿度大，使开关等接触触点锈蚀严重，系统的信号检测部分故障率较高，造成设备控制系统运行的性低，设备正常运行等现象。

以实际改造的丹东鸭绿江啤酒有限公司的灌装、压盖机的控制系统为例，介绍改造方法，阐明改造这类设备的控制思想和思路;根据现场的实际工艺条件，重新编写了PLC的运行程序。针对啤酒灌装、压盖机控制系统的实际状况，并根据现场的实际工艺条件，重新设计了设备的PLC控制系统。这种改造方法和思路同样可以应用与其他液体介质灌装设备的改造。

3.1系统硬件配置

使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替换原系统使用的2台OMRON公司的C60PPLC，原系统的PLC由于是老型号产品，和计算机联机需要配置特殊的通讯转换器，系统需要增加外部I/O输入点时，扩展模块备件较难寻。FX2N128MRPLC是集成128点I/O的箱体式控制器，具有运算速度快，指令丰富、性能价格比高、联机编程简单、扩展方便等优点，是三菱FX系列中功能的小型控制器。

（1）采用三菱公司的900系列的970GOT人机触摸屏替换原系统使用的面板按钮并监控显示设备的运行工作参数。970GOTHMI为高亮度的 16色显，通过汇流连接和FX2N128MRPLC的CPU直接连接，实现快速回应。具有许多维护功能，如列表式编辑功能、梯形图监控（故障查找）功能、系统监控功能等用来查找故障和维护PLC系统。
（2）灌装、压盖机的变频器在改造中没有换，现场检测信号的手段仍然采用开关式检测，因检测开关长期工作在湿度很大的场合，因此选择电容式的接近开关，根据PLCI/O端子的接线方式，选择PNP型的接近开关。

3.2系统程序设计

PLC控制器的程序设计和是围绕着酒缸的旋转速度控制和酒缸上60个瓶位相关位置的检测移位、破瓶、空瓶瓶位相关位置的检测移位和相关灌装阀等的控制。其中的瓶位移位检测程序中，采用了三菱PLC位左移指令，驱动执行条件输入每一次由OFF-ON变化时，执行N2位移动，N2为移动的位数。
（1）瓶位移位子程序
413LDX055;机器计数脉冲测量检测输入点
414PLSM49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49
416PLFM301;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M301
418LDIM590;进瓶个数检测
419ANIX005;连锁保护点
420ANIX006;紧急停车保护
421OUTM50;进瓶瓶位是否有瓶检测
422LDM49;主电机转速测量输入点
423SFTLM50M500K60K1
瓶位移位检测

采用PLC位左移指令，这条指令是整个子控制程序的之一，主电机和瓶位检测开关同步检测移动的酒瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这60个瓶位的单元为M500～M559，单元个数用个字母K设置为K60，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M50 反应了瓶位的空、缺位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的单元内置“1”或“0”，控制相应的阀门和搅拌瓶盖的电机的开与停。系统在连续检测90个空瓶位后，停止搅拌瓶盖的电机的运行，检测瓶位的个数可以根据用户的要求任意设定。
432LDX052

出瓶位

回转酒缸通过压力往瓶内背压装酒的过程中，空瓶在背压后，可能由于瓶子本身裂纹等原因导致突然爆瓶，这就需要出爆瓶瓶子的位置，在这个瓶位的位置进行打开吹扫电磁阀，喷出压缩空气，将瓶位上的碎瓶片吹离位置，在连续吹扫几个瓶位后，在打开喷射电磁阀，喷射出高压水注，在对破瓶位置周围瓶位连续喷射几个瓶位。
（2）实现爆瓶检测、控制的步进控制
482LDX055;机器计数脉冲测量检测输入点
483PLSM49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49
485PLFM309;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M309
486LDIM70;破瓶位置检测
487ANIM071;连续破瓶位置检测
488ANIX052;进瓶位置
489SFTLM52M600K20K1

破瓶检测和瓶位检测开关同步检测移动的破瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这20个破瓶位的单元为 M600～M619，单元个数用个字母K设置为K20，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M52反应了破瓶的位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的单元内置“1”或“0”，控制相应的喷射和吹扫电磁阀开与停。连续喷射和吹扫电磁阀的开听、停时间可以根据工艺要求任意设定。
系统自动化运行的就是控制进出瓶盖的同步跟踪，既准确电机转速开关、破瓶开关和进瓶检测开关三个条件。

（3）970GOT人机触摸屏操作终端机的软件采用三菱公司的GTWORKS软件包，其中GTDesigner是一个用与整个GOT9000系列的绘图套装软件。该软件包操作简单，事先可在个人计算机上组态并调试，完毕后下载至人机操作终端机。同时，因为人机界面又具有触摸屏的作用，将常用的开关设在显示屏上，方便操作。还可并以增加一些功能，如设置报警信息等。

4、改造后控制系统功能

系统正常运行时，机器为自动控制，根据进出瓶带上瓶的满缺，按设定速度或慢速运行，进瓶档瓶，无瓶不下盖，爆瓶自动冲洗，灌装位置自动背压，下盖输盖系统的自动开停和保护等动作的协调联锁。原来所有按钮的操作改造后都在触摸屏上进行。

5、控制系统检测状态的监控功能

进瓶检测开关和破瓶检测开关通过检测每个压瓶部分上面的小铁片的位置，产生光电脉冲输出，再有PLC采集，由于每个压瓶部分上面的小铁片的位置是活动的，在机器运行一段时间后，压瓶部分上面的小铁片和检测开关的位置发生位移，造成检测开关误判断，如没瓶判断为有瓶，爆瓶漏检、误检等造成输出失误，使 PLC产生误动作，造成如背压、爆瓶吹、洗、瓶盖搅拌系统控制失灵等故障现象。

在改造前的日常生产过程中，碰到这种现象时，操作工只能将各个功能开关或按扭打到手动控制档位，使机器设备工作在无监控状态下，机器失去自动控制功能。造成了很大的生产原料如气、水、酒的浪费。只能在生产的间歇，才能由维修钳工和电工根据检测开关上的小发光二管的亮和灭通过调整位移距离只有 5～8mm的检测开关的安装位置，来修正检测开关和小铁片的间隙。这种检测手段非常落后，调整后的效果反应致后，不能及时反应调整结果。

针对这种检测状况，结合改造后的灌装、压盖机控制系统的配置，新增了这部分检测功能，并集成在人机触摸屏中，完成瓶位检测。

在人机触摸屏的界面分页显示屏上，可以分别时时动态显示60个瓶位的状态和爆瓶时的瓶位状态，有瓶、无瓶、爆瓶、背压开关等检测开关、搅拌电机等电磁阀的开关状态都以不同颜色来显示，非常直观。

在需要修正检测开关和小铁片的位置时，可以在正常生产的条件下，不停机，由维修人员只要根据显示屏上的瓶位状态，就可以在线调整，并马上看到调整后的效果。在日常维修中，也可以用它作为状态监控设备，观察输出设备的运转状况。
增加这套系统功能的是为保证灌状压盖机的自动化控制系统正常运行而专门设计的。

6、结束语

改造后的控制系统大大地简化了复杂的机械结构，经现场运行情况和控制效果检验，系统的自动化程度达到了设计要求，大大减少了操作人员的劳动强度，使啤酒灌状的日产量比过去提高30%以上，故障率大大减低。体现了现代设备的自动控制技术。是在消化、吸收当今工业控制的技术的基础上加以、研制而成的目前国内技术的灌装控制系统