西门子6ES7214-1AD23-0XB8产品

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1、引言

焊接技术的发展水平是衡量一个国家机械制造和科学技术发展水平的标志之一。世界现代焊接技术以、节能、及其工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征，在国内，无论是从目前焊接设备和材料产量构成比的发展趋势，还是从焊接设备和材料的制造技术和发展方向上看，我国现化焊接技术都已有很大发展,部分产品技术已达到或接近国外水平，特别是成套焊接设备以及规模生产技术。

近几年来，随着工业过程自动化程度的提高，人们对环保节能意识的增强，特别是随着中国加入WTO以后，焊接行业的竞争加日趋激烈，并对产品的质量提出高的要求。促使我国成套、焊接设备整体制造能力与水平得以较大提高，为了提高产品的焊接质量，确保产品的质量，引进某公司生产的成套焊接设备，不但提高了产品的焊接质量，提高了工作效率，而且还节约大量的能源，保护工人的身体健康。该设备可广泛应于锅炉，压力容器，石油化工，机械等制造行业中。该结构，功能齐全，控制灵活，操作方便。既可实现全自动焊接，又可实现全自动保护。对提高焊接质量有的保证，是提高焊接质量和实现焊接自动化的理想设备。
2、系统的结构组成和主要技术参数
2.1　系统的结构组成
ZGBM型自动焊接是由YM-350KR2型自动MAG焊机，立柱式操作机，焊接滚轮架和电气控制装置组合而成的，如图1所示。




图1　系统结构简图

2.2　系统的主要参数
2.2.1　YM-350KR2型MAG焊机
YM-350型MAG自动焊机由电源YD350KR2、送丝装置YW-35KB和焊构件YT-35组成，具有优良的工作性能。它的焊接电源具有收弧电压电流参数的设定，能够适应不同的焊接规范、焊接位置和焊丝种类的需求;焊机机头由送丝机构、导电部分、焊机头、焊丝盘等组成。该机构具有维护简单、工作、无躁声、效、寿命长等特点。并配合焊架、滚轮架，选取焊接规范，获得焊接质量。控制装置由电控箱和遥控盒两部分组成。电控箱内有两个控制板，一个是接触器控制板，该板由熔断器、控制变压器、接触器、PLC系统及接线端子等组成。该部分主要控制各电机通断，实现各部分动作;另一块板，主要由变频器及其控制元件组成。主要是对大臂电机、滚轮电机进行控制和保护。以上各部分既相互联系，可实现自动焊接，又可相互立进行单操作。其主要参数有:
额定焊接电流 350A
电源电压 ～380V，50Hz
空载电压 52V
焊接电流调节范围 60～350A
焊丝直径 Φ1.0，1.2 mm ；额定负载持续率 50％
额定功率 18.1kVA
2.2.2　立柱式焊接操作机
立柱式焊接操作机由升降机构，横臂伸缩机构，回转机构，行走机构及十字微调机构等部分组成。为了确保和焊接质量，当横臂伸缩时，就是在进行行走焊缝焊接时，升降，回转，行走均被锁定。此外，升降，行走与回转之间也是互相锁定的。大臂升降机构用交流电机驱动，交流电机由变频器供电，能在较宽的范围内实行无级调速，以满足焊机获得焊接范围的需要。

十字微调机构用来在焊接过程中，随时调节焊机头与焊缝间的相对位置。其ZGBM自动焊接的主要参数如表1所示。

表1　ZGBM自动焊接的主要参数




2.2.3　焊接滚轮架
焊接滚轮架分为可调式和自调式两种，每套焊接滚轮架，主动、被动机座各一只。主动轮运转的两个蜗轮减速器为同步运转。减速器由通过调速电机和减速装置实现电机无调速。每只滚轮外包橡胶层，摩擦系数大，以确保工件不打滑，运转平稳。其主要参数如表2所示。

表2　焊接滚轮架主要参数



3、控制系统的设计

电控箱面板上有大臂速度指示、滚轮速度指示、电源指示、电源开关按钮、台车进退按钮、立柱回转按钮、横臂升降按钮及控制大臂的报警和报警等。遥控盒面板上有电源指示灯、横臂升降开关、滚轮正反转开关、横臂伸缩开关、十字调节机构微调、焊启、焊停按钮等。

通过电控箱和遥控盒，可以对该的各个机构进行调试和操作。既可以近控，又可以远控，操作灵活，使用方便。该焊接在保证自动焊接的同时，还设计了自动保护系统。正在焊接时，若焊机部分出现故障，整个系统停止工作。若焊架，滚轮架或控制电源出现故障，焊机立即自动停止焊接。能有效地实现自动保护。停止后，保护部分又自动复位，为下一次焊接作好准备，这样可有效的避免起焊和收焊时产生的弧坑，确保焊缝在连接处的平滑过渡。
3.1　PLC系统
该系统主要完成横臂伸缩和滚轮正、反向动作的控制，配合交流变频器完成“段速/调速”的相关控制功能;若在“调速 ”状态下，横臂或滚轮可以实现无级调速，并且在焊接启动后，自动启动横臂或滚轮的动作，在焊接过程中可根据焊接规范调节焊接速度;若需要段速焊接时，只要将开关切换到“段速”状态，再在电气控制柜面板上设定各种段速组合，在打开电源后，设定单元上显示:该画面为焊接时的正式画面，“当前组合”可通过“+”，“-”键选择，对每一种组合，对应两个值:当前焊点的长度、焊点的间隔，二者均以时间为单位，以满足不同的焊接速度;右上角的“设定”键，用于切换如下画面:通过该画面设定焊接所需要的焊缝种类，大可设100种组合，设定完毕，可进行“长度设定”进入焊点参数设定画面:在此画面上设定各种数据，注意单位为0.1s，后按动“显示”画面回到正常焊接显示画面。PLC系统简图见图2所示。




图2 　PLC系统简图

3.2　大臂变频器参数设定
大臂变频器参数设定如表3所示:

表3　大臂变频器参数设定




注:设定值带#号的参数为数据保护参数，需在其它参数设定完毕后设置。设定值带＊的参数要个设定。17，18号参数现场设定，除上表所列参数外，其它参数与N2系列使用手册所列出厂设定值一致。
3.3　数显表显示值[大臂]
数显表显示值[大臂]如表4所示。

表4　数显表显示值[大臂]




3.3.1　大臂数显值的调节方法
调试时，旋动电控箱面板上的RP1多圈电位器旋钮使变频器输出为50Hz，再调节电器箱内RP2多圈电位器，使面板旋动电控箱面板上的数显值与上表所列数显值一致。
3.3.2　滚轮数显值的调节方法
调试时，旋动电控箱面板上的RP3至大，然后调节电器箱内的RP4多圈电位器，使面板滚轮数显表的显示值为1000。滚轮的数显范围100-1000[mm]。
4、当前应用效果

该套自动成套焊接自02年投入运行以来，使用效果较好，和传统焊接相比，优势较明显，具体表现在以下几方面:
（1）生产效率大大提高
直接通过电控箱或遥控箱进行操作，减少现场人为干预，通过统计，生产效率比以前提高近5倍，同时大大减少了现场的操作人员的数量。
（2）系统性大大提高
由于系统PLC、变频器等均采用进口器件，并经过严格筛选，系统工作几年来一直运行稳定，大大减少设备维护的费用。
（3）设计和人性化设计得到充分体现
进入二十一世纪后，随着生活水平的提高，人们的环保意识明显增强，设计技术作为一门新兴课题正在各行各业快速应用。正是由于该系统充分利用设计这一思想，使得系统投入运行后许多事前人们意想不到的效果。
（4）产品质量和合格率明显提高
应生产工艺需要，通过系统设定好参数后，生产过程严格采用自动控制，避免了人为因素的干扰，从而大大地提高了产品的质量和合格率。
（5）工艺控制平稳、稳定
系统中采用变频控制，并对系统参数实行优计算，焊接误差控制在±1%范围内，并能平稳地工作。
（6）节能效果显著
节能效果显著，经核算，系统中电机功率为5.5kW，实际工作中，采用变频调速功率只达到55～60%之间，平均每台可节省功率2.0 kW，按300×24=7200h/年台算，这样该系统每年可节省7200×2.0×1=1.44万元/年（按电费/ kW. H计算），同时还减少电机启动对电网造成的冲击。
5、结束语

通过现场多年的使用情况来看:其一，系统的性好，解决了以前立焊的难题;其二，系统的焊接精度高，有效地保证产品的焊接质量;其三，大大提高工作效率，减轻工人的劳动强度，维护了工人的身心健康;其四，节能效果显著;其五，环境污染程度低。总之，该系统自投产以来不但保证了产品的质量和产量，同时又克服了环境污染问题，为企业创造良好的经济效益。

随着国民经济建设的快速发展，各级对环境保护加关注，各地陆续新建了一大批污水处理厂。这些新建的污水处理厂根据自身特点，对控制系统的性能和价格提出了新的要求。
重庆市奉节污水处理厂采用CASS工艺对生活污水进行处理，日处理量为3万吨。其DCS系统以高性价比的PLC为控制单元，采用商用计算机为监控站。整个系统在实现生产自动化的情况下，有效降低了系统成本，从2004年投产至今运行情况良好。
1 生产工艺简介
污水处理是一种连续的生化反应过程，有氧化沟工艺、AO、SBR、CASS等众多不同的处理工艺。奉节污水处理厂所采用的污水处理工艺为新型改良 CASS（Cyclic Activated Sludge System，循环式活性污泥法）工艺，属于改进型SBR工艺的一种，由格栅井、CASS 池、鼓风机房、加药间、储泥池、脱水机房、接触池组成。该工艺具有以下特点：
（1）可升降的滗水器大限度降低了排水水流对底部沉淀污泥扰动。
（2）抗冲击力强，对难降解物的去除效，同时具有脱氮除磷功能。
（3）工艺流程短，占地面积小，建设，运转费用省。
（4）管理简单，运行，出水水质好，无异味。
（5）污泥产量低，污泥性质稳定，不发生污泥膨胀。
2 DCS控制系统选型及硬件配置
2．1 DCS系统的选型
重庆市奉节口前污水处理厂为三峡库区国债项目建设的批污水处理厂，根据实际的工艺要求及建设特点，该项目对控制系统提出了如下要求：
（1）受控设备控制点数在800点内。控制工艺较为复杂，但是我们所需要的算法并不复杂，基本以时间控制和位式控制为主。
（2）控制系统须成熟，便于调试和维护。
（3）考虑到会有三方产品，网络通讯及其协议须具备开放性和标准性。
（4）测量设备和受控设备均为传统设备，基本不带现场总线通讯能力，所以输入、输出控制还是以传统的I／O点为基础。
（5）作为国债投资项目，尽可能在满足要求的前提下降低造价。
经过比较，该厂的自动化控制系统采用以PLC为基础的DCS控制系统，该系统在满足生产要求的基础上其性能和价格上了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系统
传统DCS是针对流程工业的仪表控制系统发展起来的，主要功能是实现连续物理量的监视与调节。PLC是针对传统的继电器控制系统而发展起来的，主要功能是实现开关量的逻辑控制。
一般来说，PLC是一种局部的控制器，但随着应用规模的扩大以及工业以太网的出现，多台PLC能够互连起来而形成的较大控制系统。与单个的PLC相比有几点重大的改变：
（1）在网络上挂接了在线的通用计算机，其作用一是实现系统组态、编程和下装，二是在线监视被控过程的状态。这样，一个具有现场控制层和协调控制层的DCS雏形就出现了。
（2）在PLC中增加了模拟量I／O接口和数值计算功能，这样，PLC就不仅可以完成逻辑控制，也可以完成模拟量监测及控制和混合控制的功能。
（3）越来越多的PLC厂家把的网络改成为通用的网络，这样就使PLC有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统。
上述几点改变使得PLC组成的系统具备了DCS的形态。由于PLC产品已经进入市场多年，其I／O接口、编程方法、网络通信都趋于标准化和适应开放系统的要求，同时通过扩展能够增加现场总线通讯功能。加上PLC在价格上的优势，使得PLC在分布式控制系统领域有着很重要的地位，在很多应用领域具有相当大的竞争优势。
2．3 奉节污水处理厂DCS系统配置及构成
DCS控制系统以工业以太网这种开放式的网络结构为基础，由三个下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1个上位工程师站、1个上位操作员站组成。其拓扑结构如图1所示。

PLC0控制站安装在管理的大屏幕马塞克模拟显示屏内，通过以太网采集各设备的状态信号并用RS232的通讯方式与马赛克屏通讯，将生产的整个流程以及设备状态显示出来。
PLC1安装在变配电所，负责控制格栅井、污水提升泵、沉砂池、1号CASS池、2号CASS池、3号CASS池、鼓风机房、储泥池及流量井流量检测、接触池的部分检测控制、配电室的部分电力参数监测。
PLC2安装于加药间。用于控制加药间的电磁阀、搅拌器、隔膜泵在内的全套加设备。
管理的两台监控计算机采用DELL公司的OptiPlex系列台式机。OptiPlex系列台式机定位于初级服务器应用，在的前提下其专门设计的钢丝屏蔽层结构以及散热系统保证了系统的高性和稳定性。所采用的软件是基于微软的bbbbbbs 2000平台的，商用机对操作系统的兼容性比工控机略好。
该厂整个控制的系统信息交换层和控制层两层合一。采用的工业以太网，具有高速的特点。工业以太网是以传统以太网为基础，针对工业控制的要求，改良后的一种信息及控制网，具有一网到底和降低网络造价的特点。
3 自控系统功能
3．1 软件
软件采用开物2000软件，开物2000为北京华富慧通开发的一款通用软件，该软件对OPC通讯方式支持较好。 OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component bbbbbb Mode1）和 DCOM（Distributed Component bbbbbb Mode1）技术的面向对象软件协议。OPC为现场设备、自动控制应用软件和企业管理应用软件之间提供了开放、一致的接口规范，为来自不同供应商的软、硬件提供“即插即用”的连接。
本系统的软件和DCS硬件之间的通讯协议采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX软件为OPC SEVER端而软件作为OPC CLIENT读取数据，采用该方式通讯避免了软件对DCS系统驱动程序支持不完善的情况发生。
3．2 控制方式X
为便于操作调试和事故的紧急处理，系统控制方式分为三种：
（1）就地手动方式。即通过就地控制箱或MCC上的按扭、开关操纵设备。
（2）遥控方式。通过管理的两台计算机在手动模式下控制设备。
（3）自动方式。系统根据工况自动完成设备的启停、调节控制。
遥控和就地控制方式的切换由MCC柜或就地控制箱完成；自动方式和遥控方式的切换由两台监控计算机完成。
3．3 监控功能
两台计算机分别作为操作站和工程师站相互备用，设置于管理，对全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控，遥控现场设备。监控计算机通过集成的1000M网卡与PLC系统经工业以太网进行数据交换。
主要功能：
（1）工艺流程监控功能。系统能按工艺要求对污水处理的各环节参数及设备状态进行监视，同时根据工艺要求选择自动、顺序、定时等控制方式。
（2）报警及报警记录功能。当设备发生事故时，系统将在计算机、马赛克大屏幕、就地控制箱上进行报警指示。同时计算机将对所发生的报警内容、时间及确认时间进行记录。在计算机上还可进行语音报警。
（3）联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序。
（4）参数设定功能。可在管理的任何一台监控计算机或现场控制站的人机界面上进行报警上下限、调节参数、运行时间等参数的设定。
（5）数据记录存储功能。系统可对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录储存，以备调用。
（6）操作记录功能。系统自动保存重要操作记录，如改动参数，操作设备的操作员代号、时间、内容等。
（7）实时数据曲线和历史数据曲线。对重要工艺参数可以进行实时曲线显示，并记录历史数据曲线。
（8）多级口令保护功能。在管理的任何一台监控计算机上可设定不同操作权限，只有相应操作权限的操作员，在输入正确的口令后才可访问该级画面。
（9）打印功能。可进行报表打印、曲线打印、图形打印。
4 工程效果
该工程于2003年5月份开始实施，2004年4月份设备移交厂方运行，其DCS系统运行稳定无损坏情况。系统投入使用后，操作人员在管理就能够了解整个工厂的运行情，DCS系统对泵及滗水器等主要设备能够根据预先设定好的参数进行自动控制。整个系统只需管理操作人员就能够保证系统的正常运行，大大降低了值班员的劳动强度。该系统的投运解决了以往污水处理厂自动化程度低，所有设备均需手动操作，值班人员劳动强度大、操作易出错，出水水质不稳定、生产过程无法集中监控的问题。该厂作为三峡库区批兴建的污水处理厂，对三峡库区水质的保护起到了积的作用。各级多次对该厂进行视察和工作指导，对该厂的生产以及工艺水平给予了良好的评价，了很好的社会效益和经济效益。
5 结语
PLC作为成熟的控制器其编程语言及系统结构具有统一性，便于控制系统的调试及维护。虽然PLC控制算法相对单一，但是却很好的满足了污水生产工艺的要求，在避免功能浪费的同时降低了系统造价。采用工业以太网技术，保了通讯网络良好的兼容性和稳定性，同时实现了通讯的高速化。以PLC为基础采用工业以太网搭建的DCS控制系统，在污水处理厂的自动化控制中具有成熟，既满足生产工艺要求，同时也降低了工程造价，具有很好的应用前景。

FY113回收机是在引进ITM公司DEPLPHI400技术基础上，转化设计的国产化设备．该设备能实现卷包设备产生的不合格烟支或跑条进行回收利用，其加工处理能力为40kg/h．考虑到该设备与上下游机连接与配置较为灵活，与FY113配套的喂料机、压纸机、除尘器、拆包机等可能是三方提供的设备，这对系统在用户处调试提出了较高的要求．为解决此问题，系统程序设计需在原有系统方案上进行改进，采取模块化、结构化处理方式[1] ，以增强设备控制程序功能上的立性及程序接口的通用性，减少现场代码修改工作量，方便程序调试．

1 回收系统工作原理及工艺流程分析

废烟支中的加工回收按工艺流程可分为5部分[2] ：烟支喂料、排序、剖切、开松、分离输送、除尘部分．喂料部分将废品烟支送入喂料机料斗中，通过陡角提升带将废烟支提升落入排序装置，排序装置将输送过来的杂乱无序的烟支进行纵向排列，以确保烟支顺利进入剖切装置．剖切装置上方的旋转切将排序过的烟支纵向打孔剖开．松开装置是将剖切过的烟支进一步疏松，分离输送装置将剖切装置剖开掉落的直接从剖切轮送到分离输送装置的一级分离振筛上，又将经过开松装置处理的混合物由二级分离振筛输送到送丝皮带上．此时烟纸和滤嘴则经过二级分离振筛输送，落到纸收集箱，末及烟灰进入烟末集中箱，则可以通过下游机送丝带进入供丝料仓中完成循环再利用．为减轻设备操作劳动强度，用户可以自行配置的物流小车进行烟支的喂料，经回收机处理过的烟纸和滤嘴可以配置压纸机统一回收处理，对包装机引起的废烟也可以配置拆包机进行处理，减少废烟包人工拆散工作量，对回收机除尘部分用户也可以选择集中除尘或立除尘.

2 西门子STEP7 S7-300/400系统程序组织块特点[3]

西门子STEP7支持及提供的块有OB（组织块）、FC（功能）、FB（功能块）、DB（数据块）、系统功能及功能块（SFC/SFB）等，用户做的主要工作是根据设备工艺特点把系统控制任务合理地划分不同功能和功能块．用户不需要设计操作系统调用程序、系统循环扫描监控出错等额外程序，但这些系统都能提供接口做到对用户透明，尽量减轻用户编程负担这为系统PLC程序的设计实现模块化、结构化处理提供很大的支持及系统优势．

3 收回控制系统任务功能及模块划分

实现以上工艺流程需求，可以把程序处理任务进行以下划分（图1）：

3.1 系统中起执行作用的控制对象

控制系统中控制对象主要是设备执行元件，通过以析不难发现系统控制对象就是指各个工序电机．而每一道工序都有属于自己动作和当前工况状态，即工序对象的行为和属性．在程序处理上把系统中所有工序电机的语句抽象提取出来，归纳控制属性、工位属性、状态属性、故障显示属性等，列出执行元件属性表，把这些属性封装成通用的功能块FB来满足设备上所有所用工序电机的控制要求．详细分析如下：要做成设备通用的功能模块，须提取设备上每一道工序相同的控制对象．在回收系统中根据物料的流动顺序即从一个工序输送到下一个工序，每工序都只有一个控制对象电机．工序电机的控制，是通过程序输出接触器信号来启动电机运转．通常电机基本控制模式有两种：自动模式和手动模式．在手动调试模式下，工序电机的启动通过触摸屏进行选取，再由触摸屏上的软件按钮触发，分为手动启动，手动停止、全部停止；而在自动控制模式下，这任务由启动程序来完成．在实际生产现场给出电机状态信号和电机故障信息指示，能大地减少设备维护的工作量．因此把电机运行状态、电机故障指示也作为建立该功能模块的输出．包括模式选择、模式工位指示、对象功能测试按钮、电机故障显示、电机状态显示．形成输出执行元件属性表1．再针对具体每个工序电机，分配相应的背景数据DB，记录当前特定控制工序电机的相应特征属性，以实现相应功能在STEP7程序中的调用[4] ．

3.2 系统中起工艺工序流程传递的功能划分与组织

3.2.1启停控制程序

该设备启动时应按序依次启动，先启动除尘电机→输送带电机→开松装置电机→分离振筛电机→切电机→剖切轮电机→排序振筛电机→后启动喂料部分供料电机；停车时应该先停止喂料部分，后才能停止分离振筛．程序上这样设计是为了尽量减少对来料的浪费．同样原因，除开有立即停机外，停机程序延时也按工艺固有顺序将废烟支按一定的次序撤出，尽量将分离的输送出来，工序之间的投入通过程序延时进行传递．如图2所示．

3.2.2 工艺配方处理程序

对FY113喂料部分、切装置、开松装置工艺配方的管理，程序上采取牌号处理方式．在HMI触摸屏上建立20个牌号管理空间，支持牌号编辑、牌号选择、当前牌号读写等功能．根据模块化编程的特点，同样是采取功能块编程方式来处理，程序上开辟20个牌号的数据管理区DB（1～20），定义功能块相关输入参数：牌号读数据区编号、牌号写数据区编号、数据区长度、牌号源信息、牌号目标信息．采取地址指针方式读写所要管理的牌号，这样大大简化程序繁杂度，提高程序的可读性．

3.2.3 堵塞保护处理程序

对回收机切装置、开松装置高速旋动部件进行保护，利用运动部件产生的高频信号进行计数[5] ，程序设定值来判定该装置是否堵塞，防止损坏高速旋转的运动部件．

3.2.4 设备操作管理权限处理程序

对设备供应商、设备管理员、设备操作员分别分配不同操作使用权限，主要对特殊工艺配方进行管理及系统异常情况下系统参数的保护与恢复．

4 总结

采用模块化方式进行编程，可以大大减少程序编辑量，缩短程序开发时间，降低编程误操作发生率，在设备功能扩展的时候，也只要针对性地修改相应功能块，而大范围的调整程序结构，提高了程序的移植性与重用性，这给控制系统程序的调试与管理带来不少方便，大地缩短了产品的开发时间．

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