西门子6ES7221-1BF22-0XA8使用方式

西门子6ES7221-1BF22-0XA8使用方式

、引 言

钢水的真空处理应用于钢水的脱氢、脱氮、去氧（轻处理）和脱硫，同时具有合金微调和温度调整的功能。攀钢生产特殊钢，如轨道钢、低合金结构钢、齿轮钢、氧气瓶钢等都需要经过真空处理，是方坯连铸生产的重要环节。应用于真空非处理状态下，对真空室进行保温，减少温降，祛除真空室内壁表面结瘤。根据炼钢厂对真空系统的生产要求，控制系统要具有高性、易操作性、维修方便、控制功能的特点，真空控制系统的可编程控制器采用SEIMENS公司的SIMATIC S7-400 PLC。SIMATIC S7-400 PLC是具有中性能的PLC，具有模块化和用户易于掌握的特点，并具有高速的指令处理、人机界面、CPU的智能化诊断、具有网络通信、软件编程语言丰富的特点。

2、自动化级控制系统

根据真空的工艺设备情况，真空控制系统设计采用SIEMENS公司的SIMATIC PCS7过程控制系统，系统主要由一套S7 400 PLC、两台监控站和二级计算机系统构成。

RH控制系统采用两级控制系统组成，一级基础自动化系统和二级计算机控制系统，在一级基础自动化系统中完成其逻辑控制和控制回路的调节控制，二级计算机系统从基础自动化系统采取过程生产数据，根据生产计划和来钢情况进行模型运算，优化出生产参数下送到基础自动化系统执行操作。RH基础自动化系统采用西门子公司的S7 400系列的PLC控制器组成过程控制系统，网络系统采用西门子公司的工业以太网来连接LF系统、合金下料系统、中控室的操作站、报表打印机和RH的二级计算机等设备。过程控制系统采用西门子公司的S7 400系列组成PLC控制系统，操作台采用ET200M利用PROFIBUS-DP网络接入PLC主控器以减少电缆布线。机电一体设备采用RS232协议与PLC的主控器通讯。操作站与PLC系统之间采用工业以太网协议通讯，一级操作站和二级计算机采用西门子OPC协议来完成数据交换。为了对控制设备的，其传动系统采用VVVF技术来进行调速控制。

3、加热过程描述研究

在非处理期间由停放位开始下降，当下降到预设加热高度时，加热煤气和氧气阀打开，煤气点火燃烧，调节煤气和氧气流量到给定值对真空室进行加热或除瘤。

图1 加热过程

位置和加热控制以及辅助控制的设备是PLC，软件是RH PLC使用的软件，控制程序是用STEP 7编程语言编写的，使用梯形图、功能框图、语句表语言。程序编写使用了模块化编写方式。

3.1 PLC对操作方式的实现

（1）事故操作方式（气动马达）：在事故状态下，将气动马达耦合手柄打到气动马达位置，用N2升降。电动操作和气动马达操作，通过一个耦合器进行切换，有一个行程开关检测处于气动或电动状态。（2）就地操作方式（现场操作箱）：在现场操作箱上选择“就地”，按“上升”按钮（自复位按钮），以给定速度上升，当运行到紧急上，自动停止；按“下降”按钮（自复位按钮），以给定速度下降，当运行到紧急下，自动停止。操作完毕，将选择开关置于“远控”（现场操作台）方式。当现场操作箱选择“就地”操作时，现场操作台、PLC和LEVEL 2均不能对进行操作。（3）本地手动操作方式（现场操作台）：在现场操作台上将钥匙开关置于“本地”（LOCAL）上升过程：将膨胀密封圈松开，当离预定位置较远时，按“高速上升”按钮（自复位按钮），高速上升，当快接近预定位置时，改按“低速上升”按钮，低速上升，到预定位置松开按钮，停止运行。锁紧膨胀密封圈。上升过程中，当到达上，自动停止运行。下降过程：将膨胀密封圈松开，当离预定位置较远时，按“高速下降”按钮（自复位按钮），高速下降，当快接近预定位置时，改按“低速下降”按钮，低速下降，到预定位置松开按钮，停止运行。锁紧膨胀密封圈。下降过程中，当到达下，自动停止运行。在现场操作台上设有1个BCD码数字显示表，显示的位（距真空室底部的距离），设有“本地/远程”、“高速上升”、“低速上升”、“高速下降”、“低速下降”及位置限等指示灯。操作完毕，应将现场操作台上的钥匙开关置于“远程”（REMOTE）方式。操作台设有PLC的远程I/O站，使用PROFIBUS-DP网络与主站相连，传输速率是12M/S。使用PROFIBUS-DP协议。（4）远程操作方式（OSM操作站操作）：只有当实际位≤停放位（Parking bbbbbbbb）时，可以进行远程操作操作员直接在操作站上输入位设定值，在PLC中将实际位与设定位进行比较，控制的升降；当位差值>100mm时，高速运行（上升/下降），当位差值＜100mm时，低速运行（上升/下降）；当位差值＜10mm时，停止运行，保证位置控制精度在＋/－10mm。远程操作时操作站通过工业以太网与PLC相连，传输速率是100M/s。使用TCP/IP协议。

3.2 位置控制

位置控制是按位置偏差控制的闭环控制，在自动方式运行下，操作人员根据真空室的温度情况对要到达的加热位在操作站上进行位值的预设定，数据由以太网传送到CP模板，CP模板将数据传送到CPU的存储区，STEP7软件编制的应用程序执行相应的控制程序，通过编码器反馈的值进行位的偏差控制。的位通过编码器进行测量，编码器产生的脉冲信号由FM451计数模板读入，CPU通过功能块将FM451计数模板的信号读出到程序中，将计数值转换成对应的高度值，与预设的高度值相减得到偏差值，根据偏差值来控制的快慢速及停止。在程序中使用数值运算、比较运算就可得到控制信号，由信号模板输出到变频器去控制电机，从而实现对的升降控制。在下限对位进行初始校正。的行程为0～6米；OMS和现场现场操作台上显示的位是：头距离真空室底部的距离。100mm以上是快速，10～100mm之间是慢速，10mm以下PLC发出停止指令。软件程序控制设计框图如下。

图2 软件程序控制设计框图

3.3 燃烧加热控制

燃烧加热控制是在非处理期间在大气加热下对真空室进行加热或除瘤化渣。对真空室进行保温，以及除去真空室的残渣。加热启动时，当到达预定加热高度时，PLC控制燃烧控制单元打开切断阀，燃气燃烧，PLC控制调节阀调节流量，达到给定流量。火焰检测器检测火焰的燃烧情况，不满足燃烧强度则自动提。给定在操作站设定。

图3 信号传递结构简图

中通过的气体有N2、O2和CO。燃烧加热控制是控制CO和O2的比例和流量，流量调节是个简单闭环控制系统，控制采用PID算法控制，数学模型如下：

e＝PV－SV    （1）
     （2）

PV：流量实际值；SP：流量设定值；e：流量差；OUT：控制器输出；δ：比例度；Ti积分时间；Td：微分时间。

在程序中，直接调用PID功能块就能很好的实现数据运算。这里使用的是FB41连续控制PID功能块，能非常方便的对其进行参数组态。在适当调整δ，Ti，Td三个参数值后，就能获得较好的控制质量。加热时由流量计检测流量，控制器得出调节阀的开度值输出控制调节阀的开度，来控制燃气流量达到预定值。也可用手动方式控制调节阀的开度，来调节流量，此时是个开环控制。处理开始时和结束后，需要用N2对进行吹扫，清扫管道中的煤气，气体通断由PLC通过电磁阀进行控制。处理完毕，要对CO、O2管道进行压力测试，分别由电接点压力表和切断阀来完成，保证气体管道无泄漏。

图4 软件程序设计框图

3.4 冷却控制

用MCW进行冷却，冷却水进出口流量用电磁流量计测量。远程手动打开进水阀，当进水流量＞98t/h或进出水流量差＞900L/h自动关闭进水阀。

3.5 膨胀密封圈控制

升降时，膨胀密封圈应松开，停止时，膨胀密封圈应充气密封，防止真空室内高温烧坏密封圈。膨胀密封圈松开时，同时对孔用N2吹扫，防止密封圈被烧。

4、结 语

过去在工厂的实际运用中，有些地方发生了烧坏模板的事故，导致了生产中断的事件。本文作者点：系统有较强的数据处理实现数据报表的自动生成、数据库的访问等多种功能。系统的可编程控制器控制以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术，具有性、易操作性、灵活性、机电一体化和较强的适应恶劣环境的特点。目前实际运用当中PLC系统的供电系统非常，人机界面友好，易操作，使用维护方便。PLC满足了各项控制功能的需要，体现了其强大和的控制功能，在攀钢获得广泛的应用，为企业每年节约成本近百万元。

     E3 plus智能固态过载继电器是一种嵌入微处理器的基于DEVICENET的智能化、电子式过载继电器，由DEVICENET提供电源，其通信接口采用DEVICENET。它为0.4～5000A的鼠笼式感应电动机提供保护功能。其主要功能如下：
       
        ·保护和报警功能：它为用户提供过载、缺相、失速、堵转、欠载、不平衡电流、接地故障和PTC热电阻输入等7种保护和报警功能；
       
        ·电流监控功能：它允许用户通过DEVICENET网络监控各项电流、各项电流占电机总负载电流的百分比、平均电流、平均电流占电机总负载电流的百分比、热容量利用率、不平衡电流百分比和接地故障电流等运行参数；
       
        ·诊断参数：允许用户通过DEVICENET网络监控设备状态、脱扣状态、报警状态、离过载脱扣时间（S）、过载脱扣后离复位的时间（S）和近5次脱扣记录等诊断信息；
       
        ·上述各项功能均可以通过设备网DEVICENET与PLC或PC上位机进行通信，随时掌握和控制现场电机的运行情况。
       
        ·与传统的热继电器相比，E3 plus智能过载继电器还有如下三大特点：
       
        ·强大的网络通信功能：由于E3 plus是基于DEVICENET的产品，符合DEVICENET通信协议，所以操作员可以从上位机实现参数的设置和实时监控，对电机可能出现的故障进行及时的预报和快速处理，从而保生产的顺利进行；
       
        ·状态监控功能：E3 plus对状态的监控分两个方面，是对其自身状态的监视，比如I/O端子状态、脱扣与报警状态和网络通信状态，这些可以通过它本身的面板直接进行观察，也可以通过DEVICENET进行远程在线观察。其次是对电机运行状态的监视，这只能通过设备网在上位机上实现，用户可以观察到电机的单相电流、平均电流、热容量利用率、不平衡电流百分比、接地故障电流等重要参数。E3 plus的在线控制功能主要体现为参数设置和对辅助输出端子OUTA和OUTB的程序控制。在上位机，用户可以设置满载电流、脱扣级别、脱扣标准、脱扣延迟时间和脱扣禁止时间等控制参数。OUTA和OUTB的状态不仅可以在面板和DEVICENET上进行观察，而且可以映像到PLC的输出列表中，也就是将OUTA和OUTB与PLC之间建立一种对应关系，这样就可以通过对PLC的编程，控制输出文件的状态，进而控制OUTA和OUTB的状态，以此就可以在上位机上来实现电机的起停、正反转和温度调节等功能。
       
        ·预报警功能：传统的热继电器只能提供脱扣保护，当电机满足脱扣条件时，继电器脱扣，电机停转，这中间没有任何缓冲环节，但E3 plus提供了预报警功能，用户可以设置报警标准，报警标准要脱扣标准，当电机有出故障的趋势达到报警标准时就会发出报警信息，用户可以在实际脱扣之前及时排除故障，而不至于影响生产。

本文介绍了三维弯管机控制系统的组成部分，介绍了交流伺服的应用情况。
       
            1、背景
       
       
       
        随着水平的飞速发展和不断提高，家用电器、工业设备、交通设施等需求急剧增加，许多金属管的形状要求也不断复杂化，目前，二维的弯管机由于无法满足日益复杂的工业需要而逐渐被三维弯管机所取代。并且在弯管机系统中采用的数控系统或可编程控制器（PLC）、的伺服系统，为弯管机系统完成复杂的、的动作提供了重要的技术保证。
       
            2、挑战
       
        国外的一些弯管机厂商经常采用FU、SIEMENS等数控系统作为上位控制，三个轴或部分或全部采用进口伺服作为传动，设备的响应速度和定位精度较高，并且可操作性好、维护简便。而国内的厂商在关注通用性能的同时，还关心两点：一是如何能满足自身加工生产的一些特殊需要，另一个就是成本如何能降低。我公司技术人员通过对客户功能需求进行分析，确定采用人机界面（HMI）和PLC实现上位控制，用交流伺服电机作为传动，可以完成以下性能要求：手动、半自动、全自动等多种操作方式，并可满足有芯棒和无芯棒、单角度和多角度、二维角和三维角选择等不同控制要求场合的特定需要，可存储上百种产品型号，每种型号可设定多个弯管角度参数和旋转角度参数，可满足多种复杂、多角度、不同空间的要求，并可对工作进度进行实时监控显示。
       
        
       
        图1
       
            3、方案
       
        自动三维弯管机控制系统主要由人机界面（HMI）、可编程控制器（PLC）、三套伺服电机以及油缸和气缸等组成，如下图所示。带有配方功能的人机界面（HMI）可存储上百种工件的工艺参数，实现人机对话。PLC使用松下FP-X，可同时实现四轴定位和两组插补功能，满足了三维弯管机控制系统复杂的控制要求。而设备中的伺服电机全部采用国产的“森创”交流伺服电机，其作用是实现两个轴（折弯轴和旋转轴）的旋转角度控制以及实现一轴（进给轴）进给控制，其中进给轴和折弯轴进行直线插补完成折弯功能，两轴的位移由折弯的角度确定，旋转轴根据指令进行旋转定位。此外，电磁阀配合油缸、气缸用于实现弯管动力，如主夹、副夹、料夹、芯杆、托管等。
       
        
       
        图2
       
            4、难点
       
        伺服电机在这个设备中起着至关重要的作用，伺服良好的性能是整个设备能够正常运行的关键，通过调整参数，使得伺服电机运行在状态保证了整个设备得正常运行。由于传动机构的不同，为保设备的速度和精度，每个轴都需要适当的调节终输出端转一圈所需的脉冲个数，但是实现插补的两个轴需要保证该脉冲个数相同，通过设定伺服电机的电子齿轮比就可以很方便地解决这个问题。由于被加工工件的种类有上百种，每个工件的弯头数又可具体到20个之多，由于每个弯头的相关数据需要依次调用，为简化程序在编写时可以考虑用索引寄存器来不断的调用存储在人机界面配方中的这些数据，再经过一系列的实数运算转化为脉冲个数。由于工件型号的不同，经常在末工位加工时直线进给方向的余量很少，为防止料夹与副夹相撞，因此需要各动作按特定的组合顺序进行处理。
       
            5、效益
       
        自动弯管机自成功设计以来，经多次修改完善，现已批量投入生产应用。该控制系统在各方面与以往的弯管系统相比有着很大的优势：零件参数选择达到上百种，可实现多角度的弯管，加工的产品从实心的钢条到空心的金属管，从家用电器到工业化工车船设备用金属管等；弯管长度和角度旋转控制实现自动化，在精度上有很大的提高，误差允许值控制在±0.1度范围内，一个人就可实现操作，大大节约了人工成本，也大大提高生产效率；操作系统方便，人-机对话简单易懂，通过简单培训即可实现操作；完善的报警系统及合理的程序设计，给系统维护和调试人员带来了很大的方便，减少了大量的调试时间。
       
        通过长时间的运行验证表明，该系列的弯管机在家用电器、石油化工等行业的应用中收到了良好的经济效益和社会效益，是值得广泛推广和使用的设备。而森创交流伺服电机在其中也体现出了自身优越的性能，受到用户。事实证明，森创交流伺服电机可以满足弯管机行业的使用要求，在这个行业中是和推广的。

加快陶瓷零件成型设备的研究对于缩短陶瓷制件的制造周期以及提高企业的生产效率具有重要的意义．简述了目前陶瓷零件快速成型设备的发展状况，着重介绍了基于陶瓷零件层合速凝技术所设计的一种陶瓷零件快速成型设备铺料机构的基本结构、工艺流程和工作原理，设计了该设备铺料机构PLC控制系统．该系统运行良好，满足了产品自动化生产的要求，提高了工作效率．    陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、高强度和高硬度等优点，应用非常广泛．陶瓷零件快速成型技术已成为制造技术领域研究的热点和之一．开发新的陶瓷零件快速成型设备在加快陶瓷制件的生产效率、提高经济效益方面具有重要的意义．总体来说，在陶瓷零件快速成型设备的研究上了长足的进步，而且陶瓷零件快速成型设备在实际生产中也得到了广泛的应用．但是，还存在着设备昂贵、投资大、材料浪费严重等缺点．从目前来说，应用于陶瓷零件快速成型的激光成型设备造价偏高，如喷墨打印和熔融堆积成型设备对陶瓷浆料的流动性和制件质量具有双重要求，不易控制．陶瓷零件快速成型机是在王秀峰教授口3等提出的陶瓷零件层合速凝快速成型技术的基础上研究开发的一种新型陶瓷零件快速成型设备，该设备具有、少、取材广泛、工作性能良好等特点．与其它控制方式相比，PLC具有性高、功能性强、安装简单等特点，基于此，设计了陶瓷零件快速成型机铺料系统的PLC控制系统．试验证明，该系统较好地满足了工艺的要求，实现了机械自动化，提高了工作效率．
       
            1铺料机构工作原理
       
        1．1铺料机构组成
       
        铺料机构主要由铺料台3、料斗1l、刮平装置14、加热装置6、工作台水平运动装置1、铺料台升降装置8及搅拌装置(图1中未表示)组成．
       
        
       
        铺料台3主要由升降装置控制其在竖直方向上运动(步进电机lO带动竖直方向上滚珠丝杠运动)．料斗由步进电机7通过带动丝杠5实现其左右运动．工作台水平运动由电机控制Y向的导轨实现．在导轨和丝杠的两端装有左位限位开关，可以有效地控制料斗的行程范围．刮平装置起到刮平蜡料和陶瓷浆料被加工表面的作用．加热装置通过加热蜡料，使蜡料保持熔融状态，避免蜡料粘滞刮平装置，同时，也保证了蜡料铺设均匀．搅拌装置通过搅拌浆料，避免浆料的沉淀，使浆料成分均匀化．石蜡和陶瓷浆料料斗内各有一搅拌轴，由电机驱动齿轮机构带动搅拌轴搅拌浆料，为了增强搅拌轴的强度和抗扭、抗弯刚度，把搅拌轴做成空心状，同时也减少了搅拌轴的自重．该齿轮传动机构动作主要由电机通过联轴器带动主动齿轮，然后主动轮通过与分别安装在2个搅拌轴端部上的从动齿轮啮合，同步带动搅拌轴搅拌浆料．当需要刻在蜡料被加工表面上雕刻形状时，由PLC控制系统通过输入／输出接口向主控计算机传输数据信号，由主控计算机发出CNC指令，在铺料台上的蜡料被加工表面雕刻出所需形状，雕刻完以后再由主控计算机触发PLC进行下一步控制，从而实现交互作用，相互触发．
       
            1．2铺料机构工作流程
       
        为了使铺料机构内部各机构能协调运行，好地实现铺料机构的PLC控制，分析铺料机构的动作是必需的．
       
        陶瓷零件快速成型机铺料系统的动作如下：(1)在系统的初始状态(料斗停在原位，刻及丝杠停转)时，工作台复位，启动系统水平运动电机正转带动料斗左行并开始铺石蜡，同时加热并搅拌．(2)石蜡铺到位，石蜡斗关闭，同时电机反转带动料斗回到原位．(3)料斗回位，石蜡凝固30 s．(4)石蜡凝固完毕，电机正转带动刻下移并开始雕刻．(5)雕刻完毕，电机反转带动刻上移．(6)刻回位，同时水平电机正转带动料斗左行铺陶瓷．(7)陶瓷铺到位，陶瓷斗关闭，同时电机反转带动料斗回原位．(8)料斗回原位，竖直电机正转带动工作台下降2 mm．(9)工作台下降到位，一次加工过程结束，此时系统处于初始状态．
       
        重复以上过程，直到坯件完整．然后烧结坯件，即可得制品．
       
            2 PLC控制系统设计
       
        2．1设计流程图
       
        由铺料机构的工艺要求可知，该PLC控制系统需满足以下控制要求：(1)要求加热和搅拌在整个过程中一直进行，并且石蜡料斗和陶瓷料斗不能同时开合．(2)水平电机二次工作在刻回位后进行．(3)水平电机匀速转动带动料斗平稳运行，以保证铺料均匀．(4)当自动方式结束一个循环时，系统处于初始状态．
       
        在铺料机构工艺流程的基础上，设计了陶瓷零件快速成型机铺料机构动作流程图，如图2所示．
       
        
       
            2．2控制系统实现
       
       
       
        为了满足上述的工艺要求，该PLC控制系统有4台电机M1，M2，M3和M4，电机M1通过正反转来拖动料斗的前进和后退，电机M2通过正反转来控制刻的上下移动，M3和M4则分别用来控制工作台的升降和搅拌浆料．用左右位限位开关SQl，SQ2和上下位限位开关SQ3，SQ4来作为料斗的左右行程和刻的上下行程限位置．当按下启动按钮时，继电器线圈KMl接通，电机得电正转带动丝杠，通过丝杠带动料斗右行，当碰到限位开关SQ2，KMl断电，KM2接通，电机反转，料斗左行返回，直到压下左位限位开关SQl，表明料斗完成一个行程回到原位．同理，当电机正转时带动刻下行，碰到刻下位限位开关SQ4时电机反转，刻返回，直至压下刻上位限位开关SQ3，刻完成一个行程．在这一过程中，雕刻过程由CNC系统控制，当雕刻完以后CNC系统发出指令，刻压下下位限位开关SQ4，刻上移．
       
        为了起见，对可能发生干涉的动作进行了互锁控制．如由于该系统要求加热和搅拌在整个过程中一直进行，并且石蜡料斗和陶瓷料斗不能同时开合，因此控制铺料料斗左右移动的电机正反转要进行互锁控制，控制工作台升降电机也要进行互锁控制等．为了使刚铺完的石蜡浆料能充分冷却，每次料斗铺完蜡料后使用定时器延时料斗的动作．为了使料斗里的浆料在工作过程中不致于冷却，使用加热器对料斗里的浆料进行加热，由加热器温控仪控制浆料温度在95℃左右．
       
        根据工作要求，系统中有开关量I／O点16个，其中输入点7个，输出点9个．基于多方面的考虑，PLC选用SIMATIC S7-200系列PLC．PLC外部接线图和I／O口接线图如图3和表1所示．在控制系统实现上，用三维造型软件生成需要制造的陶瓷零件的三维实体模型，然后用分层软件对三维软件进行分层切片处理，得到每一层的形状和厚度，并生成符合快速成型工艺特色的CNC数据信息，由主控计算机发出指令给CNC成型控制子系统，使刻在料斗铺设已凝固好的每一层石蜡上刻出该层形状．然后，主控计算机向PLC发出指令，由PLC控制铺料系统在镂空处成型材料，并对成型情况进行监控并进行运动参数的反馈，必要时对快速成型设备的运动状态进行干涉，重复累加之后烧结坯件，终形成陶瓷制件

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