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产品描述
6ES7222-1HF22-0XA8保内产品
摘要：详细介绍了PLC控制的桥式起重机变频调速系统的硬件构成，以及系统软件的实现。
1.1桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。
1.2继电—接触器控制系统性差，操作复杂，故障。
1.3转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有改变传统的控制方式。
年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中的应用提供了有利条件。
桥式起重机大车、小车、主钩，副钩电动机都需立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器传动，并由4台PLC分别加以控制。
控制电动机的正、反转、调速等控制信号进入PLC，PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的。
2.2变频器：为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。
2.3制动电阻：起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。
桥式起重机大车、小车、副钩、主钩电动机工作由各自的PLC控制，大车、小车、副钩、主钩电动机都运行在电动状态，控制过程基本相似，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现基本相同，而主钩电动机运行状态处于电动、倒拉反接或再生制动状态，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现稍有区别。控制小车电动机的变频器与PLC控制原理图如图2所示。
利用PLC控制的变频调速技术，桥式起重机拖动系统的各档速度、加速时间和制动减速时间都可根据现场情况由变频器设置，调整方便。负载变化时，各档速度基本不变，调速性能好。若是改造原有系统，大小车电动机仍可采用原有的绕线转子异步电动机，将转子绕组引出线短接，去掉电刷和集电环，节省换电动机的费用。
关键词：性 PLC自动控制系统
1、引言
可编程控制器由于抗干扰能力强，性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。
工业年月机作为控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。由于PLC对现场进实时监控具有很高的性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视。
2、控制系统性降低的主要原因
虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：
1)造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；
2)机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制；
3)现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
影响执行机构出错的主要原因有：
1)控制负载的接触不能动作，PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；
2)控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；
3)各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统性。要提高整个控制系统的性，提高输入信号的性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽除故障，让系统、、正确地工作。
3、设计完善的故障报警系统
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。
1 引言
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，性高等方面具有特的优点。触摸屏的使用则为整个控制系统提供了良好的人机操作界面，因此二者的联合越来越广泛的应用于工业生产的各个领域。 印械关键技术也主要侧重在智能化的提成。在印刷中的高速双面印刷机项目中我们选用了台达机电自动化PLC产品对电气进行了改进设计。
2 工艺自动化分析
印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。由于自动工作模式下各动作要以一定的顺序工作，机械采用凸轮来控制各动作离合时的角度，电气选用二相增量型旋转编码器来实时测量凸轮的旋转角度，编码器每旋转一周，产生360个脉冲，PLC高速计数器计数720，到零位后复位重新计数。
3 台达机电技术的自动化应用
台达EH系列是一款可扩充高功能型PLC，具有高速度、、涵盖应用层面广泛的特点。在原有的模拟输入输出模块、温度模块的基础上，中达电通今年又新推出几种特殊功能模块，主要针对应用中需要高速处理的控制场合，包括单轴定位模块01PU、1CH高速计数器模块01HC、2CH高速计数器模块02HC，大的丰富了PLC应用功能，使其加适应工业控制环境中的不同需求。
DVP01PU定位控制模块主要可应用于步进或伺服驱动系统之速度或位置控制，具有200 KHz脉波输出，输出采用高速Line Driver 接口或NPN开集输出，高噪声抑制；可透过程序指令FROM/TO来读写模块内之资料；模块内建原点复归、寸动运动、单段速定位运动、连续两段速定位运动、变速度运动、手摇轮 (MPG) 输入等八种行程控制模式及梯形曲线和S曲线两种脉波加速曲线； DVP01PU定位控制模块是一个容易使用的立单轴脉波定位模块，适用于得以接收脉波控制的各种运用场合，由于定位控制的运算有专门的硬件来完成，简化了程序撰写和调试，能够轻松实现工件的运动定位控制，是PLC较为高阶的应用。
3.1系统原理设计
控制部分以台达的DVP-EH型PLC为技术平台，触摸屏为操作界面，变频器作为执行构件。触摸屏通过COM2口与DVPEHPLC的COM口相连，采用MODBUS协议。PLC通过485口控制四台变频器，支持MODBUS协议。
3.2系统配置设计
台达PLC：DVP64EH00R＋扩展DVP08XP11R。台达触摸屏：DOP-A57CSTD。台达变频器：VFD110B43A；VFD004M21A。框架如图1所示。
图1印刷机系统配置设计
3.3编程案例
（1）触摸屏显示报警。台达EH系列PLC提供了方便的高速计数功能，使程序编写简单，调试快速。我们将编码器的信号线接入PLC的高速计数端子X0，X1，编码器的复位端子接X2，对应计数器为C251，Y23为主机运行，当编码器两相接错时，触摸屏显示报警M455。
（2）通讯调试。在小型电气控制系统中，设备间的通讯调试是一个难题，但台达PLC与变频器有简洁的通讯指令，一条指令即可解决问题。如读取主变频器的输出频率,先写好通讯协议，然后利用下条指令即可：其中通讯命令装置地址为01，数据地址H2103，数据长度2个word。两者的通讯省却了中间继电器的控制，减少了故障隐患，再利用触摸屏将PLC中的数据读出，可以方便地监视运转中出现的问题。
（3）画面设计。在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。触摸屏的应用省略了原有的一些按钮、指示灯、计数器、转速表、时间继电器及润滑程控控制器等元器件，降低了故障率，也减少了接线的工作量。台达的人机编辑软件－TPEditor提供了7个等级密码的保护，有利于使用厂家对某些特定的使用条件进行了限定，保护了用户的利益。因触摸屏有3M的内存，所以设计时在画面中以走马灯的形式提供了大量的报警信息，也设计了多屏PLC输入、输出状态监视画面，在系统帮助里详细介绍了本机电气操作及维修提示，使整机的电气系统操作、使用、维修简单方便。
4 结束语
本套系统配置取代了原国外的配置，性价比提升很多，提高印刷机自动化水平，将节约大量的辅助时间，进一步提高生产效率，故障率也远原配置。 与其他产品相比，感觉台达整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。总之，台达的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。
作者简介：孙容瑞 男 就职于南京欧都机电设备有限公司，研究方向为自动化系统集成。
案的工作。
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。
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