西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8保内产品

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8保内产品

一、前言

货架冷弯组件定尺剪切是货架冷弯成型生产线上的一个重要环节，它的主要作用是将连续生产的货架冷弯组件剪切成库房设计规划所要求的尺寸；货架冷弯成型生产线的控制系统主要由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机或PLC）、动力系统（动力源；有伺服驱动单元、交流变频驱动单元、步进驱动单元等）、传感系统（旋转编码器或光电传感器等+计数模块或单元等）、执行元件系统等五个子系统组成。

的位置控制是货架冷弯机组中液压停剪装置或飞剪装置的基本要求，在货架立柱等位置控制精度要求比较高的场合，可采用CNC系统或的伺服控制驱动单元，该方案造，基本控制电路和控制原理复杂，控制精度可达到±0.1mm以内，且误差分布规律性好，有利于控制长单件工件，如30M长的立柱孔位分布、整件孔位误差分布和孔位积累误差小，但在货架横梁、拉杆等位置控制精度有一定的要求，如：长度控制精度为±0.5mm以内时，采用PLC闭环反馈控制系统实架冷弯机组中液压停剪技术是一种性价比很好的选择方案。

传统的定尺剪切利用有接点的继电器来实现控制，但传统的接点继电器存在接点接触不灵敏、信号控制滞后等缺点，造成货架冷弯组件定尺不准确，严重影响库房的规划设计效果和安装控制精度，这也是当前此类设备新改造的和今后的发展趋势。

二、PLC的闭环控制原理
PLC具有PID模块，使其能对输入的模拟量、数字量进行比例、积分、微分计算，并将其运算结果以模拟量形式输出，实现基本闭环控制。

PLC在位置控制系统中得以广泛应用，与PLC制造业提供的驱动单元的性能是分不开的，驱动单元一般可采用：驱动步进电机、伺服控制器及伺服电机、变频器与变频电机系统等；用户只需要通过PLC向位置控制单元模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块根据具体测量点的反馈信号和PLC的指令来调整控制输出，实现冷弯轧辊的一定精度要求的定位控制；同时位置控制模块能根据一定的控制目的确保冷弯轧辊的转动运动保持适当的速度和加速度，实现配套设备参数调整的简单化。


图一 PLC的闭环控制原理图

此系统控制示意图如图一，此设计的依据是利用传感器直接检测目标运动，同时将信号传递给可编程序控制器（PLC），通过可编程序控制器对系统进行反馈控制，在此系统中，机械系统由链传动或齿轮传动机构、液压剪切机构、工作台等组成，电子信息处理系统由可编程序控制器（PLC）构成；动力系统由驱动电机组成，传感检测系统由光电开关、位置传感旋转编码器组成；执行元件为工作台和液压顺序控制阀，在设计过程中，应严格选择与系统电气参数相匹配的机械系统参数，同时也要根据机械系统固有结构参数来选择和确定电气参数。

三、对定尺剪切工作过程的简述

货架冷弯生产线生产工艺流程：开卷 → 入料校平→ 切头、压料、焊接 → 储料(料仓) → 伺服步进送料 → 冲孔 → 储料(料仓) → 冷弯成形 →校直→ 液压停剪切断（定尺剪切过程）→ 出料 → 。即货架冷弯生产线由开卷机、校平机、送料机、压力机、成型机组、液压剪切机等设备组成。金属料卷放在开卷机上，经开卷后进入校平机校平，然后进入伺服送料机，由伺服送料机向压力机上的模具送入定长的板料，经冲压加工后的钢带料再进入冷弯成型机中冷弯成型，剪切机将冷弯型材定长切断。目前我公司设计开发的开卷机开卷速度为0 m/min～20 m/min可调，整线基本运行速度为12--14 m/min。

当按下运行命令后，主电机带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。

当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置信号，旋转编码器进行一定距离的位置并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，同时在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。

交流变频调速异步电机定位控制的研究经历了较长阶段，传统做法是采用机械挡块来定位。如：济南铸锻所为我公司设计的货架立柱冷弯生产线为达到定尺寸定孔位切断的精度：±0.5mm，其液压飞剪系统的定位设计中就引入了定位插销控制技术， 目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种:机械定位，电气定位,空气定位，光学定位。电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提，十分简便，易于和计算机，PLC等各种控制电路相匹配。目前在冷弯机组中应用变频调速技术是针对变频器的速度参数设定几个固定的频率（例如高速、中速、低速三种频率），根据冷弯机组上实际产品的控制要求由PC或PLC对变频器的三种（频率）速度进行切换，达到调速和停准的目的。但当具体产品对冷弯机组的位置停准精度要求提高后，这种开环式的有级调速就不能满足产品的位置精度控制要求，而采用前述的闭环控制技术与原理。

四、控制处理系统

由于传统的有接点的继电器存在以下的缺点：1）缺乏的控制性能；2）接点机械动作造成相应动作延迟；3）由于接点磨损、接触不良等原因，造成动作误差且故障维修麻烦；4）生产线的改造、新较麻烦，故对其控制系统采用可编程序控制器（PLC）来取代传统的接点继电器，以简化机械结构，提高系统的性能和质量，根据PLC功能和输入及输出模块组合，在此系统中采用PLC能够实现以下控制：

在三菱FX-2N PLC系统中，CPU通过位置控制模块PP2向伺服驱动器或变频器发出控制命令，伺服驱动器或变频器直接控制相应的电机运动，旋转编码器将速度信号反馈回驱动器或变频器中，形成（半）闭环控制系统，伺服电机通过机械机构实现位置定位运动；控制命令通过操作面板或触摸屏发出，并要求对有关PLC程序段进行开放性设计并与触摸屏技术相结合，便于操作人员对有关机组的进行操作和调整。

位控模块PP2发给伺服驱动器的信号主要有：脉冲输出、伺服使能等，伺服驱动器返给位控模块PP2的信号主要有：零脉冲输入、回零接近开关信号、伺服故障报警等。

如我公司货架组件中的横梁生产线中选用三菱F系列变频器，其外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V或电流DC4~20mA，进行无级调速。采用外部输入端子SD﹑STF﹑STR、RL﹑RM﹑RH，进行三段速调速。RL﹑RM﹑RH是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，SD是输入公共端，STF是启动正转信号，STR是启动反转信号。当Y10，Y11有输出时，变频器为低速运行；当Y10，Y12有输出时，为中速运行；当Y10，Y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为2.0Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱FX2N系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过DOS操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。

五 精度控制

由于物业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了高的要求，如：孔位误差不过±0.3，孔位累计误差也不过±0.5等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、相关外围设备参数变化或调试过程中的机组再调整、设备的维护保养等，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。

我公司机组控制精度在±0.1mm左右且可避免累积误差分布，该控制方法和系统可应用于开口系列冷弯型钢产品的生产和新产品的设计开发过程中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。

六 结语

本文主要是对货架冷弯组件定尺剪切系统作一概括性设计，并未对具体结构参数以及PLC选型作进一步说明，具体参数需按系统的固有结构参数、货架冷弯组件结构尺寸以及工作特性参数确定。不同的PLC对应不同的编程语言，但根据梯形图程序语言便可具体地编制PLC编译指令，同时要求编写的程序合乎PLC性能指标及工作要求。

采用此方案的优点在于用微电子技术取代了人对机械的绝大部分控制功能，克服了人体能力的不足和弱点，提高了控制精度和设备的反应灵敏度，同时便于重新设计和改造，所以有较好的实用意义；从实际应用的情况分析：采用PLC实现的位置控制能满足货架冷弯机组中定尺剪切的基本精度要求。

1 引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2 硬件电路
2．1 硬件结构
系统硬件结构图如图1所示。
PLC为西门子公司S7-200系列CPU221， PLC接受来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动电梯等信号。
2．2 电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS - 616G5 CIM- RG 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。


3 位移和运行曲线控制
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确，理想的运行曲线如图2所示。


3．1 位移控制
采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经式(1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。
电梯位移h=SI
式中I：累计脉冲数S：脉冲当量
S=lpD／(pr) (1)
本系统采用的减速机，其减速比1=1／20，拽引
轮直径D=580mm，电机额定转速ne=1450r／ min，旋转编码器每转对应脉冲数p=1024，PG卡分频比r=1／18，代人式(1)得
S=1．6mm／脉冲
3．2 速度控制
本方法是利用PLC扩展功能模块D／A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D／A，由 D／A转换成模拟量后将理想曲线输出。
3．2．1 加速给定曲线的产生
8位D／A输出0～5V／0～10V，对应数字值为16进制数00～FF，共255级。东洋电梯加速实践在2．5～3秒之问。按保守值计算，电梯加程中每次查表的时间间隔不宜过10ms。
由于电梯逻辑控制部分程序大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜过10ms。为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。
本文采用的PLC有三种中断功能：(1)外部中断；(2)高速计数内部中断(3)定周期中断。前两种中断各有8个中断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式．起动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运行状态检测＼运行保护＼内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断＼运行模式的选择＼查表等与运行曲线产生有关的程序放在中断服务程序中。
起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。
3．2．2 减速制动曲线的产生
为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加程由固定周期中断完成，加速到对应模式的大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断服务程序中计数器设定值的条件，保证下次中断执行。
在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次表指针加1操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保减程的性。
4 程序设计
利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入 PLC的高速计数输入端，构成位置反馈．高速计数器累加的脉冲数反映电梯的位置．高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离，换速点，平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在个脉冲当量范围．在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达内，大大的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求．电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置，快速换速点，中速换速点，门区信号和平层位置信号等．由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连接，降。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数，快速换速，中速换速，门区和平层信号5个子程序进行介绍。
4．1 楼层计数
本设计采用相对计数方式．运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元D01 - D16。
楼层计数器CNTl0为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减计数。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1，为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
4．2 快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号．若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
4．3 门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号．平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
4．4 脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。

空压站原来由人专门值班，不仅浪费大量人力，而且自动化程度低，很有对其改造的必要。随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。


设计要求
1）每台设备应有自动控制和连锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动／自动切换操作及紧急停机。
2）现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程。
3）空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的控制器实时远程监控，实现空压站无人值守。
系统构成
1．控制网络结构的确立
由于控制选用AB公司的PLC构筑自控系统，并采用DH+网络实施远程联网，为保持一致性，空压站自控设备选用AB公司的小型PLC——LC-500系列可编程序控制器，其带有DH+网络接口，支持DH+和DH-485网络协议。原设计为单一DH+网络结构，后仔细分析综合各方面因素后确立了分级控制网络的实施方案，如图1所示。其基本理由是：


1）从技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时性不够理想。因为各设备控制器均挂在同一网络上，任何一台出现通信故障都可能影响整个网络，严重时会引起网络瘫痪，无法实现远程监控。虽然本案例的设备总数并不算很多，但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网分为上层DH+和下层DH-485两级网络，以达到分散危险，提高网络有效性和性的目的。
2）从经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用的微型PLC替代。干燥器设备的生产工艺相对较简单，控制点数不到10点，模拟量信号输入点数也不多，动态响应的时间常数相对较大，微型PLC——Micrologix1200可以满足要求。其成本可降低一半。
DH+网络为AB公司推出的工业局域网之一，它是早为可编程序控制器提供远程编程支持的控制网络。它可以在可编程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC5／04）、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有RS-232-C／RS-422接口的设备之间提供点对点通信。一个DH+网络多可以连接99个DH+链路，每个DH+链路多可以连接64个节点（智能化设备）。它采用双绞线或屏蔽同轴电缆连接，每个链路的传输速率为57.6Kbit／s，115,2Kbit／s和230.4Kbit三种可选，传输距离可达10000ft（3048m）。DH+网络支持从远程链路进行组态、编程以及故障查询等。
DH-485是一种对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性的工业局域网络，主要用于车间级各种设备之间的数据传递；具有多种功能，在令牌传送协议下工作，网络的大长度为1219m。DH-485能够连接多达32个节点的设备，包括SLC 500和Micrologixl200可编程序控制器、操作员终端和个人计算机等。其大传输速率可达19.2Kbiffs。
2．硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，主控制器0#SLC（SLC-504）带有标准RS-232C／DH+／8针圆形接口，共3个网络接口。配置模拟量输入／输出模块，开关量输入／输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。0#SLC控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#～6#SLC可编程序控制器（SLC-504），分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块，通过DH+接口连接到上层设备网。
干燥器子站——1#～8#M1200微型可编程序控制器（Micrologixl200自带24点FO），配接12点模拟量输入FO模块，通过NET-AIC通信模块接入DH-485下层设备网。PV-500彩色触模屏也由通信模块的9针插头连接到DH-485网。
3．软件组成和工作程序
网络连接软件RSLinx在车间级设备与各种应用软件之间提供通信功能，它可组态网络的通信协议（即选择PLC控制网络的协议，如DH-485协议，DH+协议）、传输波特率、驱动程序等，完成网络的初始化和令牌管理。
编程软件RSLogix500可使用户在DH-485网或DH+网上对控制器（SLC 500、Micrologixl200）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
工作站组态软件RSView32设在现场控制室的操作站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通信、显示及报表管理等功能。
各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息、设备控制、故障报警、联锁保护以及数据处理和通信传输。
通信传输工作程序如图2所示。在本案例中，从控制控制器经现场控制室操作站到7#SLC通信控制器，均采用自上而下的方式读／写目标控制器的数据区数据，由数据传送指令完成数据通信，实现信息集成和远程控制。


难点问题和解决方法
整个控制系统随同设备于2003年7月初步完成安装调试工作，进入试生产。2004年2月正式投产，满负荷运行，情况良好，达到设计的预期目标。期间出现过的主要问题为：
1）通信故障引起远程监控失效两次（上层设备网）。分析可能的原因，通信电缆使用了带屏蔽的普通信号电缆而非控制设备规范要求的双绞线屏蔽电缆，易受现场干扰，软件方面对通信异常未设置必要的处理程序。
解决方法——将原来115.2Kbit／s通信传输速率降低到57.6Kbit／s，以提高的性；软件方面做了相应的改动，此后未再出现过类似通信故障。
2）通信传输延时，实时控制滞后（下层设备网）。经分析获悉，DH-485令牌总线网络结构的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多个循环才能对下层网各设备控制器扫描一遍，加之网络传输速率相对较低，在传输数据量较大时，出现控制延时达7～8s。
解决方法——由于系统结构已定，硬件无法改变，所以在软件方面加以进。速率提高到上限19.2Kbit／s；再软件程序，采用控制操作指令的策略，控制滞后的操作可得到改善。