西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0全年质保

西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0全年质保

一、前言

随着采煤设备及采煤工艺的改进、原煤产量不断提高，胶带机运输系统在煤矿生产中起着关键性作用，胶带机控制系统是否优越、，从某种意义上说，决定了一个煤矿的生产能力大小和自动化程度的高低。

二、系统概述

本项目以某煤矿的皮带机为控制对象，基于南大傲拓NA400PLC和组态王软件的监控系统设计。系统由PLC柜、操作柜、高压柜、低压柜、张紧装置、皮带机保护等设备组成 。

1、系统整体结构

、  监控系统

   上位监控层设有一台工控机 ，通过以太网通讯方式和现场PLC连接 ，利用组态王软件 Kingview6.53对设备进行组态 ，操作人员可以实时对皮带机状态进行监控。

三、系统组成

   本项目皮带机变频控制系统主要分为五个部分：PLC控制部分、变频驱动部分、自动张紧部分、胶带输送机保护部分、上位监控部分。

1、  PLC控制系统

 PLC控制系统分为PLC控制柜、操作台等几部分。

操作台设置1台HP液晶显示器，实现整机控制，运行状态指示和配套系统信息反馈。

在操作台上，可以进行控制回路和主回路的通断电、启动预警、启动停止皮带机操作，同时可以观察变频装置的状态、抱闸的状态、卸料点的状态、张紧装置和胶带保护装置的反馈信息。控制方式的选择自动/手动/就地，三种方式可转换。正常生产时，使用自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程自动启停；手动时，可在显示器上操作各设备，无闭锁和联动关系；就地时，在操作台上利用按钮操作。

2、变频驱动部分

  主要由变频器及驱动部分、通讯接口等组成，用于控制电机的运行。接收PLC控制系统给出的控制信号，从而控制整个系统的运行。

3、自动张紧装置

     皮带机自动张紧装置用于张紧皮带至皮带启动时的张力，张紧完成后，向控制台发出‘开机信号’，皮带机就可以运转，皮带机正常运转后，张紧装置自动保持皮带张力

4、胶带输送机保护系统

皮带机每50米设置一个双向拉绳开关、配置速度仪、两跑偏开关、溜槽堵塞检测器、纵向撕裂检测器，料流检测仪，烟雾，洒水等传感器。所有控制信号均输入到PLC控制系统中，由PLC控制系统处理控制系统中的所有信号，判断系统的运行情况，根据实际情况控制整个系统的运行，发生故障则报警。

5、上位监控部分

实现胶带机运输系统集中监控，实时监控设备状态和运行参数，并显示数据曲线；完善的信息处理功能，报警信息、运行参数、操作记录等信息自动形成标准格式的数据库文件，并在硬盘长期保存，供信息系统调用。

四、总结

   该控制系统已经在用户单位投入运行，并了较好的使用效果，整个程序控制系统很大程度上提高了设备的运行和控制水平。系统的各个操作步骤都可以在主控制室通过自动控制完成，运行过程中的速度、电机温度、保护状态等各个参数均可以在主控制画上显示，打印机打印输出运行参数，数据查阅方便。

随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。

     一、机型的选择

     我国市场行的有如下几家PLC产品：

     1．施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

     2．罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；

     3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；

     4．GE公司的产品；

     5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列产品。                      

     PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。

 表1 PLC的功能及应用场合

 
  应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。

     二、I/O的选择

     PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。

     PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

     （一）确定I/O点数

     根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。

 表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

 
   （二）开关量I/O

     开关量I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

     （三）模拟量I/O

     模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。

     （四）特殊功能I/O

     在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。

     （五）智能式I/O

     当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

     综上，表3归纳了选择I/O模块的一般规则。    

 表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则
  三、存储器类型及容量选择

     PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

      PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。
    四、编程器和外部设备的选择

     在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。

     五、实例

     （一）利用三菱PLC实现对印刷机的控制

     印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，因此采用双机通讯。上位机采用三菱的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485, 通讯，通讯方便，。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次。

     （二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用

     在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到性、性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，了显著的效果。

     六、结束语

     随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统。

实现控制的过程一般是：

输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……停止地循环反复地进行着。
 

图1.1所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。
 

有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。
 

为此，PLC的工作速度要。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。
 

图1.1所示的过程是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。
 

公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。
 

监控循环时间的目的是避免"死循环"，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用""（Watchingdog）。只要循环时，它可报警，或作相应处理.
 

外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.
 

通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。
 

也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理--I/O刷新--运行用户程序--再公共处理--……反复不停地重复着。
 

可编程控制器实现控制的方式

用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。
 

在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。
 

但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。
 

PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现--信息处理、I/O电路--空间、时间关系--扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。

性高，抗干扰能力强
 

高性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了的抗干扰技术，具有很高的性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有高的性也就不奇怪了。

配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

体积小，重量轻，能耗低

以小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

你用的是什么类型的计数器?比如, 有加法计数器(它们只能正向计数1,2,3,...). 它们在英语中被缩写为CTU(count up, 升值计数), CNT, C, 或者CTR. 有减法计数器(它们只能逆向计数9,8,7,...). 当它们作为一条立的指令时, 通常被叫做CTD(count down, 减值计数). 还有双向计数器(它们可双向计数1,2,3,4,3,2,3,4,5,...). 当它们作为一条立的指令时, 通常被叫做UDC(up-down down counter, 加-减计数器).
     许多厂家只有一种或两种类型的计数器, 但这些计数器应能完成加计数, 减计数或双向计数. 是不是有些混淆了? 难道就没有一相标准吗? 不要担心, 计数器就是计数器, 不要管生产商怎样称呼它们.
     容易引起混淆的是, 大多数的生产商还加入了一定数量的高速计数器. 通常叫它们HSC(high-speed counter),CTH(CounTer High-speed?)或者别的名称.
     典型的高速计数器是一个"硬件"设备. 而上面所列的普通计数器多是"软件"计数器. 换句话说, 它们并不是真正存在于PLC中, 它们只是用软件模拟的计数器. 而硬件计数器却是真正存在于PLC中的, 它们不依赖PLC的扫描时间.
     按照拇指理论(rule of thumb), 一般情况下多使用普通(软件)计数器, 除非所要计数的脉冲比2倍的扫描时间还要快. (例如扫描时间为2ms, 而所计脉冲每4ms或长时间才来一次, 那么此时我们使用软件计数器. 如果脉冲间隔小于4ms(例如3ms), 那么使用硬件(高速)计数器. (2*扫描时间 = 2*2ms = 4ms)
     要使用计数器, 我们知道以下三件事情:
     1. 我们要计数的脉冲来自哪里. 典型情况下, 它来自一个输入端子. (例如将一个传感器接到输入端0000)
     2. 在作出响应前, 我们要计多少次. 例如计数5个玩具装入后开始打包.
     3. 何时/怎样复位计数器, 以便让它重新计数. 例如, 我们计数5个玩具后, 将计数器复位.
     当程序在PLC上运行时, 程序通常会显示当前或"累计"值, 以便于我们观察当前的计数值.
     典型计数器的计数范围为0到9999, -32768到+32767, 或0至65535. 为什么都是些这么古怪的数字呢? 因为大多数PLC都是用的16位计数器. 0-9999是16位BCD(binary coded decimal, 二进制编码的十进制)码, -32768到32767和0到65535是16位二进制码, 我们在以后的章节会解释这是什么意思.
     下面介绍一些我们将会碰到的指令符号(不同的厂家会有所不同), 并说明它们的用法. 记住, 它们虽然看起来不同, 它用法基本都是相同的. 如果我们会设置一个计数器, 我们就会设置任意的计数了.
    在这个计数器中, 我们需要2个输入. 一个接复位线. 当该输入端为ON时, 当前(累积)计数值将被清零.
二个输入接的是我们要计数的脉冲.
     例如, 我们要对经过传感器的玩具计数, 我们将传感器接到输入端0001, 然后将地址为0001的常开触点接在脉冲线的.
     Cxxx是计数器的名称. 如果我们想叫它计数器000, 那么在这里我们叫它"C000".
     yyyyy是我们在要求PLC做出响应前所要计的脉冲数. 如果我们在将玩具打包前要计5个玩具, 那么我们要该值改为5. 如果我们要计100个玩具, 那么就将该值改为100, 等等. 当计数器计数完毕(例如, 我们计数了yyyyy个玩具), 它将一组立的触点变为ON, 我们也将它标为Cxxx.
     注意, 计数器的累加值仅在脉冲输入的上升沿发生变化. 

在上面的梯形图中, 我们将计数器(叫做计数器000)设置为从输入0001计数100个玩具, 然后使输出500变为ON. 传感器0002将计数器复位.
     下面是我们会碰到的一个双向计数器. 我们使用于上例相同的缩写(例如UDCxxx和yyyyy).

在这个双向计数器中, 我们需要使用3个输入端. 复位输入的功能与上例相同. 但是, 对于脉冲输入有两个.一个是加计数, 一个是减计数. 在这个例子中, 我们把这个计数器叫做UDC000, 并且给它一个预设值1000. (我们共要计数1000个脉冲) 在输入端, 我们给输入端0001接上一个传感器, 当它检测到目标时, 使输入端0001变为ON, 给输入端0003也接上一个相同的传感器. 当输入端0001变为ON时, PLC正向计数, 当输入端0003变为ON时, PLC逆向计数. 当计数值到达1000时, 输出端500变为ON. 再次提醒注意的是,