西门子模块6ES7368-3BB01-0AA0支持验货

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  一、 引言
   
    数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
   
    数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中不切削工件。
   
    实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。
   
    由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、性高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考。
   
    二、控制系统研制中需要认识与解决的若干问题
   
    1. 防止步进电机运行时出现失步和误差
   
    步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高性。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
   
    2. 保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾
   
    步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在低频下运行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。
   
    为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同时又能保定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。
   
    3. 可变控制参数的在线修改
   
    PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单设计数码输入显示电路，这又将大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
   
    4. 其他问题
   
    为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的与稳定运行，还应解决控制系统的保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
   
    三、控制系统方案
   
    1. 将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
   
    要获得高的定位速度，同时又要保定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。
   
    为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
   
    2. 应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
   
    目前较为的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。
   
    笔者选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用的功能指令实现数据的存储和传输，因此能方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。
   
    3. “软件编码、硬件解码”
   
    为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
   
    4. PLC外部元件故障的自动检测
   
    由于PLC具有高的性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此判断出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。
   
    四、控制系统的软硬件结构
   
    1. 软件结构
   
    软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
   
    由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的换。
   
    五、结束语
   
    系统试验表明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。  二次滤网是一种自动过滤污水的装置，可以强力污水中的杂物，适用于火力或水力发电机组循环冷却水的过滤和其它工业循环冷却水的过滤，尤其是对一些以江、河、湖水为一次循环的厂家，其排污的效果为明显。该设备具有结构合理、性能、自动化程度高、经济实用等优点。
   
    1、二次滤网的工作原理
   
    二次滤网的工作原理主要分为压差排污和时间排污两种情况。

    种是压差排污，即根据压差的大小进行排污。二次滤网接入管道系统后，污水由下部进水口进入滤水器，过滤杂物后，水从出水口流出。当水中杂物通过网芯时，由于杂物的体积大于网芯孔的尺寸，从而被聚集在网芯的内侧表面上。当杂物聚积到一定的数量时，由于截流口的减压作用，从而造成进水口和出水口之间产生一定的压力差。当滤网进口压力表和出口压力表的水压差值增大到规定数值时，设备自动清洗排污。排污时，控制机构自动打开排污阀，水流对于附着在网芯的内侧表面上的杂物进行反向冲洗，经由排污管路和排污阀门排入冷却水的出水管中，将其排出滤网。当压力差值恢复到正常时，控制机构自动关闭排污阀，从而完成过滤排污的工作过程。

    二种是时间排污，即根据时间的长短进行排污。清洗排污的时间间隔可以自由设定。在设定的清洗排污时间，控制机构自动打开排污阀，进行清洗排污。

    2、PLC选型与I/O点分配

    根据二次滤网的工艺要求，PLC控制系统需要有一定电流容量的开关量输出点来控制主电机和排污阀门。要求PLC能够和上位操作界面进行通讯，在上位操作界面中实现对变量的监控和修改。要求能够对现场的压差信号进行采集，供CPU或上位操作屏幕显示。

    根据统计，PLC控制系统的I/O点共有14个，其中开关量输入点8个，开关量输出点5个，模拟量输入点1个，没有模拟量输出点。根据输入和输出的要求，选用和利时HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。该CPU模块的性能价格比很高，广泛用于工业控制的各个领域。对于现场模拟量的采集，选用4通道模拟量输入模块LM3310，该模块具有如下优点：

采样精度高，常温下的满量程误差为0.2%。

响应速度快，4个通道完成一次采样的时间为20ms。

信号范围广，可以接收0~20mA电流信号、4~20mA电流信号和0~10V电压信号

  1、引言

    现代商业生产流通领域中，产品都离不开包装。如牛奶包装箱、水果包装箱等。而包装纸箱的生产中贴箱机每天处理几十万件应是一件量非常大的生产任务，如果不能实现自动化的生产，将会消耗大量的劳动力，而且效率和质量方面都很难提高。本设计就是将PLC应用于贴箱机系统中，从而使纸箱的生产实现自动化，其主要的任务是如何将纸板加工成型，打包成捆，如何进行生产过程中的自动控制，它是机电一体的纸箱机械产品。总之在保证工艺控制要求的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。

    2、系统控制特点及工艺

    2.1 控制要求及特点

    (1) 吸附进纸，确保了纸板吸进纸的位置准确；
    (2) 折叠部上下传输带夹紧纸板送纸、左右吸附腔吸附送纸和运转与众不同的两侧竖带夹紧纸板送纸相互配合，确保折叠纸无歪斜；
    (3) 左右下纠偏带各配增减速器，折叠时摩擦强制前后扯动纸板纠偏效果明显；
    (4) 采用崭新的分垛逐出装置技术，比国外的相似装置的性能为稳定、运行为。遇不良纸板时卡纸混乱几率大幅度降低；
    (5) 人机界面化，可显示生产速度，纸张数及相关的参数；
    (6) 实现了A/M的控制方式。

    2.2 工艺简介

    本系统以PLC为，由于该系统所带负载不大，可用一台达变频器带动一台3.7kW的异步电动机，该电机拖动主传递装置。当物料准备好后，离合器合闸即将送料，左右电机定纸箱的大小，用转速装置测速度，用光电传感器检测纸箱的位置信号，从而使伺服机工作。触摸屏可以实现友好的人机界面，可以在线的监视系统的运行情况，并进行相应的参数修改。纸板料从平放台进入机器到完成加工全实现了自动化，其工艺简图参见图1。

图1 系统工艺简图

    整个轨道是纸板成型的通道，轨道的形状决定纸板所加工纸箱的形状，以下对各个主要部件做简单的介绍。

    (1) 进料装置

    由于纸板是流水线加工的，当工作台上放有足够多的加工纸板时，才能进入平稳连续，不重叠的工作状态，提高了生产率；

    (2) 辊矫直机

    为了让纸板经过时垂直于传送带，并使其紧贴轨道以便纸板较为准确地成型；

    (3) 测速

    用抗干扰能力强的接近开关作为传感器，并将其所产生的脉冲信号给PLC的高速计数器；

    (4) 传送装置

    由电动机带动，它控制主生产线的速度，并由变频器进行控制；

    (5) 纸板矫正

    主要由位置信号传感器和伺服系统组成，它主要是矫正成型的纸箱在轨道上的位置偏移，并为后序的纸箱打包做好准备；

    (6) 记数传感器

    检测轨道上的纸箱数，以便定量打捆；

    (7) 纸箱叠放台

    把传送的纸箱给叠放，定数量给推出；

    (8) 打捆

    将定数量的纸箱捆扎好。

    3、控制系统设计

    纸板加工成型过程，有一套严格的工艺流程，为了满足系统的控制要求，采用PLC、变频器、伺服机、人机界面及的传感器相结合，有效地解决了实际问题。同时也使系统的构成简单，功能强大，性、可操作性和可视性都提高了。

    3.1 系统的硬件构成

    该系统PLC采用OMRON公司的CPM1A-30CDT-A，30点I/O口，18点输入，12点输出，且还留有扩展的余地。该机型属于欧姆龙公司C系列的小型机，结构紧凑，功能性强，有很好的性能价格比。变频器(VFD-B-5.5kW)和伺服装置(AC servo HO系列)以及触摸屏(PWS717-STN)都采用了功能性比较强的台达系列产品。各硬件构成可见图2的硬件构成框图。

 2、湿法脱硫工艺简介
   
    石灰石（石灰）—石膏湿法脱硫工艺采用易得的石灰石或石灰作脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液。当采用石灰为吸收剂时，石灰粉经消化处理后加水磨制成吸收浆液。在吸收塔内，吸收浆液与气接触混合，烟气中的与浆液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除，终反应产物为石膏。其反应原理可用以下化学反应方程来描述：

    CaCO3+SO2=CaSO3+CO2
    2CaSO3+O2=2CaSO4

    弘电脱硫工艺系统由三个子系统组成：#1炉系统， #2炉系统和公用系统。其中#1炉系统与#2炉系统的组成结构基本一样，分别负责来自1号和2号锅炉烟气的脱硫任务，按功能分成烟道功能子系统和吸收塔功能子系统。公用系统是指#1炉和#2炉共同使用的功能设备的统称，按功能划分为公用辅助系统、石灰石卸料与磨制系统和废水处理系统等。

    3、脱硫控制系统

表1 脱硫系统控制测点统计表

    表1给出了各个系统的输入输出点（IO）分配点数。

    根据上述脱硫系统的特点，整个控制系统也划分三个子系统，共采用三对西门子电气公司的西门子系列PLC300系列控制器组成冗余的控制系统和网络，控制器通过西门子系列N以太网模块与100M以太网交换机直接相联。控制系统配置了三台操作员站和一台工程师站，采用双机热备运行方式。附图为脱硫系统网络结构图。

    脱硫DCS系统运行时需要与#1、#2锅炉的DCS系统进行状态信号的交流，从#1、#2过来到达脱硫DCS系统的状态主要有：锅炉的负荷、锅炉油工作状态、锅炉煤层工作状态、锅炉吹扫、锅炉MFT以及电除尘的运行状态。从脱硫DCS系统传递到#1、#2锅炉DCS的信号有：旁路挡板、原烟气挡板和净烟气挡板的开关状态。这些信号都涉及到电厂锅炉的运行，所以锅炉DCS与脱硫DCS之间的接口采用硬接线方式。

    #1炉和#2炉设备是相对立的，它们共同调用公用系统中的石灰石供浆和石膏脱水子功能系统，#1炉与#2炉之间也存在着连锁保护，这些在#1炉、#2炉和公用系统控制器之间传递的信号通过Modbus-TCP协议传输，从而节省了重复的IO电缆铺设费用。

    脱硫DCS系统主要实现的功能有：数据采集系统（DAS），模拟量控制系统（MCS），组态软件和顺序控制系统（SCS）。

    （1）数据采集系统（DAS）

    数据采集系统按所选定的数据采集设备的采样速率，周期性地采集和处理现场设备和工艺的开关量和模拟量信息。并通过网络传输到上位机显示屏中显示，作为运行人员监视和操作现场设备的依据。

    数据采集系统的基本功能有：数据采集、数据处理、屏幕显示、报警声光显示、事件记录和追忆、历史数据存储检索及打印、性能在线计算等功能。

    数据采集系统是通过采集卡周期性扫描外部测点的状态，然后经过诸如正确性判断、工程量换算、限值判断等处理后，将处理过的信息作为新的数据写入数据库中。数据库乃数据采集系统的，脱硫DCS系统拥有两个数据库：一个是控制器数据库，另一个是上位机数据库。上位机通过Modbus-TCP协议与控制器联接，按一定的采样周期循环扫描控制器数据库的变化，并同时对上位机数据库与画面显示进行新。