西门子模块6ES7331-7NF00-0AB0千万库存

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汽车传动轴固定节是汽车驱动系统中一个重要的零部件，传动轴固定节的端面，如图1示。由于固定节中6粒钢球由工人手工进行安装，有可能发生少装的情况，如不及时发现，将出现质量问题，影响产品的正常使用和企业的声誉。因此根据厂方要求设计了此套系统，系统采用无损检测，运用图象处理与模式识别技术，对CCD拍摄到的图象进行处理，作出漏装与不漏装判断，并对漏装工件进行声光报警。

图1 汽车传动轴固定节端面

一、系统组成与控制过程

1. 系统组成

系统主要由机械部分、电气部分、控制部分组成。机械部分主要是完成零件的传送（从安装位置到检测位置，再送到下一个工序的加工位置）、定位（保证零件与摄像头的同心度）以及不合格零件的剔除；电气部分有传感器、汽缸等执行机构组成；控制部分采用PLC和工控机集成控制。系统硬件配置主要有工控机、可编程控制器、CCD摄像头、图像采集卡、I/O接口板、传感器等硬件及部分外围电路组成，它们的结构，如图2示。

图2 系统组成图

2. 控制流程

系统由工控机作为上位机，PLC作为下位机。系统的自动控制流程为：

工控机与PLC进行通信握手，表明一切就绪；

送料位置传感器检测到工件，发信号给PLC；

PLC根据测量位置传感器状态判断测量位置是否有工件；

如果测量位置没有工件，则PLC发信号驱动汽缸，放开送料挡块；

测量位置传感器检测到工件已经到达，发信号给PLC；

PLC进行延时，目的是让工件稳定有利于拍摄，然后发信号给工控机并延时，目的是让计算机进行图象处理与模式识别；

工控机执行程序由CCD摄像头摄取图像，由工控机实时处理图像，作出漏装或非漏装判断结果。把结果发给PLC；

PLC判断结果信息，如果全装且翻转位置无工件，发信号驱动汽缸放开定位挡块；如果漏装，PLC发信号驱动报和蜂鸣器，进行声光报警由工人手工剔除。

PLC判断下料槽是否可以下料，若可以则翻转工件进入下一道工序。重复顺序执行2～8，就达到了系统的自动检测。从执行过程中可以看到，前后两个位置都实现了互锁。系统控制流程，如图3示。

图3 系统流程

在这个系统中，实现了工控机与PLC的集成控制。工控机主要完成对图象的处理，PLC完成对现场控制信号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/O卡来实现。控制系统物理结构，如图4示。

图4 控制系统物理结构

二、系统硬件模块

系统硬件模块主要分为数据采集子系统，微机基本子系统，数据分配子系统及基本I/O系统。它们之间的结构，如图5示。

图5 硬件结构组成

1. 微机基本子系统

它是整个系统的，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

2. 数据采集子系统

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

3. 数据分配子系统

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

4. 基本I/O子系统

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

1. 上位机软件设计

上位机软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

(1) 初始化模块

硬件初始化

对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化

包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

(2) 数据采集模块

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

(3) 检测/控制模块

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

(4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

(7) 故障自诊断与处理模块

它是提高系统的性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机软件主要程序流程，如图6所示。

图6 上位机监控程序框图

2. PLC软件设计

PLC的程序采用了模块化设计方法，由主程序、手动控制程序、故障处理程序等模块构成。根据系统要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 输入输出信号

表1 PLC输入输出信号

(2) 梯形图编制

根据控制过程及输入输出信号编制出梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。同时，前后两个工件位置都进行互锁。部分梯形图，如图7示。

图7 定位工位梯形图

R001是内部继电器，表示选择“自动”，当PLC得到信号X010时，即传感器检测到定位工位有工件时，延时并输出允许摄像信号Y000，然后再延时2s（等待计算机作出判断）并且当翻转汽缸不在原位和翻转工位无工件时，输出工件可以离开定位工位信号。如果PLC接到计算机发出的“工件不合格”信号，即X014后，报警，直到按复位键停止报警。

四、计算机与PLC的通信

在计算机与PLC的集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信问题。在本课题中，对于计算机与PLC之间的通信，我们考虑了两种实现方法：一种是利用串口通信，另外可通过I/O卡来实现。由于串口通信在实时性、性、抗干扰性等方面都没有I/O卡好，又根据厂里具体情况，后还是选用了后一种方法。I/O卡即开关量输入输出卡，在此项目中，我们选择了PCL—724，24位数字I/O卡，传输速率为300KB/s。该I/O卡具有2个八位端口（A，B），端口地址范围为200H～3FFH，两端口都可以进行输入输出操作，在进行输入输出操作时，进行握手，因为数据可以直接写或读到设定的端口。由PLC输入输出信号表可以看到，PLC需要接收计算机3个信号，计算机需要接收PLC一个信号。它们的通信协议定义与地址设定，

1　现状

近十几年来，随着计算机技术的迅猛发展，PLC的功能和结构不断改进，应用范围从原来的逻辑控制发展到连续和分批量过程控制，以高、的特点，深受广大用户，特别是以PLC为基础的DCS发展快，目前PLC与DCS相互渗透，相互融合，相互竞争，已成为当今工业控制系统的生力军。

全国现有的大部分水泥企业生产设备落后，能源消耗高，污染较严重，自动化控制水平低，仍然采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式，影响了产品质量的提高。

目前由于纯DCS控制系统侧重于多种PID算法、比值控制、串级调节等功能，成本较高，而基于PLC的DCS控制系统(下称PLC控制系统)侧重于顺序控制等功能，成本相对较低。对于整个控制过程中以开关量输入、输出约占80%的中小型水泥厂来讲，从节省投资的角度来考虑，选择PLC控制系统是比较合理的。例如:目前700t/d的水泥厂控制系统采用DCS的投资大约需要250万元，而采用PLC控制系统只需190万元，节约投资约24%。表1列出了江西珠山水泥厂PLC计算机控制系统I/O点数分布情况，该厂PLC计算机控制系统开关量输入、输出占79.6%，投资为180万元。

水泥厂从项目立项开始到建成投产，通常要经过可行性研究、初步设计、施工图设计、软件设计、工程施工、单机试车、软件调试、联动试车、试生产等各阶段工作，其中施工图设计和软件设计阶段对整体控制水平起着决定性作用，软件调试阶段是通过对设计的修正和完善，达到设计目标。同样，若采用PLC控制系统，也做好这些工作，才能实现水泥厂各阶段的过程衔接，使工程项目有条不紊地进行下去，从而保证顺利建成投产。下面我们结合实例，从施工图设计、软件设计、软硬件安装调试方面进行分析和探讨。

2　施工图设计


2.1　控制方式及设备选型

水泥厂生产过程自动化控制包括顺序控制和过程控制两方面。顺序控制主要是实现对全厂进入PLC的电动机、电控设备进行成组起动、停车以及设备运行时的相互联锁等；过程控制主要是实现对全厂进入PLC的温度、压力、速度、流量、料位等工艺参数进行采集，并通过对诸如阀门开度、速度给定等对生产过程进行调节和控制。

2.1.1　控制方式选择
水泥厂的电动机控制方式有两种，集中控制方式和机旁控制方式。
选择集中控制方式时，计算机根据工艺流程图及保护要求，将按预先安装好的程序，由操作员对需要的分组进行起停控制。
选择机旁控制方式时，人工在机旁单开、停机，以利于单机试车。
选择零位控制方式时，集中和机旁均不能开车，以确保检修人员的。
设备出现严重异常或伤害事故时，机旁可以立刻停车；同样，中控室可以进行一个子系统范围内的紧急停车。
2.1.2　电气设备选型

本着技术成熟、运行、指标、经济合理的原则，又充分考虑到国内电气设备的制造水平及现状，主要电气设备及元器件采用进口产品或引进技术生产制造的产品。对要求调速的场合，目前较多采用交流变频调速装置，滑差电磁调速装置已逐步趋于淘汰。少数容量大且对起动力矩要求较高的地方，如窑主传动、冷却机等可采用直流调速装置。

为了提高性，随设备配带的控制箱、控制柜，如稀油站、除尘器、水电阻柜以及高压开关柜等均采用小PLC或常规的继电器完成其自身必要的顺序控制和过程控制，并安装控制方式选择开关，提供给计算机远方控制方式接口，以尽量减少主控系统的开销，并可就地试车。

2.1.3　自动化设备选型

压力变送器尽量选用测量范围大的产品，减少型号种类，以方便日常维护或备件准备。一般场合的温度测点选用热电阻、热电偶监测元件，大型机械设备或大型电动机的保护热电阻温度信号，如回转窑托轮、主电动机绕组温度等热电阻信号，全部进入计算机由中控室集中监视。窑筒体测温装置、窑尾预热器一级筒出口处气体分析仪、生料质量控制系统、窑头和篦冷机用监控工业电视系统通常为立完整的监控系统，其部分必要的信号应进入计算机。

2.2　计算机控制系统

计算机系统应选用开放性集散型控制系统。目前PLC控制系统已经能够实现集散控制的功能。

表2例举了PLC集散控制系统在水泥工业中一些实际应用情况，这些厂现均已正式投产，计算机控制系统运行状况良好。
由于各厂的系统构成很相似，下面以某700t/d水泥厂为例作简要介绍。

系统采用美国Modicon公司的Quantum系列可编程控制器组成集散控制系统，对主要工艺流程生产线的设备进行控制。结合本厂工艺流程及生产特点，全厂共设四个现场站和4个操作站(含工程师站)，控制范围从工艺生产线的原料调配站、生料制备、烧成系统、煤粉制备至水泥制成车间，各现场站及中控室均配有UPS备用电源。

2.2.1　计算机运行环境及系统配置
操作系统:Microsoft bbbbbbsNT中文版
组态软件:Monitor Pro开发版
运行软件:Monitor Pro运行版
系统配置:Pentium-II400，64M内存，4.3G硬盘，3.5″软驱，32速光驱，
Philips 21″彩色显示器
通讯网络:Modbus+(Modbus Plus)
下位机软件:Concept Version2.1 XL

2.2.2　控制管理级
控制管理级是由1个控制室和1个局部控制室的多台操作站、工程师站等组成。
控制室:设置3台操作站，分别作为生料粉磨、烧成窑尾及烧成窑头工艺过程的监视、控制用，操作站间互为备用。其中1台操作站兼作工程师站，可用于软件开发和调试之用。

局部控制室:由于水泥粉磨车间位置距离控制室较远，且工艺上立性较强，因此单设置一台操作站，作为水泥粉磨工艺过程的监视、控制用操作站，该操作站于本车间操作之用，控制室的工程师站作为备用，经授权能够实现该操作站的操作、软件开发和调试任务。

2.2.3　过程控制级
过程控制级包括生料粉磨控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站和水泥粉磨控制站，实现对所辖设备的过程控制和顺序控制。

2.2.4　通讯网络
计算机网络系统将过程控制站、操作站以及工程师站相连，达到集散控制系统的分散控制、集中监视和操作管理的目的。

3　软件设计

计算机系统的软件应具有以下功能:
1)开关量和模拟量数据的采集和处理；
2)电动机和成套电控装置的顺序起动、顺序停车、故障复位以及设备联锁等；
3)PID回路的控制及参数修改；
4)阀门控制及各种给定操作回路的控制；
5)具有动态参数和动态符号的工艺流程图画面的显示；
6)实时趋势曲线和历史趋势曲线画面的显示；
7)异常工况的报警窗口显示及报警报告打印；
8)工厂日、月、季、年及随机报告打印。

计算机系统的需要安装的软件通常分为两部分:上位机组态监控运行软件和下位机运行软件，一般由计算机制造商负责提供。软件的编制设计也就相应分为上位机和下位机两部分进行。1)～3)项通过下位机软件编制实现，4)～8)项由上位机软件设计完成，这两部分应充分衔接。

该计算机控制系统的软件功能及特点如下:操作员通过操作站上显示的工艺流程及控制画面，可随时监视全厂的电气设备运行情况，在起动画面内对各车间的电气设备分组进行集中起停控制，必要时可由工程师站在线监控、强制电气设备运行和修改有关设定参数；对全厂的热工参数和电气设备的运行状况进行监视、控制，并可以通过打印机输出各种生产报表和报警信息。

3.1　流程画面
流程画面是操作的主要界面，操作员可在流程画面上对每一个过程参数进行实时监控，并作出相应操作以保正常生产。画面上部分设备具有动态显示效果，操作员可在操作站上对全厂生产过程进行监控。画面的切换方式是通过用鼠标点按相应的流程画面切换按钮，或利用功能键来快速切换。

以不同颜色的头线表示气流、料流的方向；储库与料仓剖面图形中的色显示料位的变化，并设有料位报警；参数的位号及量程范围实时显示；阀门操作面板可显示现场测量值和开度设定，并具有时报警和复位功能；转速操作面板可显示测量值和速度设定值。

3.2　配料控制

生料和熟料配料系统均可完成系统起停、选秤、显示运行状态、瞬时流量、设定流量等功能。

3.3　设备起停

通过工艺流程画面，打开相应的“设备起停”控制面板，可实现对各车间的设备进行分组起动和停止，并通过电动机上的指示灯来显示各设备电动机的运行状态。按工艺要求的不同每个操作站分为若干组进行起停操作，并且开停机均设有必要的时间间隔。

3.4　电气联锁
设备控制方式分为机旁单机控制和集中联锁控制两种。正常生产时，每组电气设备均须切换至集中联锁控制方式，程序中设有设备状态检查、设备组状态检查、起动及运行中设备过程联锁控制等。参加联锁控制的某台电气设备在起动或停机出现误操作时，该组设备均不能起动或停机。

3.5　紧急停机
可按车间实现紧急停机，先弹出一个确认子窗口，按确认键使操作生效，或按取消键取消该操作。

3.6　报警窗口

报警窗口位于各流程画面的底部，显示当前报警信息。报警窗口包括报警显示、报警信息确认键及报警综合画面切换键。

3.7　报警一览画面
包括报警设备名称、工艺编号、电气编号及日期时间，分为报警信息显示区、报警信息筛选区和信息确认区。可实现对报警信息选择、确认、滚动查找，按故障类型或区域筛选和排序。对新到、已确认、已消失的报警信息条采用不同的颜色显示。

3.8　实时趋势和历史趋势曲线
可观测到相应测点的实时趋势曲线。在相应车间的历史趋势模式下，可对以前15d的测量数据按日期和时间进行查询，可实现曲线平移、曲线放缩、用显示网格方式观察曲线上某点的测量值大小。

3.9　分解室喂煤量自动调节回路
该调节回路通过对窑尾分解室、混合室及五级预热器出口温度的监测来控制分解室喂煤量，从而使窑系统工作于正常温度范围内，节省用煤量，提高热效率，稳定熟料质量。该调节回路还通过对煤粉仓煤粉密度的给定来计算给煤量，显示有关参数的趋势曲线图，并设有手动方式。

3.10　系统功能画面
系统任务分为共享和用户两种。共享任务包括:共享任务运行指令、数据保留、计时器、解释性程序、报警登录、报表打印、EDI(外部设备接口)、计数器、数据库和打印机等；用户任务包括:用户任务运行指令、图形运行、数据保留、报警一览、解释性程序、计数器、趋势记录和数据库等。
此外还有屏幕打印和报表打印功能。

4　软、硬件安装调试步骤

1)按设计选型及配置要求检查到货硬件；
2)按规范和计算机自身要求处理系统接地和屏蔽接地，以避免对系统干扰；
3)按规范和计算机自身要求完成接线工作并核对接线的正确性；
4)对计算机系统硬件进行通电测试检查，发现问题及时处理；
5)安装系统软件，进行网络通讯调试；
6)安装已编制好的工控应用软件，并进行组态和下装；
7)采用在线监控和强制方式进行开关量和模拟量数据采集回路的测试，发现问题及时查找原因和处理；
8)如条件允许可全部或部分进行模拟控制运行试验；
9)系统投入运行，进行联动试车，并对其技术性能进一步和完善；
10)系统验收交接，由厂方操作人员立进行日常操作和维护。
在现场实际施工过程中，电气设备单机试车与计算机系统的安装调试大多同步进行，要求在软件编制过程中，熟练掌握好软件编制的方法，以便完成现场调试过程中的修改和完善工作。

5　结束语

对于国内许多新建或准备改造的中小型水泥厂，采用基于PLC的DCS控制系统，对生产线上的主要车间进行集中管理、分散控制，可降低一次性投资，减少管理环节，提高生产线运行的性，降低企业产品综合成本，提高产品在市场上的竞争能力。另外，随着PLC技术水平的提高，其计算能力、响应速度、联网能力、灵活性和可维护性已经达到或过了传统的DCS，性能价格比有了大的提高，从而进一步推动了PLC控制系统在中小型水泥厂的应用。

一．三菱变频器的设置

PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格在变频器的初始化中设定，如果没有进行初始设定或有一个错误的设定，数据将不能进行传输。

注：每次参数初始化设定完以后，需要复位变频器。如果改变与通讯相关的参数后，变频器没有复位，通讯将不能进行。

参数号 名称 设定值 说明

Pr.117 站号 0 设定变频器站号为0

Pr.118 通讯速率 96 设定波特率为9600bps

Pr.119 停止位长/数据位长 11 设定停止位2位，数据位7位

Pr.120 奇偶校验有/无 2 设定为偶校验

Pr.121 通讯再试次数 9999 即使发生通讯错误，变频器也不停止

Pr.122 通讯校验时间间隔 9999 通讯校验终止

Pr.123 等待时间设定 9999 用通讯数据设定

Pr.124 CR，LF有/无选择 0 选择无CR，LF

对于122号参数一定要设成9999，否则当通讯结束以后且通讯校验互锁时间到时变频器会产生报警并且停止（E.PUE）。

对于79号参数要设成1，即PU操作模式。

注：以上的参数设置适用于A500、E500、F500、F700系列变频器。

当在F500、F700系列变频器上要设定上述通讯参数，要将Pr.160设成0。

对于S500系列变频器(带R)的相关参数设置如下：

参数号 名称 设定值 说明

n1 站号 0 设定变频器站号为0

n2 通讯速率 96 设定波特率为9600bps

n3 停止位长/数据位长 11 设定停止位2位，数据位7位

n4 奇偶校验有/无 2 设定为偶校验

n5 通讯再试次数 - - - 即使发生通讯错误，变频器也不停止

n6 通讯校验时间间隔 - - - 通讯校验终止

n7 等待时间设定 - - - 用通讯数据设定

n8 运行指令权 0 指令权在计算机

n9 速度指令权 0 指令权在计算机

n10 联网启动模式选择 1 用计算机联网运行模式启动

n11 CR，LF有/无选择 0 选择无CR，LF

对于79号参数设成0即可。

注：当在S500系列变频器上要设定上述通讯参数，要将Pr.30设成1。

二．三菱PLC的设置

三菱FX系列PLC在进行计算机链接（协议）和无协议通讯（RS指令）时均需对通讯格式（D8120）进行设定。其中包含有波特率、数据长度、奇偶校验、停止位和协议格式等。在修改了D8120的设置后，确保关掉PLC的电源，然后再打开。

在这里对D8120设置如下：

RS485

b15 b0

0000 1100 1000 1110

0 C 8 E

即数据长度为7位，偶校验，2位停止位，波特率为9600bps，无标题符和终结符，没有添加和校验码，采用无协议通讯（RS485）

某市自来水公司为解决市区的部分供水，引进德国的资金和设备建立了一套供水工程系统.
原有系统构成：
（1）本地站,采集水厂的设备状态,采用西门子S5-115U.
（2）取水和1号加压泵站，采用西门子S5-115U
（3）2号加压泵站控制系统，采用西门子S5-115U
（4）在市内的东南西北和处和处安装了测量水管压力站，采用西门子S5-100U。用抄表的人工方式来记录设备状态
用户需求：
随着时代的进步，和对工艺的进一步的要求，要实时对各个站的管道压力、流量及各个的阀门开关的状态进行监视和控制，从而降低了故障率和提高了对此系统的反应时间，好保证城市供水。并把各个站的所有设备的数据送到监控站里，进行监控，和电子统计。
实现方案：
在水处理厂站与各个泵站和测压站之间，由于距离较远达几十公里，我们决定采用无线电通讯方式，并且因为大山的阻碍，在取水1号加压泵站，2号加压泵站控到站之间，设立了中继站进行转发。而水处理厂站与6个市内的测压站之间由于距离较近直接通过无线电通讯。
这个项目的主要问题是无线电通讯的任务，如何在已有的S5系列的设备上，加上无线电通讯呢。根据现有的实际情况，在不动原有西门子S5-115U的基础上，决定在此基础上加入西门子的Sinaut产品的ST1系列模块来实行无线电通讯。Sinaut ST1是基于SIMATIC S5的程序控制的系统，由硬件模块和软件软件模块组成。适用各种自动化的任务，完整的无线电通讯方式，允许到或近或远的地方。数据能够通过专线，或者各种PTT网络（GSM,ISDN,拨号Modem,无线电通讯等）等方式传送。
Sinaut ST1硬件包括，TIM模块(遥控接口模块，即S5-PLC通讯功能模块)，modem（ 用于数字量和模拟量相互转换）,无线电台（无线电发射装置）。软件是Sinaut TD1软件包。这样我们在STEP5的基础上，用TD1这个扩展软件包进行对硬件TIM板编程。把水处理厂站作为主站，其他站作为从站。以直接轮巡的方式逐个采集各个从站的信息，并且这样的方式只有当从站发生数据发生变化时，才进行数据的传递，大大的加快了数据的新速度和硬件设备的使用寿命。
系统图如下：

上位机显示:
我们采用监控组态软件， 从站的PLC中采集数据，实时的反映整个系统（本地站，无线电远程站）的状态。主要显示部分包括：水厂控制工艺图、运行状态表、报警和历史数据的查询，统计报表、趋势图。控制工艺图反映水厂的各个泵站的运行状态，并且以动态的图形、数据和实时的现场保持一致，运行状态表中反映主要设备的开关状态、现场仪表的参数、累计值（流量，水位，浊度 ，温度,PH,压力等）。报表，每天打印一份主要设备的状态的日报。除了在显示器上显示外，并且把主要数据显示在电子显示屏上。 此系统投运以来一直正常工作，达到了预期的实施效果。

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