西门子模块6ES7313-5BG04-0AB0型号含义

西门子模块6ES7313-5BG04-0AB0型号含义1、引言

锦纶厂聚合车间粒料输送装置是整个锦纶生产装置中的一套重要的设备。随着微处理器，大规模和大规模集成电路的发展，过程控制领域中，传统的常规仪表监控设备、继电逻辑控制器很大程度上被PLC所取代。如何充分利用PLC硬件、软件资源，用较低费用获得的自控系统便是自动化人员面临的现实问题。由于锦纶厂原系统采用继电逻辑控制，控制系统性能不稳定，故障多，维护困难，因此须对原设备进行改造。本文应用SIEMENS公司生产的SIMATIC S7-200型可编程控制器，研制了一套符合锦纶厂聚合车间生产工艺要求的PLC控制装置。设计过程中，充分利用PLC本身资源，大大减少设各故障率和设备占地面积，发挥系统的。

2、工艺流程

锦纶化纤生产过程中的聚合车间，是整个生产过程中的一道关键工序，当上道工序把其加工出来的粒料送入聚合车间的下料罐后（如图1），通过控制下料阀，使物料进入输送罐，然后利用压缩空气把加工好的粒料输送至下一道工序。整个工艺过程中须考虑到与上、下道工序的协调控制问题：1.检测空压机是否正常运行，压缩空气压力是否正常，以便加工后的物料送走。2.检测下一道工序所要求的氮气压力是台正常，在系统无故障时，控制装置可工作于手动或自动工况，否则以声光报警，提示操作人员，以便进行处理。

3、PLC控制系统硬件设计及工作原理

按系统要求，保证操作人员的现场控制能力，设计“手动”和“自动”两种控制方式进行控制，用一个方式转换开关进行转换。

“手动”方式时，需采用对应的按钮“手动下料”、“手动”输送去控制相应的电磁阀。“自动”方式时，要求系统在启动后按规定的时间与顺序，依次进行“下料”与“输送”。即EV1阀得电，开启“下料”阀，一定时间后关闭，启动EV2进行“输送”，再过一定时间后再启动EV1，如此周而复始，直至接到“停止”指令。同时系统在EV1得电时，EV5亦得电，EV2得电时，EV3亦在｝电，以便同时进行氮气的“充气”与“排气”（如图1）。

按系统要求，为便于整个工艺流程操作管理的集中性，我们设计了既可在现场进行近地“启动”与“停止”的方式，也可远地进行“启动”与“停止”。

该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着实时响应快，操作管理集中，便于集中管理。

控制系统框图如图2所示，PLC通过系统的现场状态输入、控制面板和外部输入指令决定系统运行方式，并能显示系统状态。

4、PLC软件程序流程图与梯形图设计

我们选用的SIMATIC S7-200型可编程控制器I/0点数多，编程指令丰富，程序内存大，并配有相应的编程软件STEP7-Micro/WIN，可通过PC进行编程，然后下载输入PLC，这种软件还能在PLC运行时监控其运行状况。指令系统具有很强的通讯功能，可与上位机或PLC之间进行通讯。

根据系统要求，编写了系统软件。程序流程图和梯形图分别如图3、图4所示。程序由主程序和两子程序组成，主程序实现系统初始化、检测、判断，子程序分别实现手动和自动控制。程序中编写了定时程序，使内部定时器按规定的时间动作，去控制下料阀和输送阀以及脉冲和旁路阀的开通和关断时间。为了方便现场人员调整下料时间和输送时间，本文利用CPU215主机配置的模拟电位器作为下料和输送时间的设定，软件编程时将模拟电位器对应的特殊存储器内容送入相应定时器。调节电位器可调整定时器定时值。

在程序的编写过程中，充分考虑到PLC的特殊的程序执行方式。由于PLC采取的是顺序扫描方式，因此PLC语句放置的顺序将会影响到输出，有时会偶尔出现与平常不一致的，甚至可能会出现与设计逻辑不同的结果。本文所讨论的程序充分考虑到这种情况。

本文介绍的典型数控铣床主要由机床操作面板、X、Y、Z 三个直线坐标轴、上轴及机床的液压、润滑、冷却系统等机床辅助功能组成。机床的电气系统包括数字控制系统(CNC)、数字伺服驱动系统、主轴变频调速系统及机床输入输出PLC控制系统等。
本电气系统主要完成人机对话和对三坐标机床坐标的进给、主轴的运转以及机床的液压、润滑、冷却系统等的控制。该机床的三个坐标采用HEIDEHAIN直线光栅尺全闭环反馈方式，机床主轴为电主轴，使用施耐德变频器控制，针对该机床的结构特点，其电气控制系统配置了法国NUM公司的NUM1050全数字数控系统，伺服驱动配置相应的MDLUNUMDRIVE数控式伺服驱动系统。
这台三坐标机床的PLC 控制程序是利用NUM1050全数字数控系统的内置式PLC功能，并配以相应的软件平台开发出来的。因而PLC程序的灵活性和易维护性与NUM1050数控系统的有密不可分的关系。
1 NUM1050数控系统
NUM1050是一种开放式的、功能强大的数字控制系统，采用64位的CPU68040，用于数据的处理和坐标的控制，具有处理速度快、位置控制精度高等特点。
系统中的图形功能管理CNC面板显示和键盘：内存用来存储操作程序、PLC程序和用户文件：强大的通讯功能使CNC既可通过RS232串口又可通过网络接口与上位机进行通讯：轴控板用于控制数字轴或模拟轴的运动：内置式PLC通过输入/输出模块管理机床：CNC软件则管理加工程序、机床数据、计算机轨迹和速度以及监控坐标轴的运动。
2 NUM1050内置式PLC特点
PLC使用NUM系统提供的输入/输出接口与外界进行数据交换，通过PLC的扫描周期刷新存储区内的数据，PLC读取数据是通过%I变量，而PLC输出给外界数据是通过%Q变量进行的。
内置式PLC与NC之间则通过交换区交换数据，交换区中的内容是NC与PLC之间输入/输出的数据。NC输出给PLC的数据，PLC通过%R变量从交换区读取，PLC发送到NC的数据是通过%W变量放入交换区，由NC去读取，其扫描周期由系统自动执行。%R和%W所有变量的各字节和位都有特定的含义，专门提供给PLC用来控制NC的运行，并协调外接设备与NC之间的动作。
3 NUM1050 PLC程序结构特点
NUM数控系统的PLC编程有梯形图、汇编语言和语言(C语言)几种方式，其程序都采用任务模块和子程序模块来设计。PLC程序的任务模块包括：%INI、%TS0～4、%TF0～15、%TH0～15。子程序模埠%SP0～255，这些子程序可以由模块调用或子程序间调用。各模块的功能如下：
初始化任务%INI：系统每次上电时执行一次。
循环任务%TS：系统先执行%TS0，再按顺序执行TS1～4。%TS0的执行周期等于每个RTC(实时时钟控制)周期，即20ms，%TS1～4每5个RTC周期(100ms)执行一次。
后台任务%TS 比循环任务%TS和中断任务%TH的权低，可用于等待任务的使用。后台任务可持续数个RTC循环周期，可以被循环任务中断。
中断(实时)任务%TH用于权较高的事件而不必等待RTC循环的结束。中断(实时)任务%TH比循环任务%TS和后台任务%TF的权高。
错误信息表%9999.9：机床错误信息文件。
4 三坐标数控龙门铣床PLC程序的设计与实现
PLC程序的设计离不开良好的软件平台和硬件环境，NUM1050数控系统为机床生产制造者提供了丰富的软件资源和强大的软件开发工具。如PLCTOOL，SETTOOL，PCTOOLKIT等。它们都是基于bbbbbbS平台上使用，为机床电气控制系统开发带来了大的方便。其中PLCTOOL可方便地进行PLC梯形图或语言C的编程，备有丰富的指令集与计时器、计数器单元，图形化的界面，使用操作灵活方便。这台三坐标数控龙门铣床的PLC程序正是在PLCTOOL软件平台上开发设计出来的。考虑到实际的应用，这台三坐标机床采用梯形图语言设计PLC程序，其优点是直观，可以动态显示，易于调试和维护。
利用NUM1050数控系统提供的输入/输出模块和机床操作面板，可以非常方便地控制机床的运动及其他功能，因为机床操作面板带有可供编程的自定义键。NUM系统提供的机床操作面板通过光缆与系统相连，提高了性。
根据NUM1050的PLC程序结构特点，在设计这台三坐标机床的PLC程序时，将该机床的各项功能分配给不同的模块控制。因该机床无特殊的中断任务，所以设计程序时使用了初始化任务%INI、循环任务%TS和子程序模块%SP。%TS0的扫描周期为20ms，所以将重要的子程序放在% TS0中调用，机床的辅助功能如液压、冷却、润滑等则在任务模块%TS1～3中控制，机床的坐标、主轴及相关部分的控制由梯形图的子程序%SP模块承担。三坐标数控铣床的PLC程序结构及每一模块介绍如下：%INI：系统在其它执行前调用，仅在PLC上电时执行一次，不受PTC循环控制，主要对一些变量进行初始化。%TS0：调用子程序。%TS1：控制机床辅助功能导轨润滑和液压系统。其中导轨润滑周期由PLC程序中的定时器控制。%TS2：控制机床冷却系统。可以在机床操作面板上选择自动冷却和手动冷却。%TS3：控制机床主轴的松和夹紧。%SP0：用于控制机床操作面板上的指示灯闪烁。NUM1050系统提供的机床操作面板上的自定义按键大部分带有指示灯，在使用一些需要特别提醒的功能时，其按键采用指示灯闪烁的方式，以示醒目，如机床故障复位键、换完成键等等。%SP2：控制机床操作面板的自定义按键。操作面板的自定义键经过PLC编程才能生效，而按键的功能则根据机床的需要来定义。根据用户的要求，这台三坐标数控龙门铣床的操作面板上设计了机床启动、冷却控制、主轴启停、换完成、机床故障复位等功能。%SP3：控制坐标运动及坐标限位的检查。%SP4：M 功能译码，该模块用于定义换结束的M06功能。%SP5：控制坐标轴伺服使能。%SP6：该模块控制主轴部分的所有功能，包括主轴冷却、主轴润滑、夹紧、主轴电机、主轴变频器等。%SP20：机床故障信息的显示控制。当机床出现故障时，在显示页面需要及时显示故障号和故障内容，当机床出现多条故障时，系统便可以按顺序显示故障，每条故障显示的时间在本子程序模块中设置。该模块被其它相关模块调用。
这台三坐标数控龙门铣床的所有功能和控制均由以上各模块实现，其中%SP2、%SP3、%SP5和%SP6是这台机床PLC程序的。用模块化方式设计PLC程序，可以对每一模块进行单调试，提高了机床调试的效率，当调试过程中出现问题时，可以很快找到问题所在，而且机床的不同功能用不同的子模块来表示，程序结构一目了然。通过对每一个子模块的单调试和终的机电联调，都证明了这套PLC程序的设计思想和方法是行之有效的。
5 小结

这台三坐标数控龙门铣床经过紧张调试后，机床工作正常，符合要求，机床达到验收标准。实践证明，这台三坐标机床的控制软件设计是成功的，并且设计开发的有些基本模块还具有良好的可移植性，在以后使用NUM1000系列数控的典型数控机床PLC梯形图设计中稍加改动使可加以使用，对以后同系列数控机床的PLC控制软件的设计打下了良好的基础。

1、引言

蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。

某有2台20T燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则2台锅炉同时运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉同时运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量大。由于2台锅炉分别由2套DCS系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害。

2、变频改造方案

基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示

在本方案中，充分利用了锅炉层有的DCS控制系统，同时增加了变频器、可编程序控制器（PLC）和控制信号转换装置。

（1） 硬件控制系统

a） 西门子MM430变频器

MM430变频器是西门子公司新研制生产的一种适用于各种变速驱动场合的变频器（调试简单、配置灵活），它具有新的IGBT技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。

b） 西门子S7-200型PLC

西门子S7-200型PLC性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定的工作。适应性强，应用灵活。

（2） 当1台锅炉运行时

由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。

将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有DCS控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，同时，将该锅炉汽包液位信号切入PLC，让PLC将该锅炉汽包液位信号进行PID运算处理后，再由控制信号转换装置，将PLC输出的4～20mA模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。

在本控制过程中，关键的是过程参数PID （P:比例系数I:积分系数、D:微分系数）的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水流量的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成，在调试过程中，应多次反复调整PID参数，直至出现控制过程。

（3） 当两台锅炉同进运行时

由于2台锅炉分别由两套DCS系统控制，在运行过程，虽然蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。因此，单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图（图1）我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套于2台（或2台以上）锅炉同时运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。

当2台锅炉同时运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保给锅炉汽包供上水，就要求给水的压力始终蒸汽压力，由图2我们看到，由PLC采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过PID运算处理，输出4～20mA的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样虽然可以保证给水母管压力始终锅炉蒸汽压力（压力差的大小可以通过PLC在一定范围内任意调节），但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有DCS控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水流量等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水流量。

此方案由于存在阀门的调节，所以上不能大限度的节能降耗，但实际中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不锅炉的运行。

3、PLC

PLC是本系统的控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行PID运算的子程序，原理图和程序框图如图3、图4所示。

4、注意事项

（1） 由于变频器产生高次谐波，会对通讯产生干扰，同时由于PLC采集模拟信号，要进行A/D和D/A转换处理，在此过程中，受到变频器高次谐波的影响而失真。因此，将变频器零地分接且加装液波装置，对PLC用隔离变压器供电，将PLC安装于距离变频器较远的位置上。

（2） 本系统所需液位、压力等模拟信号均采至锅炉原有控制系统，为了不影响原控制系统的性与完整性，应将原有模拟信号通过隔离分路端子分路后采用。

（3） 锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节之一，其运行的稳定性与性直接关系到整个锅炉系统乃至整个生产运行的稳定与。因此，一旦变频器出现故障而停车后，系统可自动切换至原有工频控制系统而不影响生产，这一联锁措施至关重要。

5、结束语

（1） 变频调速是电气传动系统工程，而变频器只是其中的一部分，变频器容量、类型的选择，电气保护回路和控制回路的设计关系到变频调速系统应用的性、性和性。

（2） 变频调速系统是基于微、电力电子、机、自动控制和电机等技术上而来的，有其性，但也有其不足和缺点，如电磁干扰，高次谐波的寄生电容，以及低速运行时的电机温升等。

（3） 变频调速技术以其节能、环保、方便、工作等优点，在企业中得到广泛应用。若将其再与计算机技术的结合起来，实现资源共享，统一管理，则会进一步节能降耗，提高产品质量和生产稳定性

热压机是胶合板生产的关键设备，直接决定胶合板生产的产量和产品质量。传统胶合板热压机的控制系统是以继电器为主控元件，很难满足热压工艺所需的压力和流量的控制，也直接影响热压机的性和性。为此，笔者提出采用可编程控制器（PLC）替代现有控制线路，使之系统设计尽量简化，满足企业生产的需求。

1、PLC在热压机控制系统中的应用

国内胶合板生产一般都采用多层框架式热压机，为使压制的胶合板板面平整、厚度均匀，热压板需采用多只油缸提升，压板过程的闭合、加压、保压及装板机的升降，都是通过液压系统和油缸得以实现，使得控制油路的电磁阀增多；设备中的温度、压力、流量均采用中间继电器、接触器、时间继电器等控制，使控制线路为复杂。由于胶合板的热压板采用蒸汽加热，难免有蒸汽泄漏，使车间内湿度增大，造成控制线路故障率高。

为提高生产效益，保证胶合板的质量，要求热压机控制系统的自动化程度高、性强、性好。在热压机控制系统中采用PLC控制，可省去几乎全部的时间继电器、中间继电器，接触器之间的触点联锁也可由PLC内部实现。而且，PLC采用了现代大规模集成电路，及技术严格的生产制造工艺，内部电路采用了的抗干扰技术，具有很高的性，平均无故障时间高达30万h。PLC的使用，使得热压机控制系统的性大为提高。

2、PLC控制系统的设计思路

要满足设备在生产中的性。因原设备控制部分元件多，控制线复杂，排查故障非常困难，为此，可以考虑热压机油缸升降的控制部分采用PLC控制，在满足要求的情况下，尽量减少输入点和输出点，使得整体设备性提高；另外，考虑到设备检修、保养和对新的板种的试生产，需要在控制线路中加入手动、自动转换开关；在检修时，为防止升起的压板因误操作发生位移，加装了保护开关，当开关置于保护状态，即使发生误操作，因有电气互锁，也不至于使压板发生下移。基于以上设计思路，根据压机工作流程，确定了17个输入点和14个输出点，共31个点，采用欧姆龙C40P产品（该型产品有24个输入点，16个输出点）Ez3。图1示出胶合板热压机的PLC输人输出点分配情况。

图1 PLC 输入输出点分配

结合该系列压机特点，设计了控制线路，并编制了控制程序；输入和输出量编址见表1。

表1 胶合板热压机各输入输出编址

3、工作原理与控制过程

以快速贴面压机为例。该系列热压机共装有4个油缸，油缸置，液压油路需用6只电磁阀控制，因设计的热压机规格不同，油泵电机的功率从10～22 kW不等，为减小电机起动电流，设计为Y／△起动。胶合板板坯采用小车载入，小车承载部分可单方向运动，小车退出时板坯自动滑落在压板上。小车驱动电机由变频器控制，可实现小车快进、慢出。

图2为快速贴面胶合板热压机工艺流程，图3为 PLC控制的部分梯形图。

图2 快速贴面热压机工艺流程

图3 PLC控制梯形图

控制油缸的电磁阀有6只，其中1只1DT为总进油阀；每2个油缸上部、下部油路各自并联，分2组，每组各有1只上部进油阀3DT、5DT和1只下部进油阀2DT、4DT，还有一只总回油阀6DT。

油缸下部进油，柱塞上移；其上部进油，柱塞下移。即当1DT、2DT、4DT工作时，压板上升，1DT、3DT、5DT工作，压板下降并加压；6DT工作时，油缸卸荷。液压油泵用三相交流异步电动机驱动，为降低起动电流需要降压，采用Y／△方式起动，转换时间为2～5 s。油泵工作正常3 s时，压板上升到位（设上限位开关）后，压板停止上升；此时装板小车载板坯快速进入，到达设定位置后，小车卸板坯并开始后退，碰到后退限位开关后停止后退。

在小车卸板后退的同时，压板开始下降，当碰到下限位开关后，停止下降，开始保压并计时，随着油压的升高，动、定压板之间压力增大，当达到设定上限压力时，电接点压力表上限开关断开，停止加压。由各组电磁阀自动控制热压时所需压力，实现保压直到热压结束，开始卸荷，3 s后压板上升。由人工完成卸板。

为了起见，在控制线路中加装转换开关，在压机上升控制电路中要加入保护装置，当压板上升到位时，手动合上此开关，检修设备时不会因误动作而使动压板下降伤人。同时，在加压保压控制电路中，加入了压保护开关，目的是防止油压达到压力上限后继续加压。若压，此开关自动断开，电磁阀失电关闭，停止加压。当压力下降到值时，此开关重新闭合，系统控制恢复正常。

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