西门子代理商-以太网代理商-大量

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1 引言

为了进一步调整产业结构，提高安钢集团公司的经济效益，由武汉设计院设计建造的6流小方坯连铸机2000年6月投产竣工，后又经过两次较大规模的技术改造，该工程自动控制系统技术、价格合理，运行性能，电仪一体化程度高，运行几年来，运行效果一直很好，2003年产钢达80万吨。

2 PLC自动控制系统功能介绍

根据生产工艺的要求，自动化系统分为一级自动化和二级自动化控制，其中一级自动化为基础自动化级，是一套完整的电/仪一体化控制系统，连铸机每流设置一台德国西门子公司的S7-300系列PLC控制器，公用设备采用一台S7-400 PLC，电磁搅拌系统采用ABB公司的PLC，1～3流，4～6流液面控制系统各有一台S7-300 PLC，另设两个CRT操作站，其配置柜图如附图。

一级自动化的主要作用，一是完成各工艺装置的逻辑控制和操作，工艺参数的设置;二是工艺参数、设备状态的显示和报警及工艺流程画面的监控;三是过程控制及计算机的通讯等。该系统的主要特点是:采用电/仪一体化设计，结构严谨，自动化程度高，S7系列PLC数据处理能力和逻辑运算能力非常大，编程灵活，抗干扰能力强，使用维护方便等。

（1） 传动部分
对拉矫机、大包回转台、振动电机等需要调速的设备采用西门子公司的6SE70系列矢量控制变频调速装置，电磁搅拌采用瑞典ABB公司生产的可控硅逆变器柜组。

（2） 铸机公用PLC的功能
大包回转台包盖升降施转控制;中间包车行走、升降控制;风机控制;液压系统控制;连铸机水系统电动阀门控制;推钢机和翻转冷床控制;工艺过程的数据采集;相关设备逻辑关系联锁控制;铸机运行状态信息控制等。

（3） 铸流PLC功能
结晶器振动控制;拉矫机拖动控制;引锭杆传动控制;切割车控制;铸流辊道拖动控制;二冷水控制;故障报警等。

（4） CRT操作站画面
采用西门子产品Wincc组态软件，其主要功能为:生产过程的操作和参数修改;工艺流程画面显示;故障报警画面显示、报表打印和过程值趋势图显示等。

系统控制分为自动控制、手动控制和维修控制三种方式。自动控制分为过程计算机控制和电气自动控制两种。选择过程计算机控制方式后，控制的设定值来自二级计算机。选择电气自动化控制方式后，系统按PLC程序自动完成，系统的操作和设定置来自CRT操作站。选择手动控制方式，借助于CRT操作站和操作台进行操作。此种方式通常控制单体设备。在维修方式下，选择开关打在机旁，主要用于设备的现场调试与维修。

3 系统的完善与改进

在铸机的运行过程中，根据现场情况和工艺要求的变化。我们也实时对某些方面做进一步的完善和改进措施。如一台变频器控制三台拉矫机改为脱坯辊单采用一套变频调速装置;对24V直流系统进行为详尽的按类分别供电控制;在Wincc画面上增加部分过程值的显示和趋势图;增加Wincc变量用于报警显示等等，这些改进在运行实践中证明是有益于连铸机的正常运行和方便设备的维修维护。

4 结束语

该铸机PLC控制系统运行至今，铸坯表面及内部质量都满足工艺要求，为我厂成功开发品种钢、促进产品结构多元化发挥了重要作用，也了十分可观的经济效益。

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，采用程序化的手段应用于电气控制，这就是代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。

个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。

上世纪80年代至90年代中期是PLC发展快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
PLC的构成

从结构，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、 显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模 块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

CPU的构成

CPU是PLC的，起神经的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。
常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA0-20mA）、电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受大的底板或机架槽数限制。
电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC系统的其它设备

编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。

人机界面：简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
PLC的通信联网

依靠的工业网络技术可以有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口(MPI)的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。

2 PLC控制系统的设计基本原则

大限度的满足被控对象的控制要求。

在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

保证控制系统。

考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

PLC软件系统及常用编程语言

PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
标准语言梯形图语言是常用的一种语言，它有以下特点：

它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。

内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。

言

本文介绍的专能的自动化钢管切割铣端面机床可以完成钢管的下料工作，能够改善工人的劳动强度，实现自动控制，提高劳动生产率。本机床能将长钢管按照要求长度准确切割，并对两个端面进行铣削加工，一次完成钢管的下料工作。

1 切铣机的工作过程

本机床有一个切割动力头、两个铣削动力头，分别由三个电机拖动，工件的进料是由电机通过摩擦轮带动来实现的，工件的夹紧、切割动力头的运动、工作台的运动是由气动活塞缸拖动来完成的。其工作过程示意图见图1，工作循环过程见图2。

机床的工作过程为：用人工将待加工的长钢管安装固定好，启动动力头，机床处于准备好状态。1）按下启动按钮SB7，进料电机运转，通过摩擦轮带动长钢管进料，当钢管进料到规定长度时，碰压行程开关SQ1，进料电机停车;2）工件夹紧，夹紧后，压力继电器KP动作;3）切割头进给，进行钢管的切断动作，切割完成后碰压行程开关SQ2;4）切割头回退，回退到位后碰压行程开关SQ3;5）工作台带着已夹紧并切割好的工件进给，进行两个端面的铣削，当铣削完成后碰压行程开关SQ4，工作台停止进给;6）工件松夹，当松夹到位后碰压行程开关SQ5，同时工件依靠自身重力沿斜坡滑落出料;7）工作台回退，回退完成后碰压行程开关SQ6，工作台回退停止，至此本次循环完成。之后，机床根据工作方式的不同进入待命状态或重新进入下一轮循环。

2 切铣机的电气线路设计

本机床的三个动力头采用常规的启动停止保持继电-接触器控制电路，进料电机与三个气缸采用PLC进行控制。根据工作要求，现场有压力继电器和行程开关共计7个信号，另外设置了手动控制按钮6个、自动控制按钮4个、功能选择开关3个，所以PLC需要有20个输入信号。系统的控制对象是进料电机与3个气缸，进料电机为单向运转，仅需要一个输出点，夹紧气缸和切割气缸采用二位四通换向阀控制，各用一个电磁阀控制，而工作台运动气缸采用三位四通换向阀控制，需用两个电磁阀控制，故现场控制信号有5个，另外设置了“准备好”、“循环”、“暂停”和“故障”等系统状态指示灯4个，所以系统需要的输出信号有9个。

根据以析，我们选用了三菱公司的FX2N-48MR-001型PLC控制器，它有24个输入点和24个输出点，采用继电器输出，能够满足系统需要，由此设计的PLC控制部分的电气线路原理图如图3所示（继电-接触器控制线路部分略）。

3 切铣机的软件设计

根据机床的动作要求可知，它是一个典型的顺序程序控制，为此我们选用步进程序控制。为实现手动、单循环及自动循环三种工作方式，我们设计的梯形图的主框图如图4所示。主框图采用两个主控程序，当系统复位按钮按下或上电时，执行个主控程序，将相关元件清零，使系统的各部分都处于失电状态，用来对机床进行初始化操作。二个主控程序是上电时或继续按钮按下时执行并能保持执行状态;当暂停时不执行，即暂停时应使二个主控程序中的输出暂停，而顺序功能状态保持，以便使继续工作时能保证从暂停点向下继续执行。

自动程序的顺序控制功能图见图5。在单循环、自动循环时使S0置位，进入步进程序的初始步。为保证，设计的夹紧机构为失电夹紧，所以在S0状态使用了一个Y1置位指令，对夹紧机构进行松夹操作。当松夹后X5动作，此时若按下启动按钮，则X15得电，便可以进入循环状态S520，之后按照工作要求机床能自动完成各状态的转换。当进入状态S526之后，将依据工作方式的不同，能自动返回到S0状态待命（单循环），或直接进入S520状态自动进入下一轮的循环（自动循环）。

本机床的梯形图程序设计，限于篇幅，不再叙述。

4 PLC与上位机的通信

在自动化工厂中，各种机械加工机床可以与上位计算机联网组成分布式控制系统，以实现相互通信与生产管理。管理人员可以在不中断生产的情况下，通过上位机实时地对现场的PLC进行调整、管理和调度，使各种生产机械的工作达到配置状态，充分发挥各种通用设备的生产效率。在生产实践中，一般采用1：N上位链接通信方式，用一台系统计算机管理多台下位PLC机，通常采用RS232C/RS485通信标准，增设链接适配器，以加大通信距离。

5 结束语

设计的点是：对钢管切割、铣削一次完成，采用主控程序和步进程序控制配合完成机床要求的三种工作方式。通过PLC通信系统与上位计算机联网组成分布式控制系统，能够对现场进行实时控制与管理，使工厂设备工作于配置状态。本系统工作，技术，自动化程度高，提高了生产效率，实现了工厂中的机、电、气一体化、智能化，改善了工人的劳动条件，保证了产品质量。

1  引言

目前，一般常见plc型号都没有集成现场总线can-bus的通讯功能接口，因而不便于基于can总线多台plc控制网络的实现。随着应用技术的发展，工业经常会出现需要n台plc协同完成一个系统的综合控制。此时，原有集中控制的单一plc控制方案就显得力所不及，plc网络的集成工程需求也应运而生。

本文提出了一种基于现场总线can-bus的plc网络方案，能够对多台联网的plc实现远程配置、数据通信，并能够在投入较低硬件成本的基础上，实现良好的系统运行性能。这个方案不仅充分发挥了现场总线can-bus的通信特点：实时、、高速、远距离、易维护等，而且将现场总线技术与集中控制技术结合，联网后的plc网络可以构成一个性能优越的dcs系统；用户在同一个主控制器(pc机)上可以远程监控、改变任何一台联网plc的程序或状态。

2  组建plc网络的两种方式

通用plc一般提供1～2个rs-232或rs-485通讯端口，用于与其他控制设备通讯；这些通讯端口支持有限的通讯协议，实现plc设备的通讯与配置。本项目利用plc自身的通讯端口，将其扩展成为能够与多台设备联网，实现基于现场总线can-bus多台plc网络。根据网络中主控制器的不同，plc网络分为以下方式：多台plc联网，各plc地位平等，可外扩hmi人机界面；多台plc联网，由1台工控pc作为主控制器与操作界面。本文讨论两种基于rs-232或rs-485通讯端口plc的组网方法。

2.1 plc串行联网 

通过rs-232/rs-485转can-bus网关进行信号转换使plc具有can-bus通讯接口。多台具有can-bus通讯接口的plc之间相互连接，即可以组建plc网络。每台连接plc单元的rs-232/rs-485转can-bus网关都可以设定一个立的设备id号，长度为11位或29位，用作为该plc单元的地址。

通过上述方式组建的plc网络，任何一台plc均可以主动发起数据通讯，由can-bus网关起硬件自动仲裁作用，每一次通讯的数据不丢失；网络中的plc数量不受限制，数百、上千台plc都可以连接在同一现场总线can-bus网络中。同时，plc网络中可以连接具有can-bus通讯接口的hmi人机界面。

2.2 多台plc与工控pc并行联网 

工控pc机内插pci-can板卡(如研华的pci1680、周立功的pci5110等)，可以组建can-bus网络，通过连接在can-bus网络中的网关rs-232/rs-485转can-bus转换器，借助于can-bus网络配套的“虚拟串口”软件，建立多达2047个标准的串行通讯端口，从而连接多达2047条串行网络。即在一条普通双绞线上连接多达2047台plc设备，工控pc机访问连接在can-bus网络上的plc设备，与操作标准串口一致。这种方式可以充分发挥工控pc机的作用，通讯效率比较高，是一般plc网络建设的主流方向。本文采用此种方案组建plc网络。系统结构如图 1所示。

图 1  多台plc与工控pc机并行联网

3  plc网络的硬件组成与连接

建立plc网络，除了plc设备，还需要建立现场总线can-bus网络的设备，主要有rs-232转can-bus网关、pci-can接口卡等。

rs-232转can-bus转换器可以方便地连接到plc设备的rs-232标准通讯端口，使plc设备具有与现场总线can-bus网络通讯的能力。转换器通过modbus协议转换，可以支持不同通讯协议的plc设备。对于只集成rs-485/422通讯端口的plc设备，可以选择rs-485转can-bus转换器。rs-232转can转换器和rs-485转can转换器读者可以自行设计，也可以购买目前市场成熟的产品，如研华的亚当模块、周立功的智能转换模块等。

工控pc机内插pci-can接口卡，可以令工控pc机具有现场总线can-bus通讯接口，从而成为can-bus网络中的一个主要功能节点。根据与pc连接方式的不同，pc-can接口卡可以分为很多种不同的类型，常见的型号有pci-can接口卡、isa-can接口卡、pc104-can接口卡、usbcan接口卡、以太网转can接口卡等。

pci-can接口卡一般都提供有can-bus测试工具、api开发例程、opc服务器软件等。利用“虚拟串口服务器”软件可以开发基于串口通讯的软件项目，组建基于can总线的plc网络。

4  三菱－西门子can网络集成案例

4.1 原理设计

在某印染厂的印染控制系统中，有两台瑞士布赛5v型平网印花机、三台闽台奇正平网印花机、2台日本东升平网印花机以及2台两台德国的mbk圆网印花机，这些设备的主控制器是西门子的s7-200以及日本三菱的fx系列的plc。为了使印染厂的印染控制系统能够在一台上进行监控以及控制，单台plc进行现场设备信号的采集和控制，由于各个现场plc工作点距离较远远，工控机pc不可能实现每一台plc设备的单电缆连接。因此，将各台plc设备通过现场总线can-bus网络连接，组建一个地区范围内的plc网络，从而实现plc远程维护、数据实时监控，既能够大大提高系统的管理效率，也可以有效地降低网络建设成本。

每台平网印花机plc设备集成有1个rs-4852串行通讯端口，通过can转rs-485转换器连接到现场总线can-bus网络。工控机pc内置1块pci-can接口卡，型号为pci-1680接口卡，可以使工控机成为can-bus网络中的节点，能够同时管理九台平网印花机。

plc串行通讯协议实现，不同厂家，plc的串行通讯协议不同，本就以本项目所用的s7-200为例说明其通讯方法。s7-200系列plc配有rs-485标准串行接口，可实现下列四种网络的连接：

(1) simatic s7-200网络(ppi协议)；

(2) 用户可编程接口协议(自由口模式)采用可编程自由口通信模式(free port mode)；

(3) profibus-dp网络。

4.2 系统通讯

本项目采用自由口通讯的模式，与自由口模式有关的特殊寄存器及相关的位：

(1) 控制字寄存器smb30：s7-200plc的通信模式由smb30设置，当mm=01时plc工作于自由口模式。

(2) 通信接收字符缓冲器smb2：smb2是一个暂态寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的当前字符，用户在下一步应从这里取走其中的内容，通过编程控制将接收到的字符一个一个由smb2移入接收缓冲区。

(3) 通信校验结果标志位smb3.0：plc按smb30规定的奇偶校验方式对所接收到的数据作校验。如果校验有错，plc自动将smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校验正确。根据这个标志，可决定对当前信息的取舍，还可以在出错的情况下，将此错误位发送给对方，以便要求它重发。

(4) 工作方式标志位sm0.7：s7-200系列plc只有处于运行(run)方式时才能进行自由口模式通信，而在停止(stop) 方式时只能以ppi模式通信。当plc处于run方式时sm0.7=1，否则sm0.7=0，因此可通过判断sm0.7的状态来打开或关闭自由口通信。

(5) 发送器空标志sm4.5及收发指令：s7-200plc有专门的发送指令：xmt  table  port table为发送数据的字节数即数据长度，大为225；port通信口，自由口模式下为0。当正发送数据信息时，特殊存储器位sm4.5=0，当发送完成后，sm4.5=1，因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理，也可直接用发送中断来处理。cpu215 cpu216还提供了接收控制指令：rcv table port与smb86 smb94 smb 186 smb 194寄存器配合，用以改变(初始化或终止)接收信息。

plc串行通讯程序执行时，在每一个扫描周期的开始，都要检查sm0.7的状态，若plc处于run方式即sm0.7=1，则打开自由口模式并设置其它相关的波特率、奇偶校验等参数，否则置自由口模式无效。

5  结束语

本文介绍的基于can总线多台plc组网系统的实现，在系统的实际运行中，现场总线can-bus的稳定性、抗干扰能力得到充分的体现。工程项目不需要改变原有的现场设备控制平台，可以将现有控制设备无缝地嵌入的现场总线网络，构成新一代的纺织自动化集成网络系统，为纺织工程mes和erp提供现场信息自动化平台。方案以较低的成本投入,使现场自动化网络的大跨度提升。具有很好的应用前景。