西门子中国授权一级代理商|PLC模块总代理商公司

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PLC控制系统软件功能

改造后的PLC控制系统有手动和自动两种运行方式。

4.1 手动运行方式
当PLC检修或系统其它环节出现故障时，可以将控制系统随时切换为手动运行方式，通过手动转换开关、按钮和继电器等对收尘器进行控制。手动运行时，阀组的选择如图2所示，将手动/自动转换开关SA0扳到手动位置，通过阀组选通转换开关SA6选择要清灰的阀组。然后通过分室手动选通转换开关SA1~SA5选择分室1至分室9的提升阀，如图1所示。通过脉冲阀手动选通点动按钮SB1选择分室1至分室9的脉冲阀，如图2所示。

4.1 自动运行方式
如图2所示，将手动/自动转换开关SA0扳到自动位置，则PLC控制系统根据预先编好的控制程序，自动控制相关设备的运行。当控制系统给出自动运行的信号后，过载保护开关FR1用来自动检测系统的负载情况。如果系统发生过载，则禁止系统运行，并发出报警信号。如果没有发出报警信号，则系统延时5秒钟后进入自动运行状态。
分室1的提升阀1关闭（Q0.0和Q0.5输出）。2秒钟后，分室1的脉冲阀1动作（Q0.6输出）。0.15秒钟后，分室1的脉冲阀1停止动作（Q0.6停止输出）。8秒钟后，分室1的提升阀1打开（Q0.0和Q0.5停止输出）。
分室1动作结束后，延时5秒钟，分室2动作。
分室2的提升阀2关闭（Q0.1和Q0.5输出）。2秒钟后，分室2的脉冲阀2动作（Q0.6输出）。0.15秒钟后，分室2的脉冲阀2停止动作（Q0.6停止输出）。8秒钟后，分室2的提升阀2打开（Q0.1和Q0.5停止输出），
以此类推，直至分室9清灰结束，完成一个循环。下一个循环又从分室1开始清灰。如此循环执行清灰过程。

5 PLC控制系统的优点

气箱式脉冲袋收尘器控制系统的改造选用和利时公司的小型一体化PLC取代了原系统中的单片机，较大程度地提高了系统的配置，增加了系统的灵活性，能够好地满足用户的需求。本系统有以下优点。
（1）连锁与保护
在系统中，相关设备的运行要求具有一定的连锁关系和时间顺序，这些功能由PLC的连锁程序完成，从而保证了系统的运行，避免发生堵塞。
（2）灵活性
通过PLC面板的电位器，无须专门工具，也无须知识，一般操作人员可以方便地设定清灰的时间间隔。利用PLC的内部时间继电器取代传统的时间继电器，不但节省和简化了系统的硬件，而且计时加、准确和稳定。
（3）性高
本系统的控制是和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC，能够在恶劣的环境中长期、、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。
（4）功能强大
和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC的编程语言遵从IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表、梯形图和功能块图等编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能模块，包括各种通讯功能模块、可以具体到年月日和时刻的多种定时器和长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。

6 结论

改造后的气箱式脉冲袋收尘器PLC控制系统的实际运行结果表明，基于和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC的控制系统达到了预期的效果，实现了对气箱式脉冲袋收尘器的控制，可以方便地改收尘器的设定时间，减少了外部电路与元器件，具有、、经济、灵活等显著特色。

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。

1 引言

啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤、包装等几道工序。啤酒灌装、压盖机部分属于包装工序。啤酒经膜过滤后由管路送入回转酒缸，再经酒阀进入瓶子中，压盖后获得瓶装啤酒。啤酒灌装、压盖机的工作效率和自动化程度的高低直接影响啤酒的日产量。

为了满足我国啤酒行业日益扩大生产规模的需求和啤酒现代化灌装机械高速灌装的要求，国内各啤酒生产厂家都在积寻求或改造本单位的啤酒灌装生产设备，使其成为具有良好的使用性能，的技术水平及高生产效率、运行稳妥、维护的啤酒现代化灌装机。

2 啤酒灌装、压盖机工作原理和控制部分构成

液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机。啤酒灌装、压盖机采用压力灌装方法，是在大气压力下进行灌装，贮液缸内的压力瓶中的压力，啤酒液体靠压差流入瓶内。

目前国内外实现灌装工艺路线基本上是:利用回转酒缸产生的旋动，使安放在酒缸槽位上的空瓶通过机械机构将固定在酒缸上部的欲抽真空阀打开，对已封好的瓶子进行抽真空处理，拨转外操作阀杆，打开气阀，对瓶内充填CO2气体，抽真空凸

当今的啤酒灌装、压盖机的控制系统主要由光电开关位置检测部分、走瓶带、酒缸转速的变频调速部分、主控由可编程控制器、触摸屏等组成。灌装、压盖机的机械结构装置与PLC可编程控制、变频无级调速、人机界面等现代自动控制技术手段完整的结合，形成机电一体化。

3 控制部分改造方案

国内很多啤酒厂家现使用的灌装、压盖机的控制系统的自动化程度参差不齐;所有手动按钮和工艺开关都设置在一个操作箱的面板上，PLC控制器大都为日本OMRON公司或三菱公司的早期产品，设备连锁控制、保护设置少，加之啤酒灌装的现场环境恶劣，潮湿度大，使开关等接触触点锈蚀严重，系统的信号检测部分故障率较高，造成设备控制系统运行的性低，设备正常运行等现象。

以实际改造的丹东鸭绿江啤酒有限公司的灌装、压盖机的控制系统为例，介绍改造方法，阐明改造这类设备的控制思想和思路;根据现场的实际工艺条件，重新编写了PLC的运行程序。针对啤酒灌装、压盖机控制系统的实际状况，并根据现场的实际工艺条件，重新设计了设备的控制系统 style="COLOR: e; TEXT-DECORATION: underline" bbbb="//www./word/83025bbbbx">PLC控制系统。这种改造方法和思路同样可以应用与其他液体介质灌装设备的改造。

3.1系统硬件配置

使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替换原系统使用的2台OMRON公司的C60P PLC，原系统的PLC由于是老型号产品，和计算机联机需要配置特殊的通讯转换器，系统需要增加外部I/O输入点时，扩展模块备件较难寻。FX2N128MRPLC是集成128点I/O的箱体式控制器，具有运算速度快，指令丰富、性能价格比高、联机编程简单、扩展方便等优点，是三菱FX系列中功能的小型控制器。

(1) 采用三菱公司的900系列的970GOT人机触摸屏替换原系统使用的面板按钮并监控显示设备的运行工作参数。970GOT HMI为高亮度的16色显，通过汇流连接和FX2N128MRPLC的CPU直接连接，实现快速回应。具有许多维护功能，如列表式编辑功能、梯形图监控(故障查找)功能、系统监控功能等用来查找故障和维护PLC系统。

(2) 灌装、压盖机的变频器在改造中没有换，现场检测信号的手段仍然采用开关式检测，因检测开关长期工作在湿度很大的场合，因此选择电容式的接近开关，根据PLC I/O端子的接线方式，选择PNP型的接近开关，控制系统结构见图1。

3.2 系统程序设计

PLC控制器的程序设计和是围绕着酒缸的旋转速度控制和酒缸上60个瓶位相关位置的检测移位、破瓶、空瓶瓶位相关位置的检测移位和相关灌装阀等的控制。其中的瓶位移位检测程序中，采用了三菱PLC位左移指令，

驱动执行条件输入每一次由OFF-ON变化时，执行N2位移动，N2为移动的位数。

(1) 瓶位移位子程序

413 LD X055;机器计数脉冲测量检测输入点

414 PLS M49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49

416 PLF M301;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M301

418 LDI M590;进瓶个数检测

419 ANI X005;连锁保护点

420 ANI X006;紧急停车保护

421 OUT M50;进瓶瓶位是否有瓶检测

422 LD M49;主电机转速测量输入点

423 SFTL M50 M500 K60 K1

; 瓶位移位检测，采用PLC位左移指令，这条指令是整个子控制程序的之一，主电机和瓶位检测开关同步检测移动的酒瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这60个瓶位的单元为M500~M559，单元个数用个字母K设置为K60，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M50反应了瓶位的空、缺位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的 单元内置"1"或"0"，控制相应的阀门和搅拌瓶盖的电机的开与停。系统在连续检测90个空瓶位后,停止搅拌瓶盖的电机的运行,检测瓶位的个数可以根据用户的要求任意设定。

432 LD X052

; 出瓶位

回转酒缸通过压力往瓶内背压装酒的过程中，空瓶在背压后,可能由于瓶子本身裂纹等原因导致突然爆瓶,这就需要出爆瓶瓶子的位置,在这个瓶位的位置进行打开吹扫电磁阀,喷出压缩

(2) 实现爆瓶检测、控制的步进控制

482 LD X055;机器计数脉冲测量检测输入点

483 PLS M49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49

485 PLF M309;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M309

486 LDI M70;破瓶位置检测

487 ANI M071;连续破瓶位置检测

488 ANI X052;进瓶位置

489 SFTL M52 M600 K20 K1

破瓶检测和瓶位检测开关同步检测移动的破瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这20个破瓶位的单元为M600~M619，单元个数用个字母K设置为K20，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M52反应了破瓶的位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的 单元内置"1"或"0"，控制相应的喷射和吹扫电磁阀开与停。连续喷射和吹扫电磁阀的开听、停时间可以根据工艺要求任意设定。

系统自动化运行的就是控制进出瓶盖的同步跟踪，既准确电机转速开关、破瓶开关和进瓶检测开关三个条件。

(3) 970GOT人机触摸屏操作终端机的软件采用三菱公司的GT WORKS软件包，其中GT Designer是一个用与整个GOT9000系列的绘图套装软件。该软件包操作简单，事先可在个人计算机上组态并调试，完毕后下载至人机操作终端机。同时，因为人机界面又具有触摸屏的作用，将常用的开关设在显示屏上，方便操作。还可并以增加一些功能，如设置报警信息等。

4 改造后控制系统功能

系统正常运行时，机器为自动控制，根据进出瓶带上瓶的满缺，按设定速度或慢速运行，进瓶档瓶，无瓶不下盖，爆瓶自动冲洗，灌装位置自动背压，下盖输盖系统的自动开停和保护等动作的协调联锁。原来所有按钮的操作改造后都在触摸屏上进行。

5 控制系统检测状态的监控功能

进瓶检测开关和破瓶检测开关通过检测每个压瓶部分上面的小铁片的位置，产生光电脉冲输出，再有PLC采集，由于每个压瓶部分上面的小铁片的位置是活动的，在机器运行一段时间后，压瓶部分上面的小铁片和检测开关的位置发生位移，造成检测开关误判断，如没瓶判断为有瓶，爆瓶漏检、误检等造成输出失误，使PLC产生误动作，造成如背压、爆瓶吹、洗、瓶盖搅拌系统控制失灵等故障现象。

在改造前的日常生产过程中，碰到这种现象时，操作工只能将各个功能开关或按扭打到手动控制档位，使机器设备工作在无监控状态下，机器失去自动控制功能。造成了很大的生产原料如气、水、酒的浪费。只能在生产的间歇，才能由维修钳工和电工根据检测开关上的小发光二管的亮和灭通过调整位移距离只有5~8mm的检测开关的安装位置，来修正检测开关和小铁片的间隙。这种检测手段非常落后，调整后的效果反应致后，不能及时反应调整结果。

针对这种检测状况，结合改造后的灌装、压盖机控制系统的配置，新增了这部分检测功能，并集成在人机触摸屏中，完成瓶位检测。

在人机触摸屏的界面分页显示屏上，可以分别时关、搅拌电机等电磁阀的开关状态都以不同颜色来显示，非常直观。

时动态显示60个瓶位的状态和爆瓶时的瓶位状态，有瓶、无瓶、爆瓶、背压开关等检测开关、搅拌电机等电磁阀的开关状态都以不同颜色来显示，非常直观。

在需要修正检测开关和小铁片的位置时，可以在正常生产的条件下，不停机，由维修人员只要根据显示屏上的瓶位状态，就可以在线调整，并马上看到调整后的效果。在日常维修中，也可以用它作为状态监控设备，观察输出设备的运转状况。

增加这套系统功能的是为保证灌状压盖机的自动化控制系统正常运行而专门设计的。软件界面见图3。

图3 软件界面之一

6 结束语

改造后的控制系统大大地简化了复杂的机械结构，经现场运行情况和控制效果检验，系统的自动化