西门子中国代理商变频器供应商

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1 引言
本文以某物流控制中的机械手控制为例，分析了PLC与步进驱动装置的控制方法，本系统涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步进驱动器。

(1) S7-200 PLC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200 PLC可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。

1台S7-200 PLC包括一个单的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 CPU模块包括一个处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、立的设备中。
l CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;
l 输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;
l 电源向CPU 及其所连接的任何设备提供电力;
l 通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连起来;
l 状态信号灯显示了CPU 的工作模式(运行或停止)，本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误;
l 通过扩展模块可提供其通讯性能;
l 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数(CPU 221不扩展);
l 一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;
l EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中;
l 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间;
l 大I/O配置。
( 2) SH-2H057驱动器输入信号共有三路，他们是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机电平信号FREE.他们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式相同，三路光耦的正输入端为OPTO端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端需接外部系统的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否则需在外部另加限流电阻，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
l 步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说:驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步角度，CP脉冲的频率改变则同时是步进电机的速率改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP脉冲宽度也有一定要求，一般不小于5μs。
l 方向电平信号DIR

方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向;次端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在个方向的后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的个CP脉冲前发出。
l 脱机电平信号FREE

当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲)，但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时可以用到此信号，此信号低电平有效，电机处于自由无力矩状态;当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。

l 步进电机简介
SH-2H057型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机(亦称感应子式)，此驱动器一般驱动60号机座以下电机。电机的出线方式不同，与驱动器的连接也不同。本系统使用的电机为二相四根线电机，可以直接和驱动器相连。见图1的机械手电机驱动模块原理图。

2　系统工作工程
本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。参见图1。

(1) 出货过程
从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。
(2) 进货过程
从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1，2，3号货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。

3 系统设计思想
步进控制电路设计思想，PLC继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其程序流程图如图2所示。

在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为5个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见图1，
由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU 226的Q0.2对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU 226的Q0.4和Q0.5分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。
机械手PLC程序的设计编写采用了STEP 7-Micro/WIN32软件的数据表(STL)的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。
上位机软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC的监控。

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。

冰蓄冷空调是将电网夜间谷荷多余电力以冰的冷量形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供空调服务。由于我国大部分地区夜间电价比白天低得多，所以采用冰储冷空调能大大减少用户的运行费用。

冰蓄冷空调系统配置的设备比常规空调系统要增加一些，自动化程度要求较高，但它能自动实现在满足建筑物全天空调要求的条件下将每天所蓄的能量全部用完，大限度地节省运行费用。

2 控制系统结构

控制系统由下位机（现场控制工作站）与上位机（管理工作站）组成，下位机采用可编程序控制器（PLC）与触摸屏，上位机采用工业级计算机与打印机，系统配置必要的附件如通信设备接口、网卡、调制解调器等，实现蓄冷系统的参数化与全自动智能化运行。

下位机和触摸屏在现场可以进行系统控制、参数设置和数据显示。上位机进行远程管理和打印，它包含下位机和触摸屏的所有功能。整个系统以下位机的工业级可编程序控制器为，实现自动化控制。控制设备与器件包括：传感元件、电动阀、变频器等。

2.1 下位机系统（区域工作站）

2.1.1 TP21触摸屏

采用TP27彩色触摸屏作为操作面板，取代常规的开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面谈得整洁。并且，TP27触摸屏在现场可实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记录、时间日期、实时数据显示、负荷曲线与报表统计等功能，中文操作界面直观友好。

2.1.2 SIEMENS可编程序控制器

SIMATIC S7-300系列PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论在立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

该产品具有光电隔离，高电磁兼容；具有很高的工业适用性，允许的环境温度达60℃；具有很强的抗干扰、抗振动与抗冲击性能，因此在严酷的工作环境中得到了广泛的应用。

自由通讯口方式也是S7-300型PLC的一个很有特色的功能，它使S7-300型PLC可以与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即S7-300型PLC可以由用户自己定义通讯协议（例ASCII协议），波特率为1.5Mbit/s（可调整）。因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置加灵活、方便。任何具有串行接口的外设，例如：打印机或条形码阅读器、变频器、调制解调器（Modem）、上位PC机等都可连接使用。用户可通过编程来编制通讯协议、交换数据（例如：ASCII码字符），具有RS232接口的设备也可用PC/PPI电缆连接起来进行自由通讯方式通讯。

当上位机脱机时，在下位机控制下，整个系统能正常运行。

2.2 上位机系统（管理工作站）

2.2.1 上位机

上位机即图文控制，主要由PC机和激光打印机组成，采用SIMATIC WINCC软件平台，采用全中文操作界面，人机对话友好。管理人员和操作者，可以通过观察PC机所显示的各种信息来了解当前和以往整个冰蓄冷自控系统的运行情况和所有参数，并且通过鼠标进行设备管理和执行打印任务。

2.2.2 WINCC软件平台

WINCC软件在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。可将过程控制中发生的事件清楚地显示出来，可显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可连续或按要求编辑，并可输出打印报表和趋势图。

WINCC能够在控制过程中危急情况的初发阶段进行，发出的信号既可以在屏幕上显示出来，也可以用声音表现出来。它支持用在线帮助和操作指南来故障。某一WINCC工作站可专门用于过程控制以使那些重要的过程信息不被屏蔽。软件辅助操作策略保证过程不被非法访问，并提供用于工业环境中的无错操作。

WINCC是MICRSOFT bbbbbbS98或bbbbbbS NT4.0操作系统下，在PC机上运行的面向对象的32位应用软件，通过OLE和ODBC视窗标准机制，作为理想的通讯伙伴进入bbbbbbS世界，因此WINCC可容易地结合到全公司的数据处理系统中。

3 冰蓄冷系统的控制

3.1 控制目的、范围及主要受控设备

蓄冷控制系统控制目的：通过对制冷主机、储冰装置、板式热交换器、系统水泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，调整储冰系统各应用工况的运行模式，在经济的情况下给末端提供一稳定的供水温度。同时，提高系统的自动化水平，提高系统的管理效率和降低管理劳动强度。

控制范围包括整个冰蓄冷系统的参数状态显示、设备状态及控制，主要控制设备有：双工况主机、电动阀、冷却塔、冷却水泵、蓄冰装置、初级乙二醇泵、板式换热器、次级乙二醇泵等。

3.2 控制功能

控制功能包括整个冰蓄冷系统稳定、经济运行所需的功能。

3.2.1 工况转换功能

根据季节和机器运行情况，自控系统具备以下工况转换功能：

a) 双工况主机制冰同时供冷模式；b) 双工况主机单制冰模式；c) 主机与蓄冰装置联合供冷模式；d) 融冰单供冷模式；e) 主机单供冷模式。

3.2.2 工况的启停、显示和故障报警功能

控制系统按编排的时间顺序，结合负荷预测软件，控制制冷主机及外围设备的启停数量及监视各设备之工作状况与运行参数，如：-制冷主机启停、状态及故障报警；-制冷主机运行参数；-制冷主机缺水保护；-制冷主机供/回水温度、压力遥测和显示;-冷冻水泵启停、状态及故障报警；-乙二醇泵启停、状态及故障报警；-冷却水泵启停、状态及故障报警；-压差旁通管的压差测量与显示；-冷却塔风机启停、状态及故障报警；

-冷却塔供/回水温度控制与显示；-供/回水温度、压差遥测控制与显示；-板式换热器侧进出口温度控制与显示；-蓄冰装置进、出口温度遥测控制与显示；-冷冻水回水流量控制与显示；-电动阀开关、调节与阀位控制与显示；-室外温湿度遥测控制与显示；-蓄冰量测量与显示；-末端冷负荷控制。

3.2.3 数据的记录和打印功能

控制系统对一些需要的监测点进行整年趋势记录，控制系统可将整年的负荷情况（包括每天的大负荷和全日总负荷）和设备运转时间以表格和图表记录下来，供使用者使用。所有监测点和计算的数据均能自动定时打印。

3.2.4 手动/自动转换功能

控制系统配置灵活的手动/自动转换功能。

3.2.5 优化控制功能

根据室外温度、天气预报、天气走势、历史记录等数据自动选择主机或融冰。在满足末端负荷的前提下，每天使用完储存的冷量，尽量少地运行主机。充分发挥冰储冷系统优势，节约运行费用。

3.2.6 全自动运行功能

系统可脱离上位机工作，根据时间表自动进行制冰和控制系统运行、工况转换、对系统故障进行自动诊断，并向远方报警。触摸屏显示系统运行状态、流程、各节点参数、运行记录、报警记录等。

3.2.7 节日设定功能

系统可根据时间表自动运行，同时也可预先设置节日，控制储冰量和储冰时间，使系统在节日时对不需要供应空调的场所停止供冷。

3.2.8 下位机操作功能

下位机彩色触摸屏操作界面见图1。

下位机操作功能如下：

a) 人机对话。操作人员可通过触摸面板进行人机对话，操作界面中文化，具有提示、帮助、参数设置、密匙设置、故障查询、历史等功能。

b) 系统设置。包括操作口令设置、运行设置、运行时间表设置、记录溢出处理、自动/手动/测试选择、节日设置、系统参数设置（包括各节点温度、压力，各介质的流量，储冰量，制冰速率，融冰速率，阀门开度，末端负荷等。）

c) 故障记录、运行记录、历史记录等。

3.3 远程监控

控制系统通过电话线或宽带网，与系统连接，对系统进行运行监控、参数修改、数据采集等，使系统不断完善和软件版本升级，让用户得到好的服务。远程监控的目的是用户可以通过PSTN（公共交换传输网）对冷冻站进行异地远程监控。同时也可以实现远程调试、远程适时监控和在线维护等，从而大大减轻工程人员的工作强度，降低工程成本.

3.4 系统扩展控制

控制系统设计界面友好，PLC和触摸屏均可扩展，内容可扩展、参数也可修改，通过485通讯接口或通信协议实现BAS与冰储冷自控系统一体化，节约投资、方便管理。系统集中控制，减少了动力柜占地面积，又使动力柜型号统一、式样相同、大小一致。系统扩展控制如下：

a) 污水泵自动控制； b) 风、排风控制；c) 活水泵稳压控制；d) 泵定时运行、检测、报警； e) 淋水泵稳压控制； f) 筑物夜间轮廓照明自动控制；g) 低配计量、开关状态检测、报警。

4 结语

通过PLC在冰蓄冷空调系统的推广运用，验证了PLC系统的性特点，保证了系统的运行和有效节能，同时也为楼宇设备控制系统的控制器选型提供了新的思路。相信在不久的将来，越来越多的PLC系统在冰蓄冷空调系统的运用中日趋成熟，在楼宇设备控制系统中也将会大显身手。

在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，如催化裂化装置的主风机、气压机组、烟气轮机及汽轮机组等。这些机组功率大，运行条件苛刻，控制系统复杂，是化工生产中的关键设备。因此，对这些设备在突发事故中的保护是至关重要的。现在各大石油化工企业普遍采用的是ESD紧急停车系统，系统结构复杂，成本高（上百万元）。针对上述情况，沈阳石蜡化工有限公司80x104 t/a 重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统采用了PLC 进行系统构建，其在随后的生产过程中表现稳定，动作可*，多次在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，了显著的效果。
2 工艺设备及主要联锁参数
在催化裂化装置中，从沉降器出来的油气经分馏塔分馏后得到粗汽油、柴油和富气，富气从分馏塔出来经气压机压缩后送到稳定塔，与粗汽油在稳定塔内充分互溶，得到稳定汽油。在这部分流程中，气压机是关键的设备，它的运行是否平稳直接影响着整个流程。如果气压机受到损坏，会对单位的经济效益产生大的影响。因此，对气压机组的保护是至关重要的。该厂80x104 t/a重油催化裂化气压机组采用的是电机-气压机-汽轮机三机组，在装置开工时采用汽轮机启动机组，达到额定转速（6000转）后开启电动机，采用双动力三机组的形式，主要是为了增加机组运行的可*性。机组的主要联锁参数包括气压机轴位移标停车、汽轮机轴位移标停车、润滑油压力低停车、密封油压力低停车、汽轮机入口蒸汽流量低停车、汽轮机背压低停车、机组转速标停车、手动紧急停车、供电跳闸停车等，这些量都是开关量输入，其中任意一项或多项出现，都要求PLC能切断汽轮机入口蒸汽速关阀和电机电源，同时关闭气压机入口阀，打开放阀，以保证气压机及装置的。
3 方案的确定
自保-联锁系统是指将影响装置和设备的重要参数，如温度、压力、流量、温度等引入ESD（紧急停车系统）系统，由ESD监测，并以显著的声光形式进行报警，达到联锁条件时自动实行联锁保护，设备和装置的，并打印出故障原因及时间，以利于事故分析。随着微电子技术的发展，PLC产品在功能和性能指标上都得到了大地丰富和完善，并以受到用户的欢迎。因此，从满足工艺生产需求出发，考虑到性、可*性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH ?0CDR-A型PLC，并选用了OMRON公司的CX-Programmer软件。
4 系统构成
4.1 硬件构成
CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机1通讯。PC机1位于气压机控制室内，使用的是bbbbbbs2000操作系统，通过CX-Programmer软件与PLC通讯，实现组态、监控及事故记录功能。由于我厂采用分散控制、集中管理，因此要求在主控室也可以直接看到气压机的自保联锁状态。因此，利用微软的bbbbbbs2000的终端服务功能，在主控室设置了PC机2，将气压机控制室内的PC机1作为终端服务端，主控室内的PC机2作为终端客户端，两台PC机因为距离较远，采取光纤以太网连接，在主控室内的PC机2上，可通过终端服务功能运行位于气压机控制室内PC机1上的CX-Programmer软件，对PLC进行监控及各种操作。
4.2 软件设计
根据工艺要求，润滑油压力及密封油压力低停车采取三取二逻辑，汽轮机入口蒸汽流量及汽轮机背压采取二取二逻辑，以减少由于现场仪表失灵造成的自保误动情况。为满足不同的工况需要，特别设置了手动紧急停车按钮，放在操作台的隐蔽位置，供工艺人员使用。每一项自保条件动作，PC机都会按时间顺序记录下来，供事后分析。PLC系统的软件设计是依据上述逻辑关系，以梯形图方式编写后写入PLC中。在PC机中，可实现在线组态、监控，对输入、输出点可以强制状态，以满足调试、维护需要。
5 结语
本系统投入生产后，运行良好，性高，而且程序简洁，维护方便，保证了装置的长周期运行，为工厂了可观的经济效益，将在今后的生产实践中，逐步考虑采用双PLC或三PLC冗余的方案，以达到高的性