南宁西门子PLC代理商CPU供应商

南宁西门子PLC代理商CPU供应商

我们针对上海大众汽车二厂焊接车间，利用西门子公司的 SIMATIC产品，设计并实施完成一套设备故障自动诊断及焊机系统。经过几年的使用，该系统运行稳定，基本达到了设计目的。

一. 焊接车间现状分析

该焊接车间主要生产桑塔纳2000型轿车的车身。车间进料为冲压车间的各种冲压零件，经过焊接生产流水线，先把这些各种零件焊接拼装各种车身部件，如汽车前围、后围、前底板等部件，再经过总拼把这些部件拼焊成整体车身，后经过补焊、打磨形成终的白车身，输出到油漆车间喷漆。该焊接车间按照冲压零件－部件－总拼的焊接加工过程，建立了六条生产流水线，分别为前围线、后围线、前底板线、底板线、总拼线和补焊线。这六条生产流水线按照生产工艺相互刚性连接。在这些生产流水线上的各个工位主要配备的是焊接机械手、焊接机械人、多点焊机、拉杆传输和空中输送车等自动化设备组成。由44台西门子公司的PLC分别控制这些生产流水线上的各种加工设备，使其相互协调地、连续地、自动地运行，使车间达到每56秒钟生产一部白车身的的生产节拍的能力。
但是该车间生产流水线投入运行时，存在两个主要的问题：

１．当设备上某处出现故障时，由于不能很快地排除，经常造成整条生产线停机，或者整个车间停产，严重影响车间产量和生产节拍。

２．会发生某些焊点的焊接质量不稳定，不能保证白车身质量。
经过调查研究和具体分析，发生上述问题的主要原因是：
１．生产线上设备比较多，设备比较复杂，生产线之间又是刚性连接，如果某一部位发生机械、液压或电气故障会造成某条生产线停机，维修人员要经过一定时间的分析查找过程，才能找到故障点，才能排除故障。在故障的分析查找和排除的时间内，由于生产线之间无缓冲，的生产线立即停机，后面生产线造成空工位，这个时间过长，还会造成后面生产线停机。而故障的分析查找和排除的时间中占主要的是分析查找时间。

２．该车间共有两千多把电焊在同时工作，容易造成供电压波动。如果一部分电焊正赶在电压低谷通电焊接，容易发生该焊点焊接不实，质量不好。
所以，为了快速分析查找故障和保证正常电压通电焊接，解=决上述两个问题，我们为车间建立这套设备故障自动诊断及焊机系统。

二. 系统的硬件和软件结构

１．设备层
全车间六条生产线上共有PLC 44 台，由 S5-115U、S5-135U和S5-55U构成。这些PLC可向系统提供分析设备运行状态和分析出发生的故障点的相关信息。但这些PLC是分散的，无故障诊断能力。所以，我们的系统在车间建立了两段现场工业总线Profibus 网，分别把这些PLC连接起来。使系统能够通过现场PLC采集和汇总生产线上设备状态信息，自动分析诊断故障。设备并网的具体做法是，每台PLC 上都插入Profibus网卡CP5431，并连接在其中一段现场工业总线上。(参见附图)

２．现场工程师站
现场工程师站设置在车间现场，是由六台工控机组成，分别对应着车间现场六条生产线。这六台工控机上都分别插有 Profibus 网卡CP5412，并通过该卡连接在 Profibus 的网上。通过现场工程师站可以监控对应的生产流水线。(参见附图) ３．信息交换
信息交换是由一台 S5-155U 构成，也称为系统的主PLC。一方面通过车间现场工业总线 Profibus 网，连接生产线上 44台 PLC，采集汇总分析生产线上设备的故障信息；另一方面通过工业以太网 H1 与系统的管理层连接，把分析诊断送到办公室计算机上，同时又通过车间现场工业总线 Profibus 网把其分析诊断结果送回现场工程师站。(参见附图)




４．管理层
系统的管理包括车间主任办公室和维修办公室的计算机，通过工业以太网H1信息交换连接，使管理层可以实时地从信息交换获得目前分析结果，并对此分类归档，形成各种报表。(参见附图)

５．焊机装置
设置一台高灵敏的电压监测仪， 实时监测车间电焊机工作时供电电压的变化，并把结果送入信息交换，通过S5－155U的中断程序处理焊机信息，经过Prifibus-DP方式，把控制信号高速地传送到生产线上 的PLC，使相应焊机的通电动作得以控制。

６．系统配置的软件
Coros LSB/Win是系统主要的软件，主要运行在管理层和现场工程师站的计算机上，是系统主要开发平台。COM5431 和COM143系统软件是为了管理现场工业总线 Profibus 和工业以太网 H1。

三. 系统的主要目的

１．采集全车间六条生产线上的设备运行状态信息
由于 Profibus 网连接着现场PLC，系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常运行、停机、故障等各种状态，并在相应工控机的相应画面上，通过以不同的符号、图形和颜色变化等形式显示出来。

２．实时分析发生在各生产线上设备的故障状态及具体部位
由于 Profibus 网络采集各生产设备上的信息，汇总到主 PLC S5－155U上集中进行分析综合，系统可以判断出故障类型和发生故障的所在生产线、工位、部位等位置信息，随后把判断结果送到相应工机显示出来，以提示维修人员。
３．进行有关故障信息的分析与统计
系统的上位管理机和工控机在工业组态软件 CorosLSB/Win 操作平台下，可对从主 PLC 送来的故障信息，进行分类归档处理，同时在设备维修手册数据库中进行检索，找出故障发生的位置，故障发生的原因及排除故障的主要方法。然后该软件把故障发生的时间、位置、原因及排除的情况记录到设备档案数据库中，并形成各种报表。

４．对全车间由 PLC 控制的焊接变压器的通电进行
利用 Profibus DP的快速 I/O的特性，对全车间电焊机供电电压进行监测，按照电焊机原理，对由 PLC 控制的电焊机进行排队通电控制。

四. 系统工作基本原理
１．自动故障诊断一般方法
焊接车间设备绝大部分是通过油缸和气缸来完成工件的装夹、上料、下料和输送等动作。初步统计该车间分布在各生产线上共 4 千个大大小小的油缸和气缸，而设备故障主要发生油缸和气缸的部件上，表现为这些缸不到位。下面分析一个油缸动作情况，得出自动故障诊断一般方法。设一个油缸向前运动 Q＝1，油缸经过一定的运动时间到达，则接近开关 得电 I_1＝1，后端接近开关失电 I_2＝0。我们系统中为这个油缸设置一个计时器T。当油缸动作 Q 信号发出，该计时器开始计时，在设定的该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关得电，即系统认为该油缸工作正常。如果在该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关未得电，则系统认为该油缸发生故障。

２．焊机的一般方法
该车间有四个供电变压器向焊机供电，由于焊机是使用的单相电。车间焊机基本是均匀地分别挂在车间里 12 条单相电线路上。高灵敏的电压监测仪分别监视着这 12 条单相电线路。当监测到其中一条线路电压设定的值时，就向主PLC申请中断。中断程序检查线路电压低到什么程度，再分别处理：
＊线路电压在排队工作范围内，中断程序将按照工艺准许的范围，把挂在该线路的焊机排队，通过现场工业总线，控制设备上PLC，让该线路上的焊机按先后顺序通电焊接，使每个焊接都有足够的电流工作。

＊线路电压在停机范围内，中断程序通过现场工业总线的广播形式通知设备PLC，将挂在该线路的所有焊机停止工作，直到线路电压恢复正常范围内。 五. 系统主要功能及实现方法

１．系统的工作方式
由于系统的绝大部分硬件都是采用西门子公司SIMATIC 工业型产品，就保证了系统全天24 小时不间断的正常工作。特别是系统的信息交换采用是 S5-155U，车间现场采用是Profibus 网络，管理层采用是工业以太网 H1，这些都具有在恶劣的环境下可以高度工作的工业产品，可以常年的不停机地工作。这样就保证了系统可以在几年之内不间断地监测生产线设备，连续设备信息和生产信息，保系统数据处理的及时性、准确性和完整性。

２．生产设备当前运行的状态信息
由于生产线的生产过程是由现场生产线上的 PLC控制的，而且 这些 PLC 都挂在 Profibus 上，这样信息交换，即主 PLC 可以通过该网采集现场 PLC 的所有 I / O 的信号。信息交换对这些信号经过汇总和分析，判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态，并把这些运行状态存入信息交换内的相应数据块DB。同时这些运行状态信息是随着信息交换(主PLC)运行周期而实时刷新的。现场的工程师站和管理层的计算机分别通过 Profibus 和 工业以太网 H1 ，访问信息交换内的相应数据块，而得到生产设备当前运行状态信息，再经过 Coros LSB/Win动态图形画面，生动、形象地显示出生产设备当前运行状态。

３．设备故障自动诊断、分析与统计
＊当生产线上设备发生故障时，信息交换通过Profibu网可以立即监测到。信息交换依据下面四个方面，判断出故障发生的具体内容和位置，并在在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上详细显示：
a. 现场维修人员的经验；
b. 分析动作不到位信号；
c. 由故障历史记录而形成的发生几率；
d. 该设备 PLC 程序的逻辑分析。


＊信息交换按照发生故障性质确定出故障类型：机械故障、电器故障、液压故障、气动故障等。信息交换按照所发生故障对设备运行影响程度确定出故障等级：将要故障、次要故障和主要故障。信息交换按照发生故障特征和维修记录提示出排故方法。在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上，故障类型和排故方法以文字形式显示，故障等级以不同颜色和闪烁程形式显示。

＊由管理层的计算机进行设备故障统计，其内容主要包括：
a. 每台设备每天的发生的故障信息记录；
b. 设备按照故障发生类型进行周、月、季和年统计；
c. 每台设备的故障率和开通率；
d. 各条生产线的故障率和开通率；
e. 全车间设备的故障率和开通率；
４．车间生产信息自动统计
在 Profibus 络的支持下，系统自动采集各生产线的产量信息，并存入信息交换的数据块中。通过管理层的计算机的 Coros LSB/Win 界面形成下例各种生产统计报表：
＊实时显示各条生产线的生产节拍及变化状况；

＊实时显示各条生产线的生产产量及变化状况，显示当日 和近七日内每天的生产产量变化过程；

＊车间在一年内每天的白班和夜班的生产产量记录；

＊车间生产产量的周报表、月报表和年报表。
５．焊机
当电压监测装置监测出车间供电电压正常供电电压时，主 PLC 上的中断输入模板 (6ES5 451-4UA13) 将接收到电压监测装置发出的信号，主 PLC 刻进入执行中断服务程序。中断服务程序根据焊机原理，通过 Profibus 网，向设备上的PLC发出工作指令，使各焊机按一定的顺序工作。

六. 结论和意义

１．该系统对对用户的设备排故维修提供了比较切实可行的便利手段，改变了过去那种单凭经验诊断故障的工作方法。在计算机的帮助下，只要生产设备有故障发生，系统都能比较准确、地确定故障具体位置或方位，并提供排故方法。这样大地缩短了故障查找和排故时间，保证了设备能够尽可能短的时间内恢复正常。

２．由于该系统能够实现生产产量自动统计，代替了过去需要很多时间的手工抄报统计工作，提高了车间生产管理的自动化程度。同时该系统也给车间提供了生产动态调度的手段，通过管理层计算机了解当前车间各生产线、各部分生产状态，可以发现可能出现的生产瓶颈，使得车间管理者及时地进行生产调整。

３．焊机过去在国内还无法实现，现在系统利用西门子公司的 PLC 和 Profibus 技术实现了焊机。这对电焊机的焊接质量的稳定和提高有了一定的保证。

４．在该系统中成功地应用了西门子公司 SIMATIC 产品的技术，其中 Profibus 现场总线和 H1工业以太网技术在该系统中起到关键的作用，它们把系统的各部分构成一个统一体； 主 PLC S5-155U以运行速度高、大存储量技术保系统信息的、综合分析和传送能够、准确地进行；Coros LSB/Win制作的人机界面速度快、，而且易操作、使用友好方便。

2.2、RSLogix5000梯形图软件编程包，有灵活易用的编辑功能，通用的操作画面，诊断和纠错工具。程序数据库中有控制器标签Controller tag和程序Program tag标签两种。与以往的SLC500系列产品相比，所有数据采集无须编程，直接读取模板地址即可。

2.3、RSLinx软件实现上下位数据库之间的连接，ControlNet网络连通后，以OPC数据交换方式在RSLinx软件中建立TOPIC，选定相应的TOPIC建立上位数据库，RSView32软件所有人机交互功能即可实现。


四、 主要控制功能

1、 煤气热值自动控制
热值是主要质量指标之一。煤气混合加压站以高炉煤气为主，以焦炉煤气为辅，高炉煤气热值约750KJ/m3，焦炉煤气热值约4000 KJ/m3。

煤气热值自动控制为串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号MV，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为MV的上、下限幅值MH1、ML1。
该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。

五、 系统调试

1、 在工控机内安装好网卡，设定好所有参数。将与PLC的通讯线接好，通过RSLinx
软件检测在线节点。

2、 下载梯形图程序，初始调试阶段，PLC会出现故障信息，在RSLogix5000中的
Controller properties 中的Major faults/Minior faults中会出现错误信息，可以帮助快速处理故障。

3、 在PID功能块的调试中，Loop Update Time不能为零，否则下载程序肯定出错。

4、 调试中要灵活运用AFI和TND指令。前者可以暂时中断所在行执行，后者可以使
控制器停止扫描所在梯级后面程序。

5、 对于压力、流量等被调参数来说，对象调节通道时间常数T0较小，而负荷又变化
较快，这时微分作用和积分作用都要引起振荡，对调节质量影响很大，故不采用微分调节规律。因此，高炉煤气压力自动调节控制、焦炉煤气压力自动调节控制、回流阀自动调节都采用PI调节。P值越大，比例调节作用越强，I值越小，积分作用越强。

6、 对于温度、成分等测量通道和调节通道的时间常数较大的系统来说，采用微分规律

这种前作用能够起到较好的效果。由于热值检测的惯性滞后，PID中加入了微分调节规律。


六、结束语

该系统自投运以来，在生产正常的情况下，热值稳定在3500左右，压力稳定在13.5KPa左右，满足了用户的要求，同时变频运行于30-40Hz左右，泄放阀一般处于关闭状态，大大减少了泄放煤气量和净焦煤气量，达到了预期的生产、提高产品质量、节能降耗的目的。

摘要

本文从实际问题出发，为聊城水利局设计了一套远程供水控制系统方案，着重介绍了无线通讯方式在系统中的应用情况。我们主要采用世界上技术的德国西门子产品（可编程序控制器PLC、变频器、上位软件WinCC等），设计完成了水源地泵站控制系统、泵站群集中控制、水厂控制系统。

1、 引言

随着现代城市的发展，水资源的供应和调度显得十分重要，为了实现水资源的合理统配和调度，通讯系统显得十分重要，针对本系统的通讯的一些问题，我们开拓思维，大胆改造，提出了利用无线通讯系统实现供水的具体方案而且付诸实施。


2、工程简介

2.1 东阿供水工程的系统简介

东阿供水工程是聊城市水利局交给我公司负责的一个项目，目的是解决聊城市供水紧张的问题。

东阿供水工程水源地共布设深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用变频器控制深井泵电机，7#、 8#、9#、10#、11#、12#井用软起动器控制深井泵电机。所有井分布在方圆几公里范围，经输水道汇总送水至聊城市水厂蓄水池，距离达四十公里。

有两个控制室：

一个主控室在水源地，离泵井比较近，约两公里左右，为水源地主控室，统一协调各泵站的运行，进行实地的监测和调度；

一个主控室在聊城水利局下属水厂，距离水源地几十公里，目的是监控蓄水情况，同时进行统一供水协调。


由于水源地的井分布比较分散，而且距离水源地主控室较远，所以需要建立一套比较的自动控制系统，对分散的各个井进行集中控制和管理。


2.2实际控制要求和依据：

系统设计能力为6万吨/24小时，平均供水2500立方米/小时；水源地有12眼井供水，其中6台120kw,6台75kw；水厂有2个5000立方米的蓄水池，共计10000立方米；水源地与自来水厂蓄水池的距离为43.5公里，每个泵站的运行要求有手动、自动和远程控制三种方式；所有泵站群设一集中控制室，统一协调各泵站的运行，实现泵群的联网运行；聊城水厂设一远程监控站点，实现远程调度。根据聊城水利局的技术要求，共有12个井位纳入该监控系统，每台泵站井位要对压力信号、流量信号、液位信号、电机电流信号以及电机状态进行检测和控制，水厂储水量为终被控信号，即在现场泵站合理调度，使其运行在合理情况下，来水厂储水量的正常稳定。


3、系统设计及产品选型

3.1几种设计方案比较

1.无线通讯方式和有线通讯方式的选择

1）有线通讯方式是大多数工程普遍采取的通讯方式。它要求在12个井之间铺设长达几十千米的通讯电缆，通讯信号通过通讯电缆进行传送。这种通讯方式技术已经比较成熟，而且通讯信号不易受到外部的干扰，但是它自身也有缺点：

通讯电缆的铺设十分繁杂，它需要重新架线或挖沟铺设电缆，而且几十千米的通讯电缆也需要购进，这必将耗费大量的财力物力，使施工周期延长。

2）无线通讯方式是比较的通讯方式，目前尚没有成熟的经验供我们借鉴，因此我们也是在摸索、研究，但是它的潜力十分。

与有线通讯相比，它具有很多自身的优点：

无线通讯是PLC将信号通过数字式电台发射，远方的PLC通过数字式电台进行接收，它不用架设任何通讯电缆，而且数字电台的价格可以接受，与有线通讯相比既省财力又省物力。


无线通讯可以很方便地进行扩展

我们完成的水源地的工程只是东阿一期供水工程今后还要不断地建立新井，若采用无线通讯，新井只需要安装一数字电台，便可以完成与水源地控制室的无线通讯连接，系统的拓展十分的方便、简单。


覆盖范围广

我们选择的数字电台通讯能力可达周围几十公里，通讯几乎可以不受空间的限制。
虽然有线通讯方式已比较成熟稳定，但通过仔细论证，我们决定采用无线通讯方式。
2.通讯处理器的选择

我们原来准备在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在实验阶段发现它在面对繁重的通讯任务时显得力不从心，因此我们决定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加的通讯模块CP-340实现通讯任务。换后，发现通讯处理速度明显加快，原来完成12个井的收发通讯操作需要大约1分钟，现在只需要12秒。



3.是否用微波通讯

水源地主控室和水厂主控室距离40公里，两地传送的数据量不是很大，实时性要求不高，我们选择大功率的数字电台，而没有选择价格较高的微波方式进行通讯。水源地主控室和聊城水厂主控室各放置一个大功率电台。


3.2 产品选型

根据上述技术要求，在保证完成供水工程工艺技术要求的前提下，控制装置的选择及监控系统的构成应以技术、运行、操作简单方便、画面美观逼真为出发点。变频器选择西门子MMEco系列的75KW变频器6台；在12个分散泵井上，每个泵井选择1个S7-224 PLC控制器。理由是：单一泵井的通讯任务不多只需要在一定时间内循环接收主站的信号，然后返回一个信号，每个泵井现场的控制任务不多。此外每个泵井还需要1个EM231，1个EM235；水源地控制室选择一个S7-315 PLC控制器，1个CP-340通讯处理器，它是整个水源地的控制，通过软件编程可接受来自12个泵站、水厂的各个信号；水厂控制室选择1个S7-315 PLC控制器，3个32输入的SM321，1个32输出的SM322，2个8输入的SM331，1个8输出的SM332；组态软件为西门子的WINCC；无线通讯电台选用Friendcom的模块式数传电台。（供水工程系统几何拓扑结构见图1）

系统的信息传输采用两种网络，水源地控制室和水厂控制室内采用MPI有线网络；在水源地12个泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水厂控制室之间采用快速的无线传输网络。