西門子PLC可編程控制器CPU416-2-二吊插入一穴一區(qū)二區(qū)_愛情故事上集

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SIEMENS潯之漫智控技術（上海）有限公司

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KDF2纖維濾棒成型機組是煙廠生產卷煙濾棒的設備。經過十幾年的應用，原有機組逐漸顯示出技術上的局限性：機械結構復雜；電控系統(tǒng)相對落后；生產環(huán)境比較差，噪音響；維修難度高，能源利用率低等。因此，原有機組越來越不適應現代生產要求。
　　為此，筆者參照上*的高速濾棒成型設備的設計原理，結合的需求和機組的特點，運用伺服傳動系統(tǒng)的優(yōu)良特性及PLC在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，設計了此套控制系統(tǒng)。
　　 1 系統(tǒng)概述
　　纖維濾棒成型機組控制和傳動系統(tǒng)采用了Lenze公司的伺服系統(tǒng)、Digital公司的觸摸式控制屏和西門子公司的PLC，分別通過MPI和DP通訊控制。

　　 纖維濾棒成型機通過二次開松、增塑劑添加、卷制成形、刀盤切斷和排列裝盤的過程生產濾棒?！　　　?br>　　2 控制策略　　
　　(1) 對增塑劑添加的控制策略
　　起初延用原系統(tǒng)的欠阻尼響應曲線的控制方式。但是，在實際調試過程中，發(fā)現該控制方式存在一定的缺陷，具體表現為：每天*次上電開機時，增塑劑存儲器中增塑劑積累時間過長，造成一段時間內濾棒增塑劑含量過低。根據售后服務部門的反饋，某些煙廠為濾棒質量往往會剔除*盒濾棒。這樣會有較大的浪費?！　?br>　　產生這種情況是因為煙廠每天工作結束時或者CPU重啟時機組都會停機，并排空存儲器中的增塑劑。由于欠阻尼響應到達設定值時間過長，造成開始階段濾棒增塑劑含量過低。日常生產班次中，每次停機不排空增塑劑，而是在存儲器中保有一定儲存量?！　?br>　　根據自動控制原理，車速斜坡響應可以分為過阻尼響應、臨界阻尼響應和欠阻尼響應。理論上說，臨界阻尼響應是的控制方式，這種響應方式既實現了控制的快速性又實現了控制的穩(wěn)定性；過阻尼響應是為了穩(wěn)定性犧牲快速性；欠阻尼響應則是為了快速性犧牲穩(wěn)定性。然而，臨界阻尼由于條件過于苛刻，在實際控制中是無法實現的。　　
　　根據剩余的兩種響應曲線的特性，筆者認為CPU啟動時使用欠阻尼響應曲線，其理由是：CPU啟動狀態(tài)下，對增塑劑積累時間的要求于增塑劑含量的穩(wěn)定性；而其他狀態(tài)下使用過阻尼響應曲線，此時對含量的穩(wěn)定要求于積累的快速性?！?br>　　因此，利用S7-300啟動時的組織塊OB100在CPU啟動中只執(zhí)行一次的特性，對增塑劑伺服電機的控制方式依據機組不同的啟動狀態(tài)采取了不同響應曲線下的控制方法。具體來說，在CPU啟動時（此時增塑劑存儲量必定為零），通過啟動組織塊OB100中送出高速運轉命令至增塑劑伺服電機，使控制曲線成為欠阻尼響應狀態(tài)以實現對存儲器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動狀態(tài)，控制增塑劑伺服電機的FC功能塊將送出普通速度命令，使控制曲線成為比較接近臨界阻尼的過阻尼響應狀態(tài)。　
　　新的設計*避免了CPU重啟時帶來的增塑劑積累過慢的問題、減少了廢品數量，因此這樣的設計不會影響正常生產狀況時增塑劑含量的穩(wěn)定性?！　?br>　　(2) 對濾棒剔除支數的計算策略
　　在纖維濾棒成型機的生產中，為濾棒質量，每當速度低于一定的設定值時，機組就會剔除此時的濾棒。此時機組的速度是不斷變化的，按通常方式無法計算出具體的剔除支數。這對統(tǒng)計生產效率帶來了相當的困難。　　
　　筆者可以得到動態(tài)的車速反饋，但這條反饋曲線是不斷波動和變化的非線性曲線。對于非線性曲線，數學上只能夠采用面積積分求解的計算方法。對于此項目就是要求給出一定時間內主電機的圓周行程，即機組一段時間內所生產的濾棒長度。　
　　從這一角度出發(fā)，筆者考慮采用了對車速進行模擬積分的計算方法，即從積分的基本定義出發(fā)，求出剔除時間內的濾棒生產長度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個濾棒長度得剔除支數的計算方法?！　?br>　　按照積分的定義要求，積分求解是在一定條件下才能夠成立。這個條件就是Δt要足夠的小即Δt→0。在實際過程中，近似認為Δt=20ms時可以滿足條件。此時，計算得出的濾棒支數與實際濾棒支數的誤差在±3支以內。在精度上，以高生產速度3300支/分鐘計（此時濾棒長度為120mm），±3支的精度是*可以滿足精度要求。所以筆者認為只要將Δt控制在20ms時就可以滿足積分求解的條件。　　
　　原系統(tǒng)的PLC掃描一周的時間高達幾十毫秒，顯然不滿足要求。而此項目采用的S7-315-2DP，其單指令掃描周期為10μs級、整個掃描周期被縮短為7~8ms，這樣就滿足了積分計算的要求。

PLC網絡通信協(xié)議的選擇

S7-200系列PLC可支持多種通信協(xié)議，如點對點(Point-to-Point)協(xié)議(PPI)、多點協(xié)議(MPI)及PROFIBUS協(xié)議。這些協(xié)議的結構模型都是基于開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)的7層通信結構。PPI協(xié)議和MPI協(xié)議通過令牌環(huán)網實現，令牌環(huán)網遵守歐洲標準EN50170中的過程現場總線PROFIBUS標準?；谕ㄐ沤Y構的“開放系統(tǒng)互聯(lián)”(OSI)7層模型，這些協(xié)議用于令牌環(huán)網，該網絡符合歐洲標準EN50170所定義的PROFIBUS標準。這些協(xié)議是異步、基于字符的協(xié)議，具有一個起始位、8個數據位、一個偶數校驗位和一個停止位。通信幀包括:特殊的啟動與停止字符、源站地址與目標站地址、幀長度以及數據完整性的檢驗。只要每個協(xié)議的波特率相同，可同時在一個網絡上運行，不會相互干擾。

??除了上述3種協(xié)議外，通過S7-200的自由通信口和相關的網絡通信指令，可以將S7-200CPU連接到ModBus網絡和以太網絡

??以太網也可用于具有擴充模塊CP243-1和CP243-1IT的S7-200CPU。

??1.PPI協(xié)議

??PPI協(xié)議是一種主從設備協(xié)議:主設備給從屬裝置發(fā)送請求，從屬裝置進行響應。如圖6-24所示。從屬裝置不發(fā)出信息，而是一直等到主設備發(fā)送請求或輪詢時才做出響應。

??主設備與從屬裝置的通信通過PPI協(xié)議管理的共享連接來進行。PPI協(xié)議不限制與任何一個從屬裝置進行通信的主設備的數目，但網絡上多可安裝32個主設備。

??如果在用戶程序中使用PPI主設備模式，則S7-200CPU在處于RUN模式時可用作主設備。使用PPI主設備模式之后，可使用網絡讀取或網絡輸入指令從其他S7-200讀取數據或將數據輸入其他S7-200。當S7-200用作PPI主設備時，它仍將作為從屬裝置對來自其他主設備的請求做出響應。

??PPI協(xié)議允許網絡設備建立設備之間的邏輯連接。對于PPI協(xié)議，每臺設備可提供的連接數目是有限的。

??所有S7-200 CPU均支持PPI協(xié)議和PPI協(xié)議，而PPI協(xié)議是EM 277模塊所支持的PPI協(xié)議。

??2.MPI協(xié)議

??MPI允許進行主設備與主設備以及主設備與從屬裝置之間的通信，如圖6-25所示。為與S7-200CPU進行通信，STEP7-Micro/WIN建立一個主設備與從屬裝置之間的連接。MPI協(xié)議不與用做主設備的S7-200CPU進行通信。

??網絡設備通過任意兩臺設備之間的立連接(由MPI協(xié)議進行管理)進行通信，設備之間的通信受限于S7-200CPU或EM277模塊所支持的連接數目。S7-200CPU和EM277模塊的連接數目見表6-3。

??3.PROFIBUS協(xié)議

??PROFIBUS協(xié)議針對用于具有分布式I/O設備(遠程I/O)的高速通信，來自不同廠家的設備只要支持PROFIBUS均可使用。這些設備包括I/O模塊、電動機控制器、PLC等。

??PROFIBUS網絡的典型特點就是具有一個主設備和多個IVO從屬裝置,如圖6-26所示,為主設備設置所連接的I/O從屬裝置的型號及地址。主設備將初始化網絡，并驗證網絡上的從屬裝置是否與配置相符。主設備可將輸出數據連續(xù)地寫入從屬裝置，也可從中讀出輸入數據。

??當DP主設備成功地配置從屬裝置時，它就擁有了該從屬裝置。如果網絡上存在第二個主設備，則它對屬于個主設備的從屬裝置進行訪問將受到一定的限制。

??4.TCP/IP協(xié)議

??S7-200通過使用以太網(CP243-1)或互聯(lián)網(CP243-1IT)擴充模塊可支持TCPIP以太網通信。以太網(CP243-1)和互聯(lián)網(CP243-1IT)模塊的連接數目見表6-4。

??5.僅使用S7-200設備的網絡配置

??1)單臺主設備PPI網絡

??在對于簡單的單臺主設備網絡,編程站和S7-200CPU既可以通過PPI多臺主設備電纜

??連接，也可以通過安裝在編程站中的通信處理器(CP)卡連接。

??在如圖6-27(a)所示的網絡中，編程站(STEP7-Micro/WIN)是網絡主設備。在圖6-27(b)所示的網絡中，人機界面設備(HMI)(如TD200、TP或OP)是網絡主設備。

??在上述兩個網絡例子中，S7-200CPU是對主設備的請求進行響應的從屬裝置。對于單臺主設備PPI網絡，需要設置STEP7-Micro/WIN以使用PPI協(xié)議。

??2)多臺主設備PPI網絡

??具有一個從屬裝置的多臺主設備網絡如圖6-28所示。編程站(STEP7-MicroWIN)既可以使用CP卡，也可以使用PPI多臺主設備電纜。STEP7-Micro/WIN和HMI設備共享網絡。

??STEP 7-Micro/WIN和HMI設備是主設備，具有立的網絡地址。在使用PPI多臺主設備電纜時，電纜是主設備:使用STEP7-Micro/WIN所提供的網絡地址，S7-200 CPU是從屬裝置。

??圖6-29顯示了一個PPI網絡，它具有與多臺從屬裝置進行通信的多臺主設備。在這個網絡中，STEP7-Micro/WIN和HMI可以對所有S7-200CPU從屬裝置請求數據。STEP7-MicroWIN和HMI設備共享網絡。

??所有設備(主設備和從屬裝置)均具有不同的網絡地址。在使用PPI多臺主設備電纜時，電纜是主設備，并使用STEP7-Micro/WIN所提供的網絡地址，S7-200CPU為從屬裝置。對于具有多臺主設備和一臺或多臺從屬裝置的網絡，設置STEP7-Micro/WIN以使用PPI協(xié)議，如果可用，勾選“多臺主設備網絡”和“PPI協(xié)議”復選框。如果正在使用PPI多臺主設備電纜，則“多臺主設備網絡”和“PPI協(xié)議”復選框均將忽略。

??3)復雜PPI網絡圖

??對等通信網絡如圖6-30所示，該網絡使用了具有對等通信的多臺主設備。STEP7-Micro/WIN和HMI設備通過網絡對S7-200CPU進行讀寫，S7-200CPU使用網絡讀取和網絡寫入指令互相讀寫，即進行對等通信。

??一個復雜PPI網絡的示例HMI設備與對等通信如圖6-31所示。該網絡使用了具有對等通信的多臺主設備。在這個網絡中，每個HMI監(jiān)控一個S7-200CPU。S7-200 CPU使用NETR和NETW指令互相讀寫(對等通信)。

??對于復雜PPI網絡，設置STEP7-Micro/WIN以使用PPI協(xié)議，如果可用，勾選“多臺主設備網絡”和“PPI協(xié)議”復選框。如果正在使用PPI多臺主設備電纜，則“多臺主設備網絡”和“PPI協(xié)議”復選框均將忽略。

PLC提供了完整的編程語言，以適應PLC在工業(yè)環(huán)境中的使用。在小型PLC中，用戶程序有4種形式:指令表(STL)、梯形圖(LAD)、結構文本(ST)和順序功能流程圖(SFC)編程。

??下面以S7-200系列PLC為例來說明。

??1)指令表編程

??指令表編程是用一個或幾個容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能。指令表語言類似于計算機中的助記符語言，它是PLCZui基礎的編程語言。

??PLCS7-200系列PLC的基本指令包括“與”、“或”、“非”以及定時器、計數器等。圖 2-12 是指令表編程示例。

??2)梯形圖編程

??梯形圖表達式是一種類似于繼電器控制線路圖的語言，但在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。PLC梯形圖使用的是內部繼電器、定時/計數器等，都是由軟件實現的。其主要特點是使用方便、修改靈活。

??圖2-13是典型的梯形圖示意圖。左右兩垂直的線稱為母線。在左右兩垂線之間，接點在水平線上相串聯(lián)，相鄰的線也可以用一條垂直線連接起來，作為邏輯的并聯(lián)。接點的水平方向串聯(lián)相當于“與”，例如，圖中第一條線，A、B、C三者是“與”邏輯關系。垂直方向的接點并聯(lián)，相當于“或”例如，第二條線，D、E、F三者是“或”邏輯關系。

??PLC梯形圖的一個關鍵概念是“能流”(Power Flow)。這僅是概念上的“能流”。在圖2-13中,把左邊的母線假想為電源“火線”,而把右邊的母線(虛線所示)假想為電源“零線"。

??如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵。如沒有“能流”，則線圈未被激勵?！澳芰鳌笨梢酝ㄟ^被激勵(ON)的常開接點和未被激勵(OFF)的常閉接點自左向右流，也可以通過并聯(lián)接點中的一個接點流向右邊?！澳芰鳌痹谌魏螘r候都不會通過接點自右向左流。在圖2-13中，當A、B、C接點都接通后，線圈M才能接通(被激勵),只要其中一個接點不接通，線圈就不會接通;而D、E、F接點中任何一個接通，線圈Q就被激勵。

??由圖2-13可看出，梯形圖是由一段一段組成的。每段的開始用LD(LDN)指令，觸點的串/并聯(lián)用A(AND)/O(OR)指令，線圈的驅動總是放在Zui右邊，用=(OUT)指令，用這些基本指令，即可組成復雜邏輯關系的梯形圖及指令表。

??3)結構文本

??結構文本是為IEC61131-3標準創(chuàng)建的一種專用的gaoji編程語言。與梯形圖相比，它能夠實現復雜的數學運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。

??4)順序功能流程圖編程

??順序功能流程圖編程是一種較新的編程方法，它的作用是用功能圖來表達一個順序控制過程。目前，順序功能流程圖也正在實施發(fā)展這種新的編程標準。

??順序功能流程圖作為一種步進控制語言,用這種語言可以對一個控制過程進行控制,并顯示該過程的狀態(tài)。將用戶應用的邏輯分成步和轉換條件，來代替一個長的梯形圖程序。這些步和轉換條件的顯示，使用戶可以看到在某個給定時間中機器處于什么狀態(tài)。

??圖2-14所示是鉆孔順序功能流程圖編程示例，這是一個鉆孔順序的例子方框中的數字代表順序步，每一步對應于一個控制任務，每個順序步的步進條件以及每個順序執(zhí)行的功能可以寫在方框右邊。