西门子6ES7231-7PB22-0XA8介绍说明
一：引言
塑钢门窗近几年在国内方兴未艾，传统塑钢门窗都是推拉窗，但推拉窗气密性和开启方式等方面存在一系列不便和缺陷，而随着人们生活水平的提高，平开翻转窗开始进入市场。平开翻转窗和推拉窗的结构区别在于五金件上，目前国内平开翻转窗五金件主要从国外进口。北新建材(集团)有限公司2001年在国家经贸委的支持下上马条全自动门窗五金冲压线，对于生产出来的五金件质量的寿命检测是一个新的问题。
五金件质量的寿命检测目前国内没有标准，我们参考欧洲的标准主要有以下几方面要求：
1：开启寿命：要求不低于50000次，动作要求模拟人工开启门窗，即先平开，执手在开关位置时（如图1中位置），为起始位置。逆时针转动90。 到平开位置，水平向外平开，窗扇开启大约35。(以平开转轴位置为轴心)，然后关闭窗扇，将执手顺时针旋转90。 到关闭位置；平开动作结束，执手回到开关位置时，再将执手逆时针转动180。 到上悬位置，向外、向下拉平开上悬，窗扇开启大约15。(以平开下转轴位置为轴心)，然后关闭窗扇，将执手顺时针旋转180。 到关闭位置；此平开与上悬为一个动作周期，为一次平开上悬开启。
2：开启频率：检测频率为5次/分
3：开关门窗力不大于100N，开启执手力矩不大于1N.m;
据笔者在国内和欧洲五大五金件生产厂参观的结果看，主要是用气缸来实现以上动作，虽然基本可以实现动作，但如果窗型复杂，这种设备适用的灵活性和方便性极差，我们考虑用伺服电机和滚珠丝杠来实现以上动作并克服其弊端，设备已调试完毕，运行效果良好。
二：系统设计
1． 系统结构
上面如1图是我们要用来做实验的窗体图。
其中1为平开转的方向
2为上悬转的方向
3为执手，如图执手在开关位置，即窗户关闭的位置
下面如2图是设备的结构简图
2图中1，2号为伺服电机，其中1号电机用于转把手，2号电机用于推拉窗户，2号电机的出轴用的是丝杠。1，2号电机的出轴分别加装扭力和拉力传感器，图中3的长杆作用于窗善的执手处，
2．系统工作原理
我们用两台伺服电机，这里我们选用了三菱公司的MR-J2S-A型伺服电机，一台用于开执手，一台用于开窗扇，用三菱公司的FX2N型PLC控制整个系统的协调工作，系统的状态由触摸屏来显示和调整，如工作频率和次数的设定，实际工作次数、系统故障原因及拉力和扭力的显示。拉执手的长杆在执手
接头处有一类似于机器手的万向接，便于换向。
现将系统的工作流程描述于下：
1） 在触摸屏上设定工作频率和次数和窗型大小。
2） 在操作台上选定是要进行平开检测还是要进行平开上悬开检测（以下以平开上悬为例描述），启动任务，系统开始运行。
3） 首先1号伺服将执手逆时针旋转90º到平开位置，即将执手置于水平位置。
4） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往外平开，窗扇开启大约35。(以平开转轴位置为轴心，即1图中的2处)。
5） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往里关上。
6） 1号伺服将执手顺时针旋转90º到关闭位置，即起点位置。以上完成一次平开检测。
7） 1号伺服将执手逆时针旋转180º到上悬位置，即和窗扇平行位置。
8） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往外平开，窗扇开启大约15。(以平开下转轴位置为轴心，即1图中的1处)。
9） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往里关上。
10） 1号伺服将执手顺时针旋转180º到关闭位置，即起点位置。以上完成一次平开上悬检测。
以上是实验机的工作流程，由于窗型大小不一，窗扇开启35º时，2号伺服
沿丝杠方向行走距离不一样，所以每次实验开始必须要在触摸屏上选定窗型大小，另外有外平开和平开上悬窗户的区别，它们的工作流程也不一样，所以要在工作前选好，否则会损坏五金件。
三：硬件设计
根据系统工作原理和工艺要求，为了使系统具有广泛的灵活性和适用性，电气系统图如图3。
PLC共50点，其中30点输入，20点输出，为了节约成本，考虑到本系统的特性，我们用2块单轴位控模块来控制两个伺服电机，触摸屏和PLC间通过RS232串口通讯，由于工艺要求在开关窗户时需要测量扭执手和拉窗扇的力，便于分析五金件损坏的原因，我们分别在两个伺服电机的出口装了拉力和扭力传感器，传感器的信号给称重仪进行变送输出，称重仪可以设定拉力或扭力的上限值，通过开关点输出给PLC，而工艺要求在触摸屏实时显示拉力和扭力值，我们用触摸屏的RS485口和两台称重仪RS485口实时通讯，方式是根据地址和它们分时进行。另配微打随时打印拉力值和扭力值，微打和触摸屏的LPT口直接相连。
由于伺服电机的特殊性，每工作一段时间我们需要找一次各电机的零点，保证每次工作循环在同一原点，所以用了两个接近开关用作两个伺服的原点检测。
四：软件设计
系统软件分为PLC系统控制程序和触摸屏与称重仪及微型打印机的通讯程序。系统控制程序用梯型图编制，主要完成系统的逻辑控制，使得系统各设备能协调工作.PLC控制程序分为手/自动程序，其中手动程序是将一个完整的自动过程分解成四步：平开打开，平开关闭，上悬打开，上悬关闭，其主要用于调整用。而自动程序分为自动平开和自动上悬。对于本程序来讲控制伺服部份的程序是关键。通常情况下，伺服电机一般用于单一目的送料或单一轨迹的行走，但本程序中，每个程序周期中伺服的行走轨迹每一步都要变化，因此要实时的跟踪伺服所处状态，即伺服是处于运行还是到位状态。本例中我们用了八个数据寄存器D0-D7，D0到D7中分别是伺服每步移动的距离值，程序流程图见图四。伺服控制器中有一个专门的缓冲区存取伺服马达每转一圈所需脉冲数，伺服马达每转一圈移动的距离，伺服马达的高速度和运行速度，伺服马达目标移动距离等系统数据。程序运行的每个分步完成后，将D0—D7的值分别送到伺服的缓冲中去，同时D0—D7的值要在触摸屏上能显示和修改，因为对于不同的窗型D0—D7的值不同，同时在触摸屏上也要求能修改伺服的运行速度和工作循环次数，这样大大的提高了设备的工作效率和灵活性。
另外本系统中有两台称重仪要和触摸屏通讯，由于是采用RS485串口通讯，触摸屏一个时刻只能和一台称重仪通讯，因此我们采用分时的方式分别和1＃，2＃称重仪通讯，从而将拉力值和扭力值在触摸屏上显示。
本系统成功地克服了用气缸进行的门窗实验机的缺陷，具有很高的灵活性和广泛的适应性，填补了门窗实验机的空白。
早期的DCS是完全封闭的，由各个生产厂自己生产I/O组件、控制站、操作员站、工程师站，自己设计开发系统网络和控制组态软件。用户在其中任何一个环节都脱离不了该DCS生产厂，处处受其制约。也就是说，各个DCS生产厂的硬件(包括I/O组件、控制站、操作员站、工程师站)不能互相代用，系统网络互不兼容，无法互通信息，控制组态软件种类繁多。甚至连拥有多个DCS生产厂的跨国仪表公司，其下属的各DCS生产厂的产品也有这种情况，如ABB公司，其下属的DCS有贝利 (Bailey)公司的INFI-90、阿西雅(Asea)公司的MASTER、哈特曼·布朗(Hartmann & Braun)公司的Freelance 2000。
近年来，这种情况有所改变，操作员站、工程师站可采用通用计算机；各个厂家纷纷放弃各自的系统网络转而采用通用计算机网络；当DCS融入现场总线技术时，甚至连I/O组件也可以选择。而唯一没有变化的是控制组态软件。控制组态软件互不通用，使用户每采用一种新的软件时就得重新学习，制造厂也得为控制组态软件的开发投入大量人力物力。
PLC在这方面走在 DCS的前面，早在1993年国际电工委员会(IEC)就制定了IEC1131 PLC的标准。
本文将通过对PLC标准化编程的IEC1131-3标准及其在PLC中的应用情况的介绍，分析该标准在DCS中应用的可能性及目前的应用状况。
一 PLC与IEC1131-3标准
基于微处理器的PLC自1968年问世以来，已取得迅速的发展，成为工业自动化领域应用广泛的控制设备。当形形色色的PLC涌入市场时，国际电工委员会及时地于1993年制定了IEC1131标准以引导PLC健康地发展。
IEC1131标准共分为5个部分：IEC1131-1为一般信息，即对通用逻辑编程作了一般性介绍并讨论了逻辑编程的基本概念、术语和定义；IEC1131-2为装配和测试需要，从机械和电气两部分介绍了逻辑编程对硬件设备的要求和测试需要；IEC1131-3为编程语言的标准，它吸取了多种编程语言的长处，并制定了5种标准语言；IEC1131-4为用户指导，提供了有关选择、安装、维护的信息资料和用户指导手册；IEC1131-5为通信规范，规定了逻辑控制设备与其他装置的通信联系规范。
该标准是由来自欧洲、北美以及日本的工业界和学术界的专家通力合作的产物，在IEC1131-3中，专家们首先规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，然后从现有编程语言中挑选了5种，并对其进行了部分修改，使其成为目前通用的语言。在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。图形化语言有梯形图、顺序功能图、功能块图，文本化语言有指令表和结构文本。IEC并不要求每种产品都运行这5种语言，可以只运行其中的一种或几种，但均必须符合标准。在实际组态时，可以在同一项目中运用多种编程语言，相互嵌套，以供用户选择简单的方式生成控制策略。
正是由于IEC1131-3标准的公布，许多PLC制造厂先后推出符合这一标准的PLC产品。美国A-B公司属于罗克韦尔(Rockwell)公司，其许多PLC产品都带符合IEC1131-3标准中结构文本的软件选项。法国施耐德(Schneider)公司的Modicon TSX Quantum PLC产品可采用符合IEC1131-3标准的Concept软件包，它在支持Modicon 984梯形图的同时，也遵循IEC1131-3标准的5种编程语言。德国西门子(Siemens)公司的SIMATIC S7-300、S7-400、C7-620均采用SIMATIC软件包，其中梯形图部分符合IEC1131-3标准，而任选的软件S7-SCL(结构控制语言)可进行公式计算及复杂优化算法的简化运算等数据处理工作，另一个任选软件S7-GRAPH(标准化显示)可完成带多种条件转换的复杂顺序控制。据介绍，这两个任选软件相当于IEC1131-3 标准中的结构文本和顺序功能图。为方便用户，它们也可以提供转换软件将西门子公司(其产品包括已兼并的原德克萨斯仪表公司的PLC)早先使用的STEP 5/TISOFT程序转换到SIMATIC S7系统中。德国倍福(Backhoff)公司的WinCAT PLC控制自动化系统采用了T WinCAT工控软件，它支持IEC1131-3标准的全部5种语言。台湾研华公司的ADAM-5510/P31及由北京集控公司经销的STAR P31 PLC产品均采用了Paradym-31软件包，它包含了IEC1131-3标准中规定的顺序功能图、梯形图和功能块图3种语言。
二 DCS采用IEC1131-3标准的可能性
曾为霍尼韦尔(Honeywell)公司、ABB贝利公司、西屋(Westinghouse)公司、罗克韦尔公司提供控制软件的一家美国公司，近期推出了带有PLC形式的M过程控制系统，但用户就M系统是否符合IEC1131-3标准的问题而提问时，该公司回答说：“IEC1131-3标准是专门为PLC系统制定的，它的目的是为逻辑控制器的开发提供一个基准，即使用相同的程序(甚至是相同的编程工具)，这些包括在技术标准中的许多要求并不适用于过程控制系统，因此M系统和许多DCS过程控制系统一样，发现IEC1131-3标准并不适用于过程控制”。
或许是因为担心影响公司产品在控制软件市场上的销售量，这样的观点在作者看来多少有点片面。事实上如今的PLC早已不是单纯的逻辑控制器，许多PLC产品已经吸取了DCS的长处，与DCS相互渗透并融为一体了；以往属于DCS的常规PID控制、回路控制、复杂的数学运算等功能在PLC产品中已屡见不鲜了；DCS要完成的功能，应该说PLC系统基本都能完成。因此许多学者认为DCS与PLC所实现的功能越来越接近，两者的差别将逐渐消失。PLC系统可以采用IEC1131-3标准完成控制软件组态工作，DCS借助这一标准也应该能够完成控制软件组态工作。
具体来说，DCS控制组态软件所涉及的功能主要包括开关量的逻辑控制、模拟量的PID控制和复杂的数学运算这3大类功能。采用梯形图、顺序功能图、指令表等编程语言可完成开关量的逻辑控制是不言而喻的；采用功能块图实现简单PID、回路控制也是可行的，更复杂的回路控制可以借助结构文本来实现；数学运算同回路控制一样，也可借助功能块图和结构文本语言。更复杂的要求在DCS中目前也是采用一些特殊的设备、特殊的组态方式加以处理的，如在霍尼韦尔公司的TDC-3000系统中，可采用应用组件、计算单元和CL控制语言专门完成这些工作。
三 IEC1131-3标准在DCS中的实际运用
德国西门子公司的SIMATIC PCS7 DCS是在SIMATIC S5、S7的基础上开发的，它所使用的工程师工具集(Engineering Toolset)全部采用了IEC1131-3标准。美国慕尔过程自动化(Moore Process Automatic Solution)公司在其四重化冗余的安全PLC(QUADLOG)控制系统中采用了4-mation组态软件。该软件符合IEC1131-3标准中的4种编程语言：梯形图、顺序功能图、功能块图和结构文本，而在该公司APACS DCS/PLC混合控制系统中也采用了4-mation软件。美国费希尔—罗斯蒙特(Fisher-Rosemount)公司于1996年推出的带现场总线的控制系统DeltaV采用了IEC1131-3标准组态。美国利诺(L&N)公司的MAX1000+PLUS DCS在其组态工具MAXVUE中集成了法国CJ International公司的ISaGRAF软件并作了相应的扩充，可提供IEC1131-3标准的5种编程功能。瑞士ABB公司下属的Hartmann & Braun公司的Freelance 2000 DCS的组态软件DigiTool支持IEC1131-3标准中的4种编程语言：梯形图、顺序功能图、功能块图和指令表，同时它还可以提供多于190个经过现场检验的功能块子程序和多于200个用户自定义组态的图形符号。以生产Citect工控软件的CiT
(西雅特)公司的MOX模块化开放式控制系统(其中包括CSS采样监控系统)采用了IEC1131-3标准组态，所使用的软件也是法国CJ International公司的ISaGRAF软件。国际现场总线基金会为实现各公司产品的互可操作性，制定了几十种常用的标准功能块及其参数，基金会声称这些功能块遵循IEC1131-3标准的功能块图。
上面的例子中两次提到法国CJ International公司的ISaGRAF软件，它是目前符合IEC1131-3标准的三大组态软件之一(另两个是美国Wonderware公司的InControl和美国 Wizdom Controls公司的Paradym-31)。ISaGRAF软件是一个具有bbbbbbs风格的以图形为界面的友好平台，可用来对系统进行组态、调试和维护。
国内DCS产品在这方面并不落后，早引入IEC1131-3标准的是冶金部自动化研究院智能装备所，在该所生产的EIC2000现场总线控制系统中采用了该标准。如在EIC2000-LON子系统中包含的OnLon软件和EIC2000-ST子系统中包含的Workbench软件，都得到ISaGRAF软件的支持。北京和利时公司也较早认识到IEC1131-3标准的重要性，所以他们在HS2000 DCS中就已经采用了梯形图、功能块图和结构文本的标准语言，并且在1999年推出的FOCS带现场总线的控制系统和MACS先进控制系统中，采用了IEC1131-3标准的全部5种编程语言。而在电力行业业绩显赫的上海新华控制工程公司的XDPS-400 DCS中，控制组态软件采用了IEC1131-3标准的功能块图编程语言。在化工行业应用颇多的浙江威盛自动化公司在其新推出的支持现场总线的FB-3000 DCS中采用了符合IEC1131-3标准的控制组态软件。在国内DCS应用已达500套的浙江浙大海纳中控自动化有限公司，其新系统JX-300X也支持IEC1131-3标准的梯形图、功能块图和顺序功能图。2000年6月，深圳德维森公司推出TCS柔性控制系统，其控制组态软件TP311、TP321中采用了IEC1131-3标准的软件包。
我们在工程实践中对用于物料成分配料控制的HS2000 DCS进行控制软件组态时，使用了梯形图、功能块图和结构文本等多种编程语言，特别是采用了结构文本对X荧光分析仪分析结果进行物料配比控制的复杂算法组态中，发现其功能相当强大，并没有产生IEC1131-3标准不适合过程控制的任何感觉。
，采用IEC1131-3标准的编程语言方便实用，标准化程度高，用户很快就可熟悉组态工作，并把原先所掌握的知识用于新的系统；对制造厂来说，可以把人力、物力投到DCS的硬件、网络或其他方面。由此看来，DCS的控制组态软件采用IEC1131-3标准应该是DCS的发展方向之一。
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。
2 系统结构
本系统结构图如下：
其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。
由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。
在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。
触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。
3 软件设计
3．1 给纸设计
印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：
在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。
3．2离合压设计
离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。
在设计中，离压，合压的程序流程如图所示：
印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。
3．3 人机界面设计
在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示：
4． 结束语
印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏>监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。
