西门子6ES7231-7PC22-0XA0产品规格
1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，tigao实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
2 系统配置及网络结构
实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度liuliang等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:
图1 过程控制系统实验装置结构图
2.1 现场部分
现场部分是所需控制的液位、温度liuliang和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入/输出模块)。
2.2 控制单元
控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
2.3 上位机
上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。
3 网络系统原理
PROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
SIMATIC工业以太网是基于的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信可靠、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
4 网络系统组态
组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
4.1 硬件组态
在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
4.2 DP从站组态
以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时完全不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。
图2 ET200M从站与DP主站的组态
图3 ET20M从站的信号模块组态
4.3 端口设置
(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的MAC地址，地址为CP343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配唯一的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、高站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
4.4 程序的编写和调试
STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。
5 WinCC监控通讯组态
WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
首先添加SIMATIC S7 Protocol suite.CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。
6 结束语
本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。该实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略。
0 引言
某印刷厂的台湾产JHML-T1000型湿式复合机原有的微机控制系统,采用各种板卡(信号采集输入卡、各种控制输出卡、张力控制板、显示卡等)和总线的分散控制结构。因年代久远和生产环境的影响以及没有对生产过程实施有效的张力控制，引起系统的不稳定。导致产品质量和产量下降。张力控制是整机的核心，也是影响产品质量的主要因素。在复合过程中，张力控制得当，就不会产生纵向或横向的褶皱，材料本身不会发生塑性形变。在印刷过程中，只要张力稳定，印刷的套准精度和废品率就很容易控制。机器速度越高，张力控制就显得越重要。要得到高质量的产品，就必须配备功能完善的张力控制系统。因此，对该复合机张力控制系统进行了全面的技术改造：用PLC为核心的控制系统取代原有的微机控制系统，以期对该设备进行稳定可靠的张力控制，从而满足生产工艺的需要。
1 系统介绍
复合机张力控制系统结构如图1所示。整个系统分为放卷、张力从动控制和复合、印刷与卷取主动控制两部分。
1.1 放卷张力从动控制
放卷张力控制分为两段，即纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷时均采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节传动力矩来满足张力恒定的要求。同时因为这两段的距离比较短，所以张力初始值的设定要小一些。值得注意的是，料卷越重，放卷张力就越大;卷径相同时，料卷越宽，张力越大。
1.2 复合—印刷—收卷张力控制
复合—印刷—收卷张力是由复合辊、印刷辊和收卷辊之间的速度差造成的。在复合机中，通过调节复合辊电机、印刷辊电机和收卷辊电机的速度输出来达到调节这部分的张力。除了受速度差的影响外，还与实际基材的伸缩率、厚薄变化、干燥温度、高燥区长度、料带的传输速度等因素有关。如果基材的伸缩率越大，在张力作用下越容易变形，所以应针对不同材质的基材适当调整整流输出，改变速度差，从而得到一个合适的张力值。如果基材厚度不均匀，复合辊和印刷辊的压力就会波动，从而造成速度的变化，也影响了张力。如果这部分的张力太小，就会出现褶皱，甚至造成堆积现象。但也不能过大，张力太大会使料带发生变形，甚至出现纵向皱纹。
2 系统方案
针对原来工控机系统分立板卡结构的缺陷，采用以PLC为核心的张力控制系统，数字量输入输出采用CPU226自带的输入输出和数字量扩展模块EM221的8路输入和EM223的16路输入/16路输出实现;模拟量输入采用EM235模块，模拟量输出采用EM235模块和EM232模块。系统总体结构框图如图2所示。利用2台磁粉制动器控制放卷过程的张力，4路张力检测器实现各段张力的检测输入，3台直流调速器实现对3台拖动直流电机的控制，后通过PLC完成系统的逻辑控制。
3 系统硬件
在张力控制系统的设计中，采用西门子S7-200系列小型PLC作为逻辑控制核心，通过它来控制复合机生产过程中的各个环节。通过对磁粉制动器和直流拖动电机的控制，实现生产过程恒张力控制。根据复合工艺流程顺序，整个张力控制系统也可以按不同工艺过程分为如下4个部分来处理。
3.1 放卷控制
1、 放卷过程结构
放卷过程张力控制分为两段：纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节制动力矩来满足张力恒定。张力传感器检测负载张力，经过张力信号放大器以后，送到控制器中。控制器综合给定和反馈张力，输出控制信号，经功率放大器驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环控制系统。
2、 输入输出信号
放卷过程输入输出信号流如图3所示。装在张力感应辊两端的张力传感器把感应压力转换为电压信号，经过放大变成0～10V标准信号，输入PLC模拟量输入口。在张力控制过程中，给定值与反馈值比较后，得到一个张力偏差量e(t)，经PID算法子程序处理后，获得控制量u(t)，经功放后驱动磁粉制动器，以此控制刹车的制动电流大小，进而控制刹车输出制动转矩，从而使放卷张力维持在一定的范围，实现张力的恒定。
3.2 贴合控制
纸料和铝箔料放卷以后，在牵引力的作用下，分别以料带形式经过导辊。在贴合操作之前，先要进行涂布。涂布就是在料带上涂上类似于胶水的化学物质，这样才能进行贴合。涂布以后的纸料和铝箔料在牵引力作用下进入贴合辊，在贴合辊和贴合轮的压力和涂布胶水双重作用下，纸料和铝箔料被紧紧地粘在一起，完成贴合过程。贴合过程对PLC说是开环的。但直流调速器与直流电动机之间是转速、电流双闭环的逻辑无环流控制，这样就保证了电机速度控制的jingque性和稳定性，所以对直流调速器—直流电动机系统来说，仍然是闭环控制。PLC仅仅提供一个速度给定值。
3.3 印刷控制
复合以后的料带通过导辊进入印shuadan元，在经过一系列印刷工序处理以后，在牵引辊施加的牵引力作用下，从印shuadan元出来，进入下一道工序。在这个过程中，首先是传感器采集到的张力信号先经过信号变送器的处理，然后进入张力控制器的反馈输入端。在与张力给定值进行比较以后，输出控制信号，控制直流调速器的工作。直流调速器根据张力控制器的输出，来控制直流电动机的转速，完成印刷过程张力的闭环控制。控制器输入有张力反馈输入和给定输入，控制器输出为速度控制输出。输入输出信号流图4所示。
3.4 贴合、印刷、卷取过程电机拖动电路
该系统的电机拖动，采用了SIEMENS公司的SIMOREGK 6RA24型全数字直流调速装置作为直流拖动电机的驱动、控制装置。调速系统有4个模拟量输入口，5个模拟量输出口，8个开关量输入和4个开关量输出口，其装置软件很容易替换。使用相当方便。
由于复合机只有短时的正反转，其余均为正转，其短时正反转(点动)可以由接触器来解决。故选择单相限调速器。数字化调速器的控制功能是靠软件来实现的，所以必须进行参数设置。本系统对控制精度无特殊要求，不使用测速接口。
4 系统软件
控制系统主程序流程图如图5所示。
主程序首先是初始化。PLC开机扫描，运行开机初始化子程序，通过调用该程序完成系统存储器有关数据的初始化。然后是电源和故障检测输入部分。如果电源关闭，则程序运行直接转向结束，程序执行完毕;如果电源打开，则程序开始检测故障输入。如果没有故障，则继续下面的扫描;如果发现故障，则调用报警子程序，然后程序转向结束，程序执行完毕。然后是自动/手动选择。手动操作仅用于调试设备，而自动操作才用于生产。如果是手动，则调用手动操作子程序。接下来是运行与停车判断。当输入是停车时，则程序执行停车子程序;当输入是运行时，则程序执行运行过程。紧接着就是变速操作。如果系统给定发生变化，则运行变速子程序，使系统不断靠近而终达到新的系统速度。后是张力的PID调节部分。该部分通过控制2台磁粉制动器和2台直流电动机，完成系统的张力控制。
5 结束语
本系统利用SIEMENS S7-200小型PLC作为控制核心，实现了对现场信号的输入和系统的实时控制，保证了响应的稳定性和快速性。软件设计采用模块化设计思想，程序结构清晰，为以后的维护和改进带来了方便。张力控制系统是整机运行的核心，也是影响产品质量的主要因素。运行结果表明，该复合机张力控制系统运行正常，性能良好。
