西门子模块6ES7216-2BD23-0XB8库存现货
1． 前言：
上海二纺机股份有限公司是从事纺织机械及纺织器材制造的大型企业之一，公司建立已有近90年的历史，常年致力于研发、生产、销售棉纺细纱机、粗纱机和自动络筒机等多种纺机设备。进入21世纪，上海及长三角飞速发展的经济环境、金融环境、信息环境和环保环境，为上海二纺机的持续发展提供了绝好的机遇，同时也面临着更大的挑战。在科学技术日益发展的，纺织机械电气控制系统的自动化程度也越来越高，从初的采用几十个继电器控制，发展到现在的可编程控制器（PLC），随着公司考虑开发更具市场竞争力的产品以应对日益激烈的国内、国际竞争，2008年中旬，我们设计试验了一套台达PLC控制系统，以应用在公司环锭细纱机上。
2．环锭细纱机简介：
上海二纺机股份有限公司的主导产品是棉纺毛纺厂使用的环锭细纱机，细纱工序是成纱的后一道工序，是将粗纱进一步牵伸30～50倍并加捻，纺成具有一定特数、符合相关质量标准的细纱，供捻线、机织或针织使用。纺织厂生产规模的大小是以细纱机总锭数表示的；细纱产量是决定各工序数量的依据；细纱的质量水平、原料物料耗电量等指标、劳动生产率等是技术和管理水平的体现，因此，细纱工序在纺织厂中占有重要的地位。新型环锭细纱机，首先是前后罗拉的严格同步，实现牵伸倍数和捻度的精密控制，保证高支数纱线的成纱质量；其次是采用先进的驱动控制技术实现十点曲线调速成形，从而实现了机械结构的简化、生产速度的提高、以及纱线支数和管纱成形的自动调节。
3．系统概述：
新型细纱机电气控制系统采用PLC控制整个纺纱落纱过程，具备纺纱过程所需的钢领板自动升降、留头率功能、中途停车后能自动记住纺纱位置跟踪开车、中途落纱、定长落纱等功能。可以设定和修改纺纱的各项工艺参数，实现定长落纱、机械落纱，可以根据用户的需要设定锭子的十点曲线长度和速度，以及班产量累计、设置密码保护及自动故障诊断等功能。对纺纱过程的锭速、前罗拉转速、前罗拉线速、捻度等进行计算并在文本显示屏上跟踪显示，并依据机器上各部分传感器自动协调控制，具有较高的系统整体抗干扰性。
4．整体控制系统方案
整体控制系统方案采用了台达DVP系列PLC。采用了一套台达DVP14SS11R作为PLC主机（输入：8点，输出：6点，继电器输出），选配了DVP16SP11R，16点I/O扩展模块（输入：8点，输出：8点，继电器输出），来组成40点PLC控制部分，采用一块DVP02DA-S，为2路模拟量输出模块，来分别控制主变频传动和钢领板升降变频驱动。使用台达平板型交流电机驱动器VFD-B-P系列变频器控制主传动电机和钢领板电机。显示单元部分采用台达TP04-AS2文本显示屏进行系统外部输入与纺纱各项数据的监控。
1、传动部分：包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、油泵电机及润滑装置、主变频器、升降变频器、清洁器装置、各种低压开关及接触器等。
2、三自动检测部分：该部分由三自动行程开关、停主电机接近开关、下钢领板接近开关、刹车片构成。其作用为落纱信号给出后能自动适应停车，自动留头，为重新开车降低断头创造条件。
3、变频器锭子速度控制：该部分由变频器、锭子传动部分、主电机构成，其作用是变频器依据程控器传输的锭子速度控制十点曲线自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。
4、数据检测部分：该部分由主轴、前罗拉测速光电管组成。功能为自动检测纺纱过程中主轴、前罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、前罗拉转速、前罗拉线速、捻度等工艺参数以及锭子速度曲线控制提供数据。
5、PLC控制部分：该部分由PLC主单元及IO模块、模拟量输出模块等构成，完成全机开关量输入、数据检测以及计算和过程控制，实现纺纱过程自动化和对机器运行情况进行监控。
6、显示单元部分：文本显示单元与PLC之间以通讯线实现连接，完成纺纱过程工艺参数显示设定，可直接设定锭子运行十点曲线，实现控制柔性化，同时对机器运行过程中出现的错误，实时监控反馈。
7、模拟量通讯部分：该部分由PLC的2路模拟量输出模块、变频器通讯模块部分构成，PLC的通讯接口与文本显示单元以通信线实现通讯完成参数设定显示，变频器以模拟量方式控制锭子运行速度曲线，整机的高可靠性和低成本极大的提高了机器性能比和市场竞争力。
图一：控制系统方案
5．PLC软件编程
通过台达WPLSoft软件对PLC进行软件编程，根据需要将不同功能的程序段分列，每个任务分别使用合适的编程语言如梯形图、语言等来完成。
(1) 梯形图编辑：
梯形图是使用得多的图形编程语言，其与电器控制系统的电路图很相似，具有清晰、直观、易懂的优点，很容易被掌握，特别适用于在系统中的开关量逻辑控制，具有可实时监控的特点，如图二，图三。
图二：梯形图
图三：输入指令图
(2) 指令编辑：
WPLSoft软件同时提供了指令编辑模式，进入指令模式编辑后，直接键入PLC完整指令，输入完成后的指令在编辑区中，左边为该指令在PLC主机的程序内存地址，可以清楚地得到指令在程序内存的相对地址，如图四所示。
图四：指令模式
6．应用效果
实际应用表明，采用新的控制系统方案后，全机将运动控制与驱动器功能集成在一起，系统具有较快的响应速度。前后罗拉严格同步，实现牵伸和捻度的精密控制，保证了高支数纱线的成纱质量，整套控制方案可靠性和抗干扰性能较优。同时由于纺织机械是一个竞争非常激烈的领域，因此成本也必须考虑在内，一方面是整体的硬件投资成本，另一方面是系统的运行成本。新控制方案的应用，比原先使用的方案硬件投资成本下降约25%左右，系统的运行成本基本持平，是一个比较有竞争力的产品设计。
7．结束语
本系统采用了台达控制系统解决方案，将纺织机械和现代先进控制技术相结合，使控制系统的现场化和抗干扰性能得以极大提高。并使纺机产品能实现复杂的控制功能，大量数据的实时准确采集和共享也得以实现，大大提高了纺织机械的先进水平。利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”的原则，极大降低了电气控制系统成本，台达PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活、操作维护方便的优点，有效的提升了产品的盈利能力，具有较高的应用价值。
一、脱硫PLC系统的配置情况
王滩电厂脱硫PLC控制系统采用树形网络，设置两层控制网络：上层网为辅助车间集中监控网，下层网为脱硫的车间级控制主干网。全厂辅控网设有4个操作员站、1个历史站、1个工程师站及2台相互冗余、相互热备的服务器、冗余的交换机；车间级控制主干网采用100M冗余光纤以太网，分别设有3台操作员站、1台工程师站、1台历史站及冗余的交换机，配有#1FGD、#2FGD、#1-2FG、#1-4FGD 四套PLC控制系统，配有中央处理单元（CPU）140CPU53414A四套（共8块） 、双机热备模块140CHS11000四套（共8块），冗余的通讯模件140N0E77101四套（共8块），输入输出模件，专用连接电缆及连接件和实时操作系统等。PLC系统编程软件为Concept2.6，监控软件为Ifix3.5无限点中文开发版。脱硫PLC控制系统通过1000M冗余光纤以太网交换机与全厂辅控网进行通讯，通讯协议TCP/IP，通过通讯接口，脱硫系统的监控纳入全厂辅控网，由单元机组集中控制室内的辅助监控站的运行人员完成两台炉脱硫系统的监控和管理。操作员站和控制站之间的通讯网络为双冗余工业以太网，冗余交换机，通讯协议TCP/IP。I/O站之间的通讯网络采用冗余的MODICON RIO网络，即远程I/O网络。现场系统结构示意图1。
二、脱硫网通讯中断原因分析
辅控网上有两台服务器直接从所有的PLC中采集数据，在脱硫系统中现场有五台上位机从PLC中采集数据。上位机SCADA软件采用的是IFix3.5。#1FGD、#2FGD、#1-2FGD、#1-4FGD为Quantum的双机热备系统，整个脱硫系统用德国Hirschmann交换机为双网配置。
各站的内存数据分配及上位机数据请求如下表1：
上位机通讯的性能与CPU的扫描时间、数据请求量及上位机的结构有较大的关系，从上述的表中我们可以得到除了#1-2FGD以外其他站的程序量是比较大的，单机的扫描时间都在50ms以上。另外从3：X类型的数据上看，除#1-2FGD以外其他站的数据量都在50000个字以上。这些因素导致PLC在建立双机热备之后所需要的扫描周期在200ms左右，因为每个周期为保证数据的主备机同步，这些数据都需要从主机传到备机。现场检测#1FGD在建立双机热备后实际的扫描周期在196ms左右，比单机时扩大了近3倍，从而使得对上位机的响应很慢。另外脱硫系统中有共计有7台上位机直接从PLC中采集数据，也会导致上位机响应较慢。当出现通讯超时的情况时，SCADA会表现出通讯中断的现象，但此时PLC对于过程控制的处理是正常运行的。要提高数据的响应速度可以从上述的几个方面进行分析。
三、改进的可行性方案
3.1 减少直接读取PLC的上位机数量
根据实际操作的需要保留适当数量的上位机，平时不用的站将其IFix3.5关闭可以改善通讯性能。或采用客户机/服务器方式，保留两台主机服务器从PLC采集数据，其他操作员站从服务器得到数据。
3.2 合理配置上位机数据请求以减少数据请求量
在IFix中对离散量数据一个请求可以采集2000个点，对字类型数据可以采集125个字。在配置I/O数据请求时尽可能将需要采集的数据放置在同一个请求中采集以减少数据请求数量，如#1FGD、#2FGD、#1-4FGD的0:X类型的数据作优化可都可以减少一个请求。对于7台上位机来说就可以减少7个请求。但此种变动可能需要对程序作少量修改。另外现场系统采用的双网络结构，可以分配上位机从不同的NOE模块中采集数据。如辅控网从一个NOE采集数据，就地控制从另外一个NOE采集数据，这样可以有提高SCADA的响应性能。
3.3 优化程序减小双机热备时的扫描周期
现场的程序量较大，会导致双机热备时所需的热备字数量较大，从而使得双机热备时扫描周期大大增加。可以优化程序如减少非定位变量的应用，减少DFB在双机热备系统中的应用可以减少热备字数量，但此种修改工作量较大。
3.4 采用的新Unity Quantum双机热备CPU模块
以上的几种方法可以适当地改善目前的通讯性能，但若需要大幅度的提高通讯性能则采用Unity Quantum CPU。主要原因有两个：新的CPU其程序计算速度及双机热备时数据传输速度大大提高，从而使得PLC的扫描周期非常短。 Unity下的以太网通讯响应请求能力相比于Concept 下的Quantum双机热备提高了2到4倍。将#1FGD的程序转换到Unity程序后，根据测试的结果其扫描周期在双机热备的情况下可减小到40ms左右。在不变更目前上位机配置下，理论计算可以有30台上位机同时连接也能满足性能要求。 将Concept程序转换到Unity Pro的程序是比较方便的，程序结构与Concept类似只需作少量的检查工作。Unity Pro操作界面略有不同，但在Concept的基础上是很容易学习撑握的。系统的硬件及接线除更换CPU和CHS模块外无需作任何其他的改动。因此，我们选择了对原控制系统CPU控制器的升级达到减小扫描周期的目的。
四、CPU升级及注意事项
4.1 CPU升级
根据以上的分析，终确定采用方案4，将原系统中型号为140CPU53414的CPU更换为140CPU67160（要求内存为7M），通过Ethernet MTRJ-MTRJ光纤电缆将热备的两个CPU相互连接。并且为新更换的CPU增加可扩展的Unity v2 PCMCIA存储卡（SRAM）,型号为TSXMRPC007M，使该控制系统达到可靠的冗余热备。只需在Unity编程软件中对新更换的CPU以及槽号进行配置即可。升级后的PLC控制系统#1FGD、#2FGD、#1-2FG、#1-4FGD的扫描周期仅为34ms、37ms、19ms、40ms，彻底解决了双机热备时通讯中断的问题。
4.2 CPU升级的注意事项
4.2.1 工艺系统安全停运
CPU升级过程中，工艺系统的运行状态将无法监视和控制，整个升级过程少则需要一两个小时，多则可能长达十几个小时，好选择在机组停运的时候，如不能则一定要做好相应设备的安全措施，无法停运的设备切换到就地运行，如搅拌机和润滑油泵等。
4.2.2 CPU型号与NOE版本匹配
需要特别强调的是CPU的型号一定要和NOE的版本匹配，否则将无法将程序下载到CPU中。在升级过程中，程序通过MAC地址能连接到CPU，但是通过以太网和USB接口无法将程序下装，因为本次升级是在原来concept2.6的基础上进行的，且NOE模块为2005年采购安装并使用的，显然NOE版本和CPU的型号不一致。在升级前一定要在Unity Pro XL程序下，用OSLOADER功能采用相应的升级文件将NOE模块升级到Unity下匹配的版本，当系统名称、系统硬件编号和错作系统版本显示无误后才可完成程序下装。
4.2.3 IP地址的配置
Unity Pro XL在用以太网方式连接时，首先将NOE模块上写的4组十六进制的数字换算成10进制的4组IP地址，再将本机的IP地址改成同一网段的地址即可。有时候连接不上的话，可以试着配置在以太网模块上的IP的后一位加1，因为加1是带双机热备的IP地址，系统自动加了1。
方案实施后取得了较为明显的效果，实现了脱硫系统的CPU双机热备运行，且不再出现通讯中断的现象。为机组的稳定运行奠定坚实的基础，全面提高了全厂辅控系统的整体控制水平，为机组安全、稳定、经济运行奠定了坚实的基础。
