西门子6ES7216-2AD23-0XB8使用选型

随着激光技术的发展，激光测距传感器在检测领域得到了越来越多的应用。基于HOLLIAS-LEC G3小型一体化PLC的激光测距系统，在上位机监控下，对多台激光测距传感器采集的数据进行处理，通过PLC把数据传送给上位机应用软件。

激光测距传感器的基本原理是通过相位测距技趵慈范勘昃嗬搿V灰獬龇⑸浜徒邮展獠ǖ南辔徊睿纯傻玫侥勘甑木嗬耄虼讼辔徊饩嗫衫斫馕缘髦乒獠ò氩ǔの安饬砍叨取暗木嗬氩饬糠椒ā?/P>

激光测距系统的核心部分为和利时公司基于HOLLIAS-LEC G3系列小型一体化PLC的40点CPU模块LM3108，该模块包含PORTO和PORT1两个串口，其中PORTO为RS485通信接口，PORT1为RS232通信接口，利用RS232通信接口可建立PLC与上位机的通信，实现PLC程序的下装和监控。利用RS485通信接口可建立PLC与现场仪表通信。利用PLC自由口协议可设置各类通信参数，方便地与激光测距传感器进行通信。PLC通过自由口协议接收多台激光测距传感器发送过来的数据，根据传感器提供的数据格式解析数据包、计算出测量的距离。该系统还具有显示测量距离，在非正常情况下报警，与上位机进行数据交换等功能。

该方案的控制程序选用和利时公司的编程软件PowerPro实现，根据传感器通信参数要求，设置PLC的PORTO通信协议。PLC采用自由协议方式接收激光测距传感器的数据，用%MB400-%MB411的12个字节作为通信接收寄存器，存放自由口通信方式下所接收的数据。由于PLC对传感器操作指令的形式是ASCII码，在发送数据时，需把来自传感器的ACSII码转换为PLC可操作的十六进制数，并写入数据缓冲区后，再进行偶校验，校验完成后写入发送缓冲区，供串口发送。同样，杂接收数据时，需把接收缓冲区的ACSII码格式数据转换为十进制数，存放在自定义的寄存器中，后以视图形式显示。

该方案成功地实现了小型PLC通过自由协议监控多台激光测距传感器，且系统结构简单，运行稳定可靠、运行效果良好。

一、原系统分析

株洲硬质合金厂空调系统共有溴化锂机组两台，其中冷冻水泵2台功率为200KW，采用自耦降压启动。操作工根据负荷情况开1台或2台。单台水泵大输出流量为600m3/h，系统全开时为1200m3/h。现水泵运行出口压力为4.5-9kg，小流量需求为200m3/h，大流量需求为950m3/h。压力波动较大的原因为，冷冻水泵流量不能根据负载变化调节，一旦后级工段冷冻水量减少水泵出口压力就会急剧上升。冷冻水在管路里快速循环未充分换热就回水，造成回水温度低。水泵和主机都白白消耗能量。

当1#机组开起后，1#流量必须满足低流量值200 m3/h，如果用户流量没有达到低流量值时，机组就会停机保护，值班人员必须提前打开旁通阀，使部分冷冻水在机组内循环来保证机组内有200 m3/h以上的流量。2#也如此。

二、改造控制要求：

分三个阶段完成自动控制，下面以1#空调机组为例详细说明如下：

Ø机组冷水出口流量不得低于200 m3/h;

Ø当1台泵输出压力不能满足要求时，系统提示手动开启另一台泵;

Ø选择1#或2#泵为变频运行泵。

Ø当需求流量为0～300 m3/h时，1#泵定频运行，保证300 m3/h的总流量输出，旁通调节阀打开并做PID调节，以保证输出用户所需的流量;

Ø当需求流量为300 m3/h～600 m3/h时，1#泵变频运行并做PID调节，同时旁通阀门全关;

Ø当需求流量为600 m3/h～900 m3/h时，1#泵定频运行，输出300 m3/h 的流量;2#泵工频运行，输出600 m3/h的流量;旁通调节阀打开并做PID调节，保证6kg的输出压力;

Ø当需求流量为900 m3/h～1200 m3/h时，1#泵变频运行，并做PID调节，2#泵工频运行，旁通阀门全关。

变频系统通过控制柜上选择开关，选择任意一台水泵采用变频控制方式，其他水泵还采用原控制模式。被选择作为变频水泵的机组作为整个系统的调节水泵，来自动调节冷冻水流量。在自动控制模式下，利用PLC采集总管压力信号并根据PID运算发出变频器频率给定信号，自动调节电机（水泵）转速使冷冻水压力变化来实现自动控制。还采集输出流量送到PLC进行PID计算后再输出4～20mA的电流信号控制旁通阀，来实现恒流的效果。

同时PLC将现场参数，进出口压力值、变频器频率、电流、电机转速等上传至控制室内的人机界面进行参数显示。在控制室可通过人机界面对给定压力值、下限流量值、PID参数、变频泵选择和启动远程控制。远程实现各种操作，极大的方便了系统控制。控制方式本方案在保留原工频系统的基础上与原工频系统之间设置连锁以确保系统工作安全。

三、设备的配置

（1）友好的人机界面：由于系统需对每台机组的进口压力、出口压力、出口流量、总压力的上限值和下限值，PID参数进行设置，还要对所有的压力、流量值进行显示，还有报警信息进行记录。采用Eview的MT506LV人机界面。界面编辑了“主画面”、“控制画面”、“参数设置”、“故障记录”、“压力曲线”、“帮助”六个基本画面。主画面上对采集的压力、流量值、变频器的运行频率、电流进行显示，还显示系统当前状态和故障显示，让用户一目了然。

（2）PLC：

PLC是设备的大脑，选用的是艾默生网络能源有限公司的新产品EC20系列的PLC及模拟输入模块和模拟输出模块，EC20系列PLC是高性能的通用PLC，内存指令容量达到8k；典型基本指令执行速度0.09 ~0.42μS典型应用指令则为5~280μS支持高达50kHz的高速输入和80kHz 的高速输出；具有丰富的中断功能，有8路输入中断，3个定时，6路高速计数，支持工业标准的Modbus 通讯网络；指令有浮点运算、PID、高速I/O、通讯等20类共243条，具有掉电检测和后备电池保持，可扩展多个模块，扩展模块有数字型、模拟型、温度型的模块。EC20 的编程采用界面友好的窗口软件，支持多种编程方式：梯形图、指令列表、顺序功能图，方便地监控和调试，可在线修改程序。

（3）PLC的配置

主模块选用EC20-2012BRA，20点输入12点继电器类型输出。模拟输入模块采用8通道的EC20-8AD，模拟输出采用4通道的EC20-4DA。

（4）输入输出设备配置

输入设备有“手动/自动”选择开关，选择变频泵“1#/2#”、系统“启动”“停止”，还采集了工频、变频接触器信号进行互锁和状态显示。

输出设备有1#泵变频运行、2#泵变频运行、故障和复位继电器。

（5）模拟输入输出设备配置

利用EC20-8AD采集了总管压力、旁通阀位置反馈、1#机组出口压力、2#机组出口压力、1#泵出口流量、2#泵出口流量；用EC20-4DA输出电流信号给定EV2000-4T2000P频率，另一路输出4~20mA的电流信号到旁通阀。

四．工作原理

系统采用工变频互备，另外可以灵活的选择需变频的电机是1#还是2#由KM3、KM4来完成。

五．程序要点

EC20的COM0与EVIEW人机界面通过MODBUS协议进行通讯，COM1通讯口与艾默生的EV2000变频器进行自由协议通讯，PLC软件设置。

COM1的自由口协议中的波特率、数据位、停止位、效验位必须与变频器中设置一样才能通讯上。EC20时刻检测着变频器的频率、电流、故障再反映到人机界面上。

系统需恒压、恒流，所以做成双PID对变频器和旁通阀进行控制，控制的压力和流量在EVIEW人机界面上进行设置

在现场调试过程中，发现现场的负载在每天下午五点下班时会突变，由于负载500m3/h的流量突变成几十的流量，这个突变的时间只有两三秒的时间，而旁通阀动作的速度很慢，一个行程38mm需2分钟的时间，这样会造成空调机组保护停机，为了解决这一问题，采用实时时钟定时开度旁通阀，也就是每天在五点之前就给旁通阀一个开度，当设定的时间到达后，系统又恢复PID调节。

六．结束语

本系统已完成，已正式投入使用。由于采用艾默生的EC20系列的PLC进行控制，性能稳定，运行可靠，系统结构紧凑，节省能耗，便于维护。变频器的频率在40HZ左右稳定压力，节能率达到48%。因此不但大大的提高了产品的技术含量和自动化水平，而且还极大地提高了企业的经济效率，非常具有推广价值。

1.引言

随着机械自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用。称量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC 控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制，应用PLC 和触摸屏组成的控制系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度。

2. 包装机的工作原理

2.1 包装机的组成

称重式自动定量包装机由供料部分、称重部分与卸料部分组成。供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料，重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗，它通过和称重传感器相连，测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。如图1 所示，为包装机的组成图。

2.2 工作原理

称重式自动定量包装机的工作原理流程图如图2 所示。当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，完全打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，完全关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环。

3.控制系统硬件设计

该系统主要为开关量控制，料门的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。自动操作要求按一下自动/手动选择开关，机器自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按下停止按钮，则机器继续完成一个周期的动作，回到初始状态后自动停止。控制系统框图如图3 所示。

根据称重式自动定量包装机的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的PLC 具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 AC／DC／REL，它提供24 个数字量输入和16 个数字量输出，输入／输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，所以扩展了一个EM 235 模拟量处理模块，该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过PPI 协议和s7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。

4.控制系统软件设计

控制系统软件设计为各功能软件设计，包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。如图4 所示为软件系统的总体结构。

4.1 称重信号处理

由于称量信号存在干扰，需要对信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重，是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。

本系统采用滑动平均滤波方法，系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用新采集的一个数据替换n 个暂存数据中的早的一个数据，使得n 个暂存数据始终是近的数据。求平均后所得数据既反映了近的数据变化，又克服了随机误差带来的响。

所求的平均值为

标准差为

当标准差σ 小于设定值时，则系统稳定，当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同，可以设定不同的值。

4．2 PLC 程序设计

根据称重式自动定量包装机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC 输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等，输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。输出采用西门子公司STEP7-Micro/WIN32 软件进行编写，程序流程图如图5 所示。

4.3 POP 文本画面设计

POP-HMI 除 LCD 显示窗之外，还有22 个薄膜开关按键，其中16 个按键能被设定成特殊的功能键，用来完成画面跳转，开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI 可以设定灌装目标重量、大给料量、小给料量，同时实时监控称量重量，并且查看灌装数据