西门子6ES7231-7PB22-0XA8诚信交易
引 言
物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
1 系统介绍
包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处理。
图1 工艺流程
2 PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机 分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示，其具体组成如下：
图2 系统硬件结构配置图
（1）中央控制单元
中央控制单元选用 CPU315-2DP作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
（2）电源单元
电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。
（3）输入输出单元
系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V。
（4）通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常（距离约300米），在本系统选用了CP 342-5通迅模块，通过PROFIBUS 进行配置和编程。
2.2 变量分配
控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
3 包装输送控制程序设计思想
3.1 系统控制方式
包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。
3.2 控制程序设计
该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。
根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：
（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。
（2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。
（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。
本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、
总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图3给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。
3.3控制设计思想
（1）回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
（2）回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
（3）在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
（4）上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。
4 WINCC组态软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在bbbbbbs2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图4是监控软件的结构。
WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
5 监控系统主要实现的功能
（1）显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
（2）报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
（3）历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
（4）画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
（5）管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
（6）操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。
6 结束语
本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。(
1 引言
PLC（Programmable Logic Controller）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通讯技术的一种工业自动控制装置。PLC作为新一代工业控制计算机，因其具有体积小、功能强、通用性好、实用性强、硬件配套齐全、程序设计简单易学及维护方便等优点而被广泛应用于工业领域。由于PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但如果环境过于恶劣，如强磁场、强腐蚀、高粉尘、强辐射、剧烈的冲击和震动，都不能保证PLC正常、安全地运行。因此，研究PLC控制系统的抗干扰设计具有十分重要的现实意义[1]。
2 影响PLC控制系统可靠性的主要因素
PLC控制系统的可靠性通常用平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，简称WIBF）来衡量。它表示系统从发生故障进行修理到下一次发生故障的时间间隔的平均值。PLC装置本身是非常可靠的，而PLC控制系统的干扰主要是外部环节和硬件配置不当引起的。一是电源侧的工频干扰，它由电源进入PLC装置，造成系统工作不正常;二是线路传输中的静电或磁场耦合干扰，以及周围高频电源的辐射干扰，静电耦合是通过信号线与电源线之间的寄生电容，磁场耦合发生在长布线中线间的寄生互感上，高频辐射是通过高频交变磁场与信号间的寄生电容;三是PLC控制系统的接地系统不当引起的干扰。因此，在实际设计中往往从以下几个方面考虑[1]：1）对程序和数据的保护;2）对工业生产环境的适应性;3）故障安全原则，系统间独立性原则与冗余及容错结构;4）运行时的实时性和连续性。
3 PLC控制系统的抗干扰设计
根据影响PLC控制系统可靠性的主要因素，在PLC控制系统开发设计时，应该从系统软件和硬件两方面考虑，以提高PLC控制制系统的可靠性和抗干扰能力。而在生产实际应用中，主要考虑控制系统的硬件抗干扰设计。
3MZ203D机床是轴承套圈内圆磨床，根据生产实际要求和多年的实践经验，对该3MZ203D内圆磨床的PLC控制系统硬件抗干扰设计及应用采取了相关措施，下面对此进行介绍。
3.1 抑制电源系统引入的干扰
为了抑制电网大容量设备起停引起的电网电压波动及工频干扰，这方面可采用隔离变压器，并进行滤波，所有屏蔽层进行良好接地。如图1所示。
3．2安装与布线额的抗干扰设计应用
在大地电位变化较大的场所，PLC系统受到共模干扰，而且很容易转变为串模干扰，因此控制系统的接地系统设计就尤为重要。控制系统的接地方式采用独立接地方，如图2所示。接地时应注意：接地线应尽量短且截面积应大于2mm ； 接地点尽量靠近控制器；接地线应避开强电回路和主回路的电线，无法避开时应垂直交叉；接地电阻应小于2Ω。
PLC电源线、I／O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线分别使用各自的电缆， 且尽量分开布线。开关量信号线和模拟量信号线也尽量分开布线。而且，模拟量信号线应需要屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地；数字传输线也要采用屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地； 当交流与直流的输入和输出信号线不得不问时使用同一配线管时，直流输入、输出信号线要使用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地。
3.3 输入信号的抗干扰设计与应用
输入设备的输入信号的线间干扰(差模干扰)用输入模块的滤波器可以使其衰减，然而，输入信号线与地问的共模十扰在控制器内部回路产生的电位差仍会引起控制器误动作。因此， 为了抗共模 F扰，控制器要良好接地。
当输入信号源为感性元件，输出负载的负载特性为感性元件时，为了防止反冲感应电势或浪涌电流损坏模块，对于交流输入信号在负载俩端并联电容C和电阻R， 对于直流输入信号并联续流二极管VD，如图3所示。在图3 (a) 中R、C参数一般选择为120Ω+0．1μF(当负荷容量<10V·A时)或47Ω+0.471μF (当负荷容量>10V·A时)。在图3 (b)中，二极管的额定电流选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。对于感应电压的干扰，采用输入电压直流化或输入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。
3．4输出信号的抗干扰设计
交流感性负载场合下，在负载两端并接浪涌吸收器；直流负载场合下，在负载两端并接续流二极管VD， 以抑制输出信号的干扰， 如图4所示。在图4 (a)中，RC越靠近负载，抗干扰效果越好。当PLC的输出驱动的负载为电磁阀这类元件时，可在输出端和电磁阀之间加固态继电器(SSR)进行隔离。另外，从抗干扰的角度出发，适当选择I／0模块也是很重要的。在干扰多的场合，可选用绝缘型的I／O模块和装有浪涌吸收器的模块，可以有效地抑制输入输出信号地干扰。
3．5输入输出信号漏电流地处理
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向，或是晶体管输出而外部负载又很小时会因为这类输出元件在关断时有较大地漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号地错误。为此，在这类输入、输出端要并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流，如图5所示。
图5中旁路电阻可按以下方式计算：
R<um／(l1-0．25ln)
式中：Um为输入信号源或外部负载电压的大值；
l1为输入信号源或输出晶闸管大漏电流；
ln为输入点或外部负载的额定电流。
3.6 输入输出信号采用光电隔离措施的抗干扰设计
利用光电耦合器的开关特性实现输入和输出信号的完全隔离，是抑制干扰的有效措施之一。光电耦合器如图6所示。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来， 也就是把“模拟地” 和“数字地” 断开。由于光电耦合器具有很高的输入／输出绝缘电阻和较高地输出阻抗，被测信号可通过光电耦合器获得通路，而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在PLC控制系统现场I／O信号经光电耦合器隔离，与PLC系统本体分开，切断了干扰噪声的通道，解决了输入输出回路的抗干扰问题， 是系统调试方便，运行可靠。
在3MZ203D专用磨床的PLC控制系统中，采用了以上几种方式的抗干扰措施，取得了良好的系统抗干扰能力，该系统经过了一段时间的使用，未出现由于干扰而引起的误动作，整个PLC系统的故障率也下降了，系统运行正常。
4 结束语
要提高PLC控制系统的抗干扰的措施还有很多，本文仅探讨和应用了常用的硬件抗干扰和保护措施。在实际应用当中，又充分考虑对PLC的各种不利因素，在硬件设计中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全可靠地运行。
