西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8多仓发货

1 引言

    电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。
2 基于PLC的电动机综合保护

    对电动机的保护可以分为以下几类:
在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。
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    PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器(PLC)的电动机综合监控和保护系统的方法。
3 系统硬件设计

3.1 系统的总体结构
基于可编程控制器(PLC)的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

3.2 PLC机型选择及扩展
     选择PLC机型应考虑两个问题:
(1) PLC的容量应为多大？
(2) 选择什么公司的PLC及外设。在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。


    SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
     S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1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;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。
     CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。
4 系统软件设计

4.1 主程序
     程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。
     如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。
4.2 欠压保护子程序
    在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。
4.3 起动时间过长保护子程序
    在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。

1、概述

    本文介绍大连实德银川基地混料自动控制系统，采用德国西门子公司的S7可编程序控制器，成功应用于大连实德银川基地混料系统生产线。

    大连实德银川基地混料系统的生产过程全部由可编程序控制器S7-300完成，即将生产工艺配方输入到系统监控配方程序中，由称重计量仪器动态检测电子称称重传感器的信号，并将控制信号传送给可编程序控制器，再由可编程序控制器产生各执行机构的控制命令来实现混料生产的自动化，提高混料各配方原料的准确性和生产效率。

    2、系统功能

    混料系统的主要功能是多种原料经过送料系统进入料仓以后，按照生产配方给定的原料配比从各料仓加到电子称中进行计量称料，再送入热冷混料机组中混合搅拌，并相应控制物料混合搅拌时的温度，以保证物料混合均匀和混合料的特性达到生产工艺要求，后将混合好的混合料送入干混料仓内，以供型材挤出机生产线使用。

    混料系统需解决的主要问题包括：

    （1）实时采集各电子称称重传感器的称重信号。

    （2）根据称重信号和生产配方产生罗茨风机、电磁旋转阀、电磁碟阀等的控制信号。

    （3）动态检测和处理混料过程中可能出现的各种故障。

    （4）下位机和上位机的通讯

    （5）上位机的集中监控。

    混料时，称重仪器选用的是莱梅特RWA-AD模数转换模块，可以设置和定制参数，采集称重传感器信号，输出数字信号。借助配方给定的原料配比产生执行机构的控制命令，并通过可编程序控制器控制各辅料罐的螺旋送料器、电磁阀和混料机组阀门的起停和开闭。通过检测电机保护装置，阀门位置开关状态获取电机、阀门的运行和故障情况，并可在工控电脑显示屏上进行监控。

    3、可编程控制器系统组成

    系统组成按站点划分。混料机组独立控制，与整个混料系统建立基于ProfiBus 通讯。

    站1：为上位机，采用西门子工控机；CPU为2.4G，内存为256M，采用以太网与系统PLC连接。采用WEBfactory组态形成监控图形。

    站2：1号混料机组PLC，使用一台西门子S7编程器。上位机采用ProTool组态，PLC和SIMATIC OP27通讯连接，监控混料机组运行。

    站3：2号混料机组PLC，使用一台西门子S7编程器。上位机采用ProTool组态，PLC和SIMATIC OP27通讯连接，监控混料机组运行。

    站4：3号混料机组PLC，使用一台西门子S7编程器。上位机采用ProTool组态，PLC，监控混料机组运行。

    站5：挤出现场PLC。采用西门子S7-215，共4组。用于控制挤出生产线四条绞龙运行和SIMATIC OP7通讯连接用于现场控制。与整个混料系统PLC采用基于ProfiBus 通讯。总系统采用站1监控。

    4、基于ProfiBus DP 通信

    PROFIBUS现场总线是国际性的开放性现场总线标准，是一种符合IEC61158标准的现场总线。PROFIBUS-DP经过优化的高速、廉价的通信连接，是专门用于自动控制系统和设备及分散的I/O之间的通信网络。PROFIBUS-DP用于基础控制层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。PROFIBUS-DP的上述特点使其在工业电气自动化领域占据了重要的地位。

本系统中ProfiBus DP总线完成PC与各设备之间的通信，并采用主从方式通信：主机(S7-416-2DP PLC)作为ProfiBus DP主站，以轮询方式对下属各从站(如ET200S﹑S7-300 PLC等)进行定周期扫描和读写。主机通过ProfiBus DP总线将指令传送到对应的数据区，并将各设备返回的状态信号从对应的数据区取出，从而实现对下属每个设备的监控。

    5、系统监控通讯配置图

    6、系统监控通讯程序

    Network 4 S7 connecting

    CALL  "MX1.1_connect"      //连接1＃混料机组PLC
    CALL  " MX2.1_connect"     //连接2＃混料机组PLC
    CALL  " MX3.1_connect"     //连接3＃混料机组PLC
    CALL  "image: MX1.1"      
    CALL  "image: MX2.1"      
    CALL  "image: MX3.1"      
    CALL  "image: S31- 32"
    CALL  "image: S33- 34"

    Network 5 Control Signals PC (VISU) -> PLC

    CALL  "image: S11-16"
    CALL  "image: S17-22"
    CALL  "fc_pc_flags_set"

    Network 6 Control Signals PC (Prisma) -> PLC

    CALL  "fc_pc_flags_set"

    7、结束语

    混料系统控制构成复杂，控制任务多，逻辑繁琐。即要实现对现场各控制点的控制和监控。又要完成现场各种数字量、开关量的检测以及对周边设备，如各种运行电机和风机的控制。采用功能强、安全系数高的德国SIEMENS SIMATIC S7系列可编程序控制器，整个控制系统完全满足混料系统控制工艺要求，实现了混料自动控制以及送料全过程的协调控制，系统性能好，操作使用方便。确保生产任务正常完成。

    经过一段时间的运行，宁夏实德新型建材有限公司混料系统正常运行，可靠性高。维护方便，大大提高了生产效率

 当今世界上精密加工技术发展很快，新的加工方法和设备层出不穷，计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样。实现精密和超精密切削加工有三种方法：(1)采用和研制高精度加工设备；(2)采用新的切削工具材料；(3)利用加工与测量控制一体化技术。前两种方法成本较高，而后一种方法成本较低，具有广阔的前景。在后一种方法中，除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外，还有一项重要内容就微进给机构的精度及其控制精度。笔者在控制精密磨削的研究中，利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构，在滚珠丝杠确定后，步进电机的控制精度成为了主要矛盾。
   
    1、步进电机的控制
   
    步进电机在不失步的正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。可以方便地实现正反转控制及调整和定位。由于步进电机和负载的惯性，它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。因此，必须实现步进电机的自动升降速功能。为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频些脉冲序列，可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。
   
    如果要改变控制逻辑和控制方案，必须改变电路结构和元件数，而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。且可以从多种控制方案中，选取一种佳方案进行控制和调节。也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制。利用计算机控制的形式也很多，本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制。
   
    2、PLC系统组成及位控单元的工作原理
   
    本研究所利用的PLC系统的组成包括如下七大模块：电源，CPU，位控单元，I/O单元，A/D，D/A单元，如图1所示。其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机)与电机驱动器联结时，输出脉冲序列控制电机的转速与转角。进给机构可以是2轴型，也可以是4轴型。本文采用的是前者，即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给，如图2所示。具体地说，位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种，如E点控制(单速度控制)，如图3(a)所示；P点控制(多级速度控制)；线性加/减速和S型加/减速，(a)，(b)为线性加/减速，S型如。除此之外还有位置控制和相对位置控制等。表1给出了E点控制不同模式的控制码(P点与其相同)。

图1 PLC系统组成结构图

表1 E点（P点）控制码

图2 2轴型位控单元工作原理图

图3 PLC位控单元自动升降速特性曲线

    3、磨削加工PLC控制原理
   
    如图4所示，PLC可以控制变频器、传感器、步进电机。总控制程序流程图如图5所示。其中两个步进电机是利用PLC的位控单元控制的。在进行精密磨削过程中，横向进给将是十分重要的，PLC的位控单元能较jingque地控制步进电机的转角，从而使滚珠丝杠获得jingque定位。由于PLC位控单元的控制方法有多种，对于磨削加工来讲，横向进给量不能大于215μm，通过实验的方法可以找出佳方案。这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用。首先，设置原点，利用光栅尺粗对刀，测量出对刀位置距原点的距离。为防滚珠丝杠出现爬行现象，工作台从原点出发，经过一段距离以后开始自动加/减速。此时，只要给定起始速度，目标速度，加速/减速时间以及位置要求值，并设　　定控制码即可实现上述功能，相关程序如图6所示。如果假设滚珠丝杠的螺距为d，步进电机的步距角为α°；进给速度为v(mm/s)；行程为s(mm)；则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度)为f=360v/αd(Hz)；总脉冲数(即程序中的位置要求值)为F=360s/da(个)

图4 PLC控制磨削加工结构原理图

图5 总控制程序流程图

图6 步进电机S型加/减速程序梯形图

    4、结束语
   
    PLC位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点。因此，它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义。

1、引言

    现代商业生产流通领域中，产品都离不开包装。如牛奶包装箱、水果包装箱等。而包装纸箱的生产中贴箱机每天处理几十万件应是一件量非常大的生产任务，如果不能实现自动化的生产，将会消耗大量的劳动力，而且效率和质量方面都很难提高。本设计就是将PLC应用于贴箱机系统中，从而使纸箱的生产实现自动化，其主要的任务是如何将纸板加工成型，打包成捆，如何进行生产过程中的自动控制，它是机电一体的纸箱机械产品。总之在保证工艺控制要求的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。

    2、系统控制特点及工艺

    2.1 控制要求及特点

    (1) 吸附进纸，确保了纸板吸进纸的位置准确；
    (2) 折叠部上下传输带夹紧纸板送纸、左右吸附腔吸附送纸和运转与众不同的两侧竖带夹紧纸板送纸相互配合，确保折叠纸无歪斜；
    (3) 左右下纠偏带各配增减速器，折叠时摩擦强制前后扯动纸板纠偏效果明显；
    (4) 采用崭新的分垛逐出装置技术，比国外先进的相似装置的性能更为稳定可靠、运行更为迅速。遇不良纸板时卡纸混乱几率大幅度降低；
    (5) 人机界面化，可显示生产速度，纸张数及相关的参数；
    (6) 实现了A/M的控制方式。

    2.2 工艺简介

    本系统以PLC为核心，由于该系统所带负载不大，可用一台达变频器带动一台3.7kW的异步电动机，该电机拖动主传递装置。当物料准备好后，离合器合闸即将送料，左右电机定纸箱的大小，用转速检测装置测速度，用光电传感器检测纸箱的位置信号，从而使伺服机工作。触摸屏可以实现友好的人机界面，可以在线的监视系统的运行情况，并进行相应的参数修改。纸板料从平放台进入机器到完成加工全实现了自动化，其工艺简图参见图1。

图1 系统工艺简图

    整个轨道是纸板成型的通道，轨道的形状决定纸板所加工纸箱的形状，以下对各个主要部件做简单的介绍。

    (1) 进料装置

    由于纸板是流水线加工的，当工作台上放有足够多的加工纸板时，才能进入平稳连续，不重叠的工作状态，提高了生产率；

    (2) 辊矫直机

    为了让纸板经过时垂直于传送带，并使其紧贴轨道以便纸板较为准确地成型；

    (3) 测速检测

    用抗干扰能力强的接近开关作为传感器，并将其所产生的脉冲信号给PLC的高速计数器；

    (4) 传送装置

    由电动机带动，它控制主生产线的速度，并由变频器进行控制；

    (5) 纸板矫正

    主要由位置信号传感器和伺服系统组成，它主要是矫正成型的纸箱在轨道上的位置偏移，并为后序的纸箱打包做好准备；

    (6) 记数传感器

    检测轨道上的纸箱数，以便定量打捆；

    (7) 纸箱叠放台

    把传送的纸箱给叠放，定数量给推出；

    (8) 打捆

    将定数量的纸箱捆扎好。

    3、控制系统设计

    纸板加工成型过程，有一套严格的工艺流程，为了满足系统的控制要求，采用PLC、变频器、伺服机、人机界面及高性能的传感器相结合，有效地解决了实际问题。同时也使系统的构成简单，功能强大，可靠性、可操作性和可视性都提高了。

    3.1 系统的硬件构成

    该系统PLC采用OMRON公司的CPM1A-30CDT-A，30点I/O口，18点输入，12点输出，且还留有扩展的余地。该机型属于欧姆龙公司C系列的小型机，结构紧凑，功能性强，有很好的性能价格比。变频器(VFD-B-5.5kW)和伺服装置(AC servo HO系列)以及触摸屏(PWS717-STN)都采用了功能性比较强的台达系列产品。各硬件构成可见图2的硬件构成框图。

图2 系统硬件构成框图

3.2 变频器

    本系统采用了较为先进的台达变频器进行调速，它调速方便可靠，且调速的精度高。为了适应这种工艺负载，需要在调速时使电动机输出恒定的转矩，应用V/F控制特性的变频器在基频应用V/F控制特性的变频器在基频(台达A型机的参数是Pr04)以下调速。本系统应用两台台达变频器，它们是主从的关系，即从变频器的频率的给定必须得跟随主变频器的给定频率的变化，且保证从变频器的频率输出略高于主变频器的频率输出。

    3.3 伺服纠偏装置

    由于纸板在轨道上传送时，难免会出现位置偏差，这就得需要有能够快速矫正其位置的器件，而伺服电动机正好具备这样的功能。它把输入的控制电压信号变为输出的角位移或角速度，加上控制电压，它便马上旋转，去掉控制电压又马上停转，转速高低与控制电压成正比。此装置具有转动惯量小，摩擦转矩小，运行平稳，噪声小等特点。这里主要利用伺服驱动器对伺服电机的运动特性进行设置，并采用了速度和位置相结合的PID调节，从而使纸箱的位置得到很好的纠正。

    4、软件设计

    4.1 人机界面的设置

    要很好的对系统进行控制和监视，就得利用触摸屏。在前先确定好相应设备和信号的端口地址，然后利用触摸屏的编程软件——ADP软件进行界面设置。下图触摸屏的主控画面，它具有友好的人机交流性。通过对触摸屏的操作，我们很容易的了解和监视系统的运行情况，并可以方便的改变系统的运行参数。其主菜单的设计如图3所示。

图3 主菜单界面图

    4.2 PLC的程序设计

    为了能使系统各部分协调有序、安全可靠地运行就得配以比较优化的软件程序。整个软件程序采用模块化编程的方法，便于调试、修改及扩充，它主要包含三部分:通行协议部分、参数设置部分和自动运行控制部分，程序总的控制框图如图4所示。

图4 程序流程图

    4.3 软件的可靠性设计

    软件的可靠性措施主要包括3个故障检测程序:

    (1) 时间故障检测程序:将工序执行时间某一时间余量作为定时控制时间，超时则报警并停产；

    (2) 信号比较检测程序:建立故障扫描时钟，使自动式在运行过程中能自动检测出各段单元，从而清除故障； 

    (3) 当纸板被卡主或重叠时，进行报警或减速停机。

    5、结束语

    纸板成型过程的控制，由于PLC及相关的高性能设备引入，解决了繁冗工作生产，实现了全自动化的生产，其产品的质量和产量都得到了显著的提高。总之在保证工艺控制要求和产品质量的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。