西门子6ES7216-2BD23-0XB8全年质保

1  引言
    可编程控制器(PLC)作为继电控制盘的替代物，以极高的可靠性和应用方便等特点，成为当今用途为广泛的工业控制器。现在它的应用已突破了当初逻辑控制的场合，深入到过程控制、位置控制、网络通讯等工程领域。本文根据某工程的实际需要，以三菱PLC为模拟目标，提出了一种以单片机构建PLC系统的思想。

2  系统构成
系统框图见图1。

该系统CPU芯片使用了一种新型的51系列单片机即Cygnal公司的 C8051F040。其指令集与MSC_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水线结构，其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。内部集成了64K Flash ROM、4352字RAM、64位数据I/O口以及几乎所有的模拟与数字外设如:ADC、DAC、SMBus、UART、CAN、SPI、PCA、电压比较器、温度传感器、可编程增益放大器等。开发工具采用标准的JTAG接口，以边界扫描方式对CPU进行非入侵式全速的在系统调试。其性能较之传统51单片机有了很大的提高。
    CPU和外部I/O接口之间采用光电耦合器件，实行强电和弱电隔离，切断现场干扰。计算机通过RS232串口与PLC系统通信，将PLC程序指令传送到PLC。PLC将接收到的指令保存到非易失性RAM中。这样做即可以长期保存PLC程序，又可以方便地随时修改程序。

3  PLC程序的执行过程
    常见PLC以扫描方式工作。每次扫描的工作过程分为三步。
    (1) 输入处理  程序执行前，PLC将全部输入点的状态读到输入镜像寄存器。在程序执行过程中，PLC不再读取这些输入点的状态，直到下一个扫描周期的输入处理。
    (2) 程序处理  PLC根据读入的外部输入状态和其它元件的状态执行用户程序。这时的输出指令只写到输出镜像寄存器，输出点的状态并没有发生变化。
    (3) 输出处理  全部指令执行完毕，将输出寄存器的内容全部刷新到外部输出点。程序回到步工作过程。
本PLC系统的工作过程与此相同。输入处理和输出处理用单片机实现起来比较容易，无需赘述。系统的关键是用户程序的处理。下面以三菱FX系列PLC一个简单的例子来说明本PLC系统对用户程序的处理方法。梯形图和相应的指令表见图2。

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0:LD  X000 9: LD  X010
1:AND X001       10:LD  X011
2:AND X002       11:AND X012
3:LD  X003       12:LD  X013
4:OR  X004       13:AND X014
5:ANB      14:ORB
6:OUT Y000   15:OR  X015
7:OR  X006       16:ANB
8:LD  X010       17:OUT Y001
首先分析指令 AND X001，指令执行前有状态B，执行该指令时，将当前状态B 和X001的状态进行与运算，形成状态C，这是指令AND X002执行前状态。C是B的刷新值，它们实际上是一个变量。这个变量反映程序执行时当前的状态值。当遇到输出指令OUT Y000时，就把当前状态值传送给输出寄存器。把AND X001作为一单元块，可认为这个单元块有单输入单输出的结构。输入状态和单元块内元件的状态运算后得到输出状态。
再分析指令LD X003、OR X004，如果将这两条指令组合后看作上述单输入单输出结构的单元块，执行前的状态为D，把X003、X004元件并联后的状态作为单元块内元件的状态，和D与运算后得到状态G.。但细化一步执行LD X003这个子单元块时，当前状态D需保存，取X003的状态作为当前状态值E，和X004或运算后得到F。执行ANB时，把先保存的状态值D和状态值F与运算后得到新的当前状态值G。
    这里执行LD与AND产生区别是在于:AND指令没有分支，而LD指令产生分支，程序执行前的状态值需要保存。同样，在遇到分支合并时，需要使用到先前保存的状态值 。根据梯形图的编写规则，状态值的保存和使用是一种先进后出的结构，所以可以使用进栈和出栈的方法来实现。指令的具体实现过程归纳如下:凡是遇到产生分支的指令，例如LD指令，需将当前状态值进栈保存，取当前操作元件的状态作为当前状态值;凡是遇到分支合并的指令,例如ORB、ANB指令，需将栈顶值出栈与当前状态值运算成为新的当前状态值。
    在具体实现时，采用了另一种形式的栈。由于三菱FX系列PLC的LD连续使用不能超过八次，因此采用一个可以位寻址的片内RAM字节作为栈空间来存放当前状态值。如果使用栈空间的高位作为当前状态值，每次压栈就把该字节进行不带进位的循环右移，出栈时反之。在LD X000指令执行后，进栈状态A没有出栈，LD X010指令又进栈保存当前状态值，以前的压栈值A废之不用，即每条与母线相连的LD指令产生压栈值都不出栈。这样避免了因使用PUSH POP指令用一个字节的空间来保存一位的当前状态值造成的RAM利用效率低的问题。
    LD X010后的指令执行过程如下:LD X010 把当前状态值H压栈，取X010的状态作为当前状态值I;LD X011把当前状态值I压栈，取X011的状态作为当前状态值J;AND X012 把当前状态值J和X012的状态与运算后得到当前状态值K;LD X013把当前状态值K压栈，取X013的状态作为当前状态值L;AND X014把当前状态值L和X014的状态与运算后得到当前状态值M;ORB 弹出压栈值K和当前状态值M或运算后得到新的当前状

[NextPage] 态值M;OR X015把当前状态值M和X015的状态或运算后得到当前状态值N;ANB弹出压栈值I和当前状态值N与运算后得到新的当前状态值O;OUT Y002 把当前状态值写到Y002的输出镜像寄存器。

4  检查程序
    接收到程序后，在程序执行之前，还需对程序的语法正确性进行检查。这里只介绍与程序状态值栈相关指令的语法检查。
首先]需要设置一个位标志EN_BUS和一计数器LD_N。ENBUS表示下一指令能够与PLC梯形图中的母线相连。计数器LD_N表示自与母线相连的指令之后由于LD指令引起的堆栈次数。检查程序之前，初始化如下:
EN _BUS=1
LD_N=1
检查程序时，如果遇到LD指令，程序流程如图3(a);如果为ORB或ANB指令，则LD_N=LD _N-1;如果为OUT等与零母线相连的输出指令，程序流程如图3(b)。
这些基本操作执行后，如果检测到LD _N大于8，说明连续LD指令太多，程序状态值栈空间溢出;如果LD _N等于0，说明ANB或ORB指令数多于与LD指令，数量不匹配。还有些指令例如程序标号P、循环范围终止符NEXT等必须与母线相连。如果这些指令出现在EN _BUS=0的情况下，说明该程序有错。

1  引言

    汽机保护系统是一个汽轮机安全监控及辅机联锁系统，它能在汽机正常工作、启动和停止运行方式下，连续监视汽机的运行参数及状态，并且进行逻辑运算和判断，通过联锁装置使设备按照既定的合理程序完成必要的操作或未遂事故，以保证汽轮机的安全。它在防止运行人员操作事故及系统故障情况下引起的安全事故方面起着非常重要的作用。
常规的保护是用继电器用硬接线连接，可靠性较低，信号的改动比较麻烦。PLC是采用积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。工厂在1#、2#气轮机的大修改造中对气轮机的保护使用了PLC。

2  系统方案设计指导思想

(1) 高可靠性 系统采用西门子S7系列PLC为核心，硬件集成度和系统可靠性极高。
(2) 电源冗余化
l 直流电源 24V DC电源采用双套高频开关型直流电源，其过流等保护功能齐全，允许输入电压波动范围大，输出稳定性好;各单元单独供电，进一步提高供电可靠性，一旦工作电源出现故障，另一路电源立即无间断自动投入运行，不会对系统正常工作产生影响。
l 交流电源 系统允许输入两路交流电源，一路来自厂用UPS电源，一路来自厂用电(保安段)。
(3) 冗余化设计 系统采用冗余化设计，用户可以在不更改系统任何配线的情况下增加功能:采用双PLC配置，实现自动切换。
(4) 系统的基本功能 开关量输入/输出、内部中间继电器、锁存继电器、计时/计数器、移位寄存器、四则运算、比较运算、二进制与十进制转换、跳转和强制I/O等。
(5) 应用灵活 其标准的积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。
(6) 外围支持设备完善 具有完善的外围支持设备，如编程器、计算机和打印机等。
(7) 操作方便，维修容易 系统采用电气操作人员习惯的梯形图编程，使用户能够方便的读懂程序，操作人员经过短期培训就可以通过操作面板实现对系统的全部操作。
(8) 缓冲隔离 系统各种设备的I/O接口均采用光电隔离技术进行缓冲隔离。
(9) 高开放性 系统可扩展上位机进行事故追忆，逻辑图、模拟图、棒图、趋势图及相关控制参数的显示，键盘、鼠标、触摸屏操作等。

3  系统结构

系统采用管理层—控制层—设备层的递阶控制网络结构，如附图所示。设置有:
(1) 管理层:工程师站
(2) 控制层:汽机控制站
(3) 设备层:汽机仪表检测设备及执行机构。
管理层是基于bbbbbbs环境下开发的开放式、模块化、可扩展的系统，选用控制主机/服务器，提供管理软、硬件平台，通过接收来自控制层的信息，汇集和检测汽机的各种实时数据，并对它们进行相应计算，实现专家控制策略，发布命令下达到控制层对现场设备进行控制。
控制层主控设备采用西门子S7系列PLC，实现回路控制，通过I/O模块独立完成包括保护、监测、控制和事故纪录等多项功能，在系统内按要求整理“情报”，实现系统的“上传下达”。
管理层、控制层以及设备层之间除通讯外，各自独立，无电气上的连接，实现的各种功能独立。因此，即使系统中的某一部分出现故障，也不会影响系统其它部分的工作，从而使整个系统具有高可靠性，真正实现分层分布式优化控制。

4  系统功能

    以往的继电器连锁方式无法提供形象的信息给操作人员，只能在出现故障后把相关的连锁点都检查一遍，处理时间长，影响生产进程，对隐含故障点无法判断。现采用PLC控制则避免了上述问题，还可同时增加打印功能，完善系统，为经后的系统扩展做好充分的准备。具体功能如下所述:
(1) 控制保护功能
? 当汽轮机转速超过10%时，同时操作面板提示汽机超速，并提醒操作人员进行检查超速原因;当汽轮机转速超过12%时，操作面板再次提示汽机超速，并提示操作人员通知技术人员进行检修维护，技术人员可根据实际情况确定是否停机或超速运行;当转速超过15%时，汽轮机自行逐步减速，同时提示减速原因，1小时后汽轮机停机，同时操作面板上显示汽机超速停机，打印机打印出停机原因:汽机超速停机。

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附图  控制系统网络结构图

? 当汽轮机轴向位移大于Ⅰ值(安全临界值)时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查超速原因;当汽轮机轴向位移大于Ⅱ值(安全隐患发生临界值)时，1小时后停机。同时操作面板上显示原因，打印机打出停机原因:轴向位移大停机。
? 当润滑油压低于Ⅰ值时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查超速原因;当润滑油压低于Ⅱ值时，启动交流油泵;当润滑油压低于Ⅲ值(危险临界值)时，停机。同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:润滑油压低停机。当润滑油压低于Ⅵ值(设备损坏临界值)时，停盘车。
? 当轴承油温高于Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承油温高于Ⅱ值时，1小时后停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承回油温度高停机。
?  当轴承轴瓦温度高于Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承轴瓦温度高于Ⅱ值时警报连续提示，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承轴瓦温度高停机。
? 当电气送来发电机故障信号时，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:发电机故障停机。
? 当主汽温度低于Ⅰ值时，报警;当主汽温度低于Ⅱ值时停机，同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:主汽温度低停机。
(2) 记忆功能 在自动主汽门跳闸后，由操作面板显示出导致动作原因，以便于进行事故分析。
(3) 保护投退功能 在操作盘上设置保护投退开关，以便运行人员和检修人员试验和维修，防止在试验或维修过程中，以及汽轮机启动过程中，由于某个条件不满足而引起的系统误动作。
(4) 打印功能 系统能够实时打印保护投退开关的投退时间及内容、所有保护动作的时间和内容。

5  结束语

1#、2#汽轮机大修投产后，通过集中监控系统对汽机运行参数的实时监控，使其安全可靠生产。实时快速、准确报警，捕捉事故前兆，减少直至消除重大事故，同时也减轻工人的劳动强度。

1  引言
有些弹性产品(如生活用纸等)需要压缩包装，由于每一种产品规格及种类多样性，对包装的尺寸往往需要工作过程中实时进行修正，也就是根据控制工作过程对计数器或定时器等外部修改设定预置值。

2  包装过程及控制要求
在传输带上的成品按一定数量(以一包或一盒数量来确定)推入工位或人工放入，到工位后工位上部的气缸挡板上、下动作来对齐产品，对齐之后左右挡板进行压缩，其压缩的距离由外部设定，完成压缩之后由推进挡板往夹紧传输带推入，同时左右压缩挡板退回原位，为下一步工序做准备，而夹紧传输带按件数分批移动，把产品送入到包装袋内，然后包装袋热封，封切工序完成整个包装过程。
(1) 上述工位动作各自独立、互不牵制，但要协调动作;
(2) 包装有“手动”、“回归始位”、“单步方式”、“连续方式”4个工作状态;
(3) 急停时，立即停止一切工作，解除急停的方式有2种:一种是仍然保持在“单步方式”或“连续方式”状态，故障解除后，接着进行“单步方式”或“连续方式”工序动作，直至结束。另一种是切换到“手动”或“回归始位”状态，均按“手动”或“回归始位”要求动作。

3  PLC、I/O配置
充分利用PLC的软、硬件资源，针对压缩包装工序特点及实际情况，选用OMRON公司的CPM1A-30CDR基本单元，由于输出点变化频率不高，所以选用了继电器输出型。对检测距离采用编码器计数方式进行测量。

4  软件设计
(1) 总体软件
由于包装动作各自独立且各工作状态基本为顺序控制。图1为总体框图(梯形图略)，首先判断有无急停，进入什么工作状态，确定工作状态后按控制要求实现相应的工序顺序控制。其中，公共处理部分是实现高速计数读入处理及顺序控制等功能。
(2) 压缩距离的外部设定
一般来说，产品规格和种类多样化时，压缩的距离设定有两种情况:一种是一旦产品规格尺寸确定，则它的压缩距离也就确定，即为常数;另一种情况是随时可变量的。

图1    总体软件流程框图

a) 压缩距离为常数时的外部设定方法
PLC允许由外部对计数器预置值加以设定。通常设计中采用拨码器或PT终端器，因此，欲构成4位BCD码，则需要占用16点输入通道，而且每更换规格需重新设定预置值。这样的话，就需要选择I/O点容量大一些的PLC，导致成本增加和不便。若采用按钮或开关、编程技巧，输入点可以在一定程度上得到扩展，本设计和应用中输入通道占用0103、0104点，可输入4种产品规格的压缩尺寸值，图2中可见，用@MOV(21)将事先按产品规格设定的压缩距离尺寸值设定，只有选规格并启动0100就可以实现相应压缩距离的目的。
b) 压缩距离随时改变时的外部设定方法[NextPage]
在图3梯形图中可以看出，0103通道作为计数器外部预置值设定的输入通道，它经过2个时间继电器:第1个延时t1=100ms，它专门滤除信号前沿抖动及尖脉冲干扰信号;第2个用来消除信号后沿抖动t2=1s。数字滤波的信号到计数器CNT000的计数输入端，若需要观察该预置值时，在输出1103通道中接入数显电路，当改变预置值后，一旦0104闭合，2000将ON一个扫描周期，即执行一次@MOV(21)指令，将CNT000的内容送到HS01通道与编码器计数相比较，控制1000和1001线圈来左右移动距离。从而实现由外部预置值的设定，显然，这种方法操作方便，又大大地减少了I/O点资源。

5  结束语
CPM1A-30CDR在包装机中已得到实际应用，经历了试车和生产的考验，达到了设计要求，PLC具有设计

图2   常量外部设定梯形图     

图3   变量外部设定梯形图
方便灵活、体积小的特点，其应用具有广阔的前景。

1 引言 
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。 
作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。 
2 系统结构 
本系统结构图如下： 

其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。 
由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。 
在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。 
触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。 
3 软件设计 
3．1 给纸设计 
印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下： 

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在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。
3．2离合压设计 
离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。 
在设计中，离压，合压的程序流程如图所示： 

印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。 
3．3 人机界面设计 
在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示： 

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4． 结束语 
印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏]监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。