嘉兴西门子S7-300代理商

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一、前言

    四连杆装箱包装机是一种一次可以装四箱（可以是纸箱）既4×4瓶或者三箱 3×4瓶的连续装箱的包装机械设备。在啤酒等瓶装饮料行业中，四连杆装箱包装机主要完成瓶装产品的装箱、卸箱等工作。由于具有性能优良等特点，在包装行业中使用非常普及。

    对于四连杆装箱包装机中电气部分的控制，是包装机使用安全、可靠性的重要保证。目前，老型号的四连杆包装机的电气装置大多采用继电器的控制方式。这种控制方式连线复杂、继电器使用数量多，造成电气控制部分可靠性差、故障率高，日常维护量大。同时，设备缺少操作的安全保障措施，容易发生事故。

    随着可编程控制器（PLC）技术的发展，把PLC控制技术应用于四连杆包装机的控制中，取代原有的控制线路。是四连杆装箱包装机控制系统发展的必然趋势。

二、系统结构

    四连杆装箱包装机控制系统由电气部分和气动执行部分组成。工作过程见流程图（图1）。

    电气系统输出控制在电气控制部分的改造中，分析了包装机的工作过程和控制特点；对包装机的控制基本上都是光电开关、接近开关、电磁阀、电机等这类的开关量输入、输出设备。控制过程以连续的逻辑量控制为主的操作方式。PLC的开关逻辑和顺序控制是PLC应用广泛、基本的功能，基于PLC的这一使用功能和特点，决定将原有继电器控制系统全部拆除，采用PLC控制。因为该用户厂家其他自动化设备使用的基本都是日本Omron公司的PLC，再根据采集和控制点数，我们选用Omron公司的SYSMAC CPM2A-60CDR-A的 PLC作为系统控制器。

三、系统设计

    1．四连杆装箱包装机的电机可以进行点动、正转和反转，以带动夹瓶装置做往复运动装箱。瓶电机和两个箱电机分别用作传输瓶和传输箱。七个电磁阀和与之对应的气缸，分别控制“夹头”，“定位器”，“出箱臂”及“进箱臂”“箱导向”。设“手动”和“自动”操作两个切换开关。

    2．在包装机的操作前台和设备后台、侧面加装3只光电检测开关，在操作人员误入设备危险区域时，系统紧急停车，保证安全。

    3．在传送带上安装Omron的E6A2旋转编码器，测量传送带的速度。当传送带电机异常停车时，停止包装机工作。

    4．系统输入回路中有光电开光和接近等开关，PLC上的DC24V电源容量就不足了，各输入、输出元件均使用DC24V直流稳压电源。PLC控制系统原理图见图（2）。

    5．为了使PLC系统安全可靠运行，采取了多种防护措施，如和系统中的强电设备分开接地，接地线的截面积大于2平方毫米。PLC输入和输出的感性负载都并联续流二极管等，以消除输入触点在断开时，感性负载因储能作用而产生电弧高于电源电压数倍甚至于数十倍的反电势对系统产生的干扰。见图（3）

    6．系统的输入部分36点，输出19点，一共占用PLC 54点，系统冗余6点，符合自动化系统设计要求。

四、程序设计

PLC程序采用梯形图编写，其自动控制操作流程图见图（4）。

    其中，PLC主程序参照原有继电器控制系统的电气控制原理图进行设计，这种程序设计方法简单，有现成的电气控制线路为依据，设计周期短，在旧设备电气系统改造中经常采用。

    按照原有电气控制系统输入信号及输出信号做为PLC的I/O点，原来由继电器硬件完成的逻辑控制功能由PLC软件——梯形图替代完成。图（5）为四连杆装箱包装机进箱臂部分电气控制原理图。图（6）为转换后的四连杆装箱包装机进箱臂部分PLC程序梯形图。进箱臂部分主要I/O对照表如下：

五、系统调试

    1．调整光电开关SQ1和反射板的安装距离，使光电开关处于工作状态时，调整到“挡光”，PLC输入通道HR0003的指示灯亮。以同样方法调整好光电开关SQ2、SQ3、SQ4……..SQ10。

    2．调整接近开关JQ0，使“夹头”在运动轨迹的低点时接近“档块”，并使PLC输入通道HR0012指示灯亮，以同样方法调整好接近开关JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。

    3．调试旋转编码器时，A、B、Z相按说明书接线，在PLC编程软件中对编码器的高速计数进行设置，使用Z相加软件复位方法。见图（7）。按下按钮5SA，使传送带电机停车时，四连杆装箱包装机应停止工作。

    4．按动相应的按钮，分别控制进箱电机、出箱电机、瓶电机的开、停。关机以后将开关位置置于“关”。1SA和2SA分别控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA，15SA控制“导向”和“变距”。

    5．在上述“动作”都已正确时，将“手动”转为“自动”，按下“整机启动”按钮，调试PLC逻辑程序。进行自动装箱包装操作。

六、结束语

    经PLC改造后的四连杆装箱包装机电气控制系统，外观上；物理接线量大大减少，控制柜体积缩小，柜内的原器件排列有序。运行效果上；经设备运行证明，自动化程度大大优于原系统控制效果。控制可靠性大大提高，减轻了现场操作人员的劳动强度。由于系统在整个包装流水线和包装机设备的危险位置安装了光电位置检测开关，提高了操作的安全性。总体上提高了企业的经济效益

1 引言

　　PLC（可编程控制器）是20世纪80年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物。它不仅具有优越的控制性能，良好的性能价格比，而且具有较高的可靠性和抗干扰能力，在自动控制各个领域应用相当普遍[1]。

　　在制药厂，为了保障药品的质量，对清洁区的洁净度和温度、湿度都有很高的要求。例如汉江药业集团一分厂对洁净区的标准是：洁净级别30万级，温度18～26℃、相对湿度45～65%[2]。因此，空调系统是否高效运行将不仅影响药品的质量，而且也会造成能源的浪费。本文就汉江药业集团的空调系统运行要求，选用PLC作为核心控制器。同时用工控机作为上位机与PLC通信，实现对整个控制系统的组态和监控。

　　该药厂的空调系统由两台抖动电机、一个电动风门、一台送风机、三台引风机、两台除尘风机、一个蒸汽电动阀和两个冷液电动阀组成。要求系统运行时首先打开两个电动阀，然后按一定的顺序运行各个送风机，关闭时先关闭电动阀，然后按一定顺序关闭各个风机，达到除尘、送风、降温或升温的目的，保证清洁区达到指标要求。同时，系统要具有定时自动、手动运行功能，并要求在系统出故障时可以报警并诊断故障类别。

2 系统硬件设计

　　该药厂空调系统长期以来是采用继电器和接触器，采用人工操作的方法进行控制，其控制系统复杂，可靠性低，维护繁琐，能源利用率低，而且经常带故障运行，设备耗损大。采用PLC，不仅能实现对开关量的逻辑控制，同时具有强大的计算功能，还能实现与工业计算机等智能设备之间的通信。因此，将PLC应用于本系统的控制，能很好的满足技术要求，具有操作简单、运行可靠、自动化程度高等优点，再加上故障诊断功能，使系统维护更简单、快捷、准确。

　　该空调系统需要控制九台电机，三个阀，同时需要指示，报警等功能。根据系统的控制要求，统计出其需要16个信号输入点，23个信号输出点。同时又对各种PLC性能指标、适用性、认知程度等进行比较，后本系统选用了西门子公司的S7-300型PLC，它 指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比较高。PLC硬件组态如下：电源PS307 5A，CPU312C（带10点输入和6点输出），64K存储卡，扩展模块有数字输入模块SM321（32点输入），数字输出模块SM322（32点输出）。PLC配置完全满足系统需要，且便于系统扩展和组网。该控制系统的结构如图1所示。

图1 PLC控制系统的结构图

　　该系统以PLC为核心，PLC从控制面板以及现场获得信号，然后对执行器进行控制。上位机可以从PLC获取信息，并且可对PLC进行设置和控制。

　　PLC输入输出端子分配如图2所示。使用转向开关I4.0来选择系统的运行状态为自动或手动。按钮I4.1和I4.2只有在手动后才有效，用于手动控制风机、电动阀的开与关。端子I4.3～I5.6表示现场执行器的反馈信号，其中有两个端子表示现场温度的上限和下限。

　　输出端子Q0.0是系统运行指示信号。Q0.1～Q1.4用来控制电动机的顺序、定时运行。Q1.3、Q1.4和Q3.5控制三个电动阀的开关。Q1.6～Q2.7用来显示各个执行器的运行状态。Q3.0是系统的故障报警。Q3.1～Q3.4表示系统的故障类别，它可以表示16种故障类别，这样的设计可以充分利用PLC的端子，节约成本。

图2 输入、输出端子配线图

3 系统软件设计

　　系统的程序设计是在STEP7 V5.2软件平台下进行的。STEP7 V5.2可支持梯形图、SIMATIC指令和功能图。且具有指令丰富、结构清晰、编程方便的优点。在程序设计中，将整个系统分为：“手自动切换及互锁”、“自动运行定时”、“顺序开关风机及电动阀”、“故障报警与诊断”等模块。

　　系统进入运行状态后，首先根据转向开关确定是进入自动状态还是手动状态。在手动状态下，可以在控制面板上进行手动操作。在自动状态下，系统将自动按流程工作。在系统运行时，首先检测各执行器是否正常（接触器触点是否粘合）以及电动阀的状态。如果发现异常，则报警并给出故障类别（故障位置），然后系统处于等待状态，等待故障排除，重新运行;如果正常就进入运行状态。首先两台抖动电机运行30秒后停机，同时打开电动风门，3秒后启动空调送风机，然后顺序启动三台引风机，后是两台除尘风机。系统进入正常运行过程中，故障诊断程序不断扫描各个反馈信号，当任一风机过载不能正常运行或加热器、冷凝器工作异常超温时，空调机组自动停机，故障部位报警指示。无故障时，等待自动关机或手动关机。在每个PLC循环周期只运行一个状态的指令，这样可以节省CPU的资源，提高系统的实时性。系统控制程序的流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

4 系统故障诊断

　　故障诊断是该系统中的一个重要环节。及时有效的给出故障报警和故障位置可以帮助技术人员快速准确的查找故障和恢复故障，这一点在药品的生产过程中非常重要，因为药品生产对工作环境要求很高。

　　本程序中的故障诊断分为启动前、启动中和启动后三个级别的故障诊断。在启动前，判断各执行器触点是否处于断开状态，主要是根据输入端子的反馈信号的有无进行判断;在启动过程中，由于各风机均需要间隔启动，可以在程序中给每台电机设定两个定时器，一个用于电机定时，一个用于反馈信号定时，当启动时间到而反馈信号没有时，就可判断出该电机出现故障。启动完毕后，再次判断各接触器状态，此时，由于抖动电机运行30秒后处于关断状态，其它风机处于运行状态，判断方法同启动前故障诊断方法。根据运行情况，系统主要存在9大故障。为此，采用4个输出端子指示故障类别（可扩展指示16种故障）。

5 结束语

　　本文作者创新点是采用西门子S7-300完成药厂空调控制系统，尤其是设计了故障诊断程序，根据PLC自带指示灯可查看故障类型，给用户带来极大方便。该控制系统由汉江药业股份有限公司提出，由陕西省工业自动化重点实验室研制。经过对系统的研究、设计、开发，控制系统已投入运行。从实际的运行效果来看，满足了药品生产洁净区对空调设备的指标要求。采用PLC作为本系统的核心控制器，保证了系统运行的安全可靠，提高了设备的自动化水平，维护和检修方便。得到用户的欢迎。