鹤壁西门子S7-300代理商

鹤壁西门子S7-300代理商

1 引言
为满足量大生产要求, 高速压印机的速度必须要至少达到700枚/分,而且要求保证产品的质量。要满足这些要求,需要主传动机构、拨饼机构、送饼等机构优化配合。过去主要通过机械凸轮传动来保证完成任务，这种方法存在致命缺点是:机床体积庞大，柔性差，无法满足一些特殊要求的工艺。随着电子技术飞速发展，伺服传动技术在工业中已广泛应用，通过伺服驱动器来控制电机转速、转向、转角等，可以满足特殊要求场合，从而能灵活地控制电机，为了提高高速压印机的性能，采用了西门子S7-300PLC为高速压印机主控系统，利用Profibus现场总线通信方式，实现S7-300PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼控制器A、送饼控制器B，只要能准确地控制伺服控制器，就可以使主传动机构、拨饼机构、送饼等机构配合默契，利用MPI和上位机通讯，上位机能够实时显示机床信息。
2 控制内容和控制要求
(1) 运行方式。该机床有2种运行方式:手动运行方式和自动运行方式，根据选择的方式进行切换。
(2) 上位机的实时监控的内容。内容主要包括:主电机转速和电流、拨饼电机转速和电流、送饼电机A转速和电流、送饼电机B转速和电流、高速压印机压力情况、润滑油温情况等。
(3) 故障检测与报警。严重故障内容主要包括:主电机转速和电流、拨饼电机转速和电流、送饼电机转速和电流、高速压印机压力情况、润滑油温情况异常等故障，上述故障发生后，系统自动停机，其他一般故障监控系统会自动报警。
(4) 通讯功能。利用Profibus现场总线通信方式，实现S7-300PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼控制器A、送饼控制器B和上位机通讯;利用MPI口可以实现S7-300PLC与远程计算机通讯，利用CP340模块RS232可以实现S7-300PLC与测压仪表通讯，来监控高速压印机压力情况。
(5) 系统的开放性。因为西门子系统有很好的开放性，所以本系统属于开放性结构，只要符合西门子协议就可以挂在该系统上。

3 系统的硬件配置
本系统共需96个开关量输入，80个开关量输出，2个模拟量输入，1个RS232通信板，利用Profibus现场总线通信方式，Profibus 现场总线已经成为国际化开放现场总线的标准，得到许多生产厂家的支持。90年代由西门子公司引入中国，在本系统采用Profibus-DP总线协议，Profibus-DP是一种优化的通信模块，主要解决设备级的高速数据通信。在这一级，中央控制器(PLC/PC)通过高速数据总线同分散的现场设备(I/O、驱动器、阀门等)进行通信，传输速率高可以达12Mb/s，大距离12Mbt/s时为100m，大距离为200m(1.5Mbit/s),用中继器可以加长传输距离,多可以挂126个从站，实现S7-300 PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼伺服控制器A、送饼伺服控制器B和上位机通讯。该系统属于中型控制系统。
在本系统中，控制大距离为20m，4个从站，传输速率高可以达1.5Mb/s即可，Profibus-DP总线协议完全满足要求，所以选定西门子S7-300系列CPU315-DP产品。系统的硬件配置如附表所示。受篇幅所限制,在这里只给出主机架电气原理图,如图1示。特别强调西门子S7-300 PLC配置需要注意以下几个问题:(1)CPU右边安装不超过8个模块;(2)能够插入模块数(SM、FM、CP)受他们从S7-300 PLC背板总线取得电流数值的限制。对于本系统CPU315-2DP,装在一个机架上8个模块从S7-300 PLC背板总线取得电流数值不要超过1.2A;(3)S7-300 PLC模块的排列次序为SM/FM/CP。

图1 主机架电气原理

4 系统的软件编程
利用西门子STEP7软件对系统的软件编程。首先用STEP7软件对系统进行硬件组态，如图2所示，然后再用STEP7软件编程，允许结构化程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序。本机把控制系统分解成3个部分，即3个控制功能块FB，后通过系统组织块OB1，调用3个控制功能块FB(用CALL指令调用)。采用这样的结构有如下优点:大规模程序容易理解;可以对单个程序进行标准化;程序组织简化;其中大优点是有利于整套控制系统的调试、维护，程序块图如图3所示。

图2 硬件组态5

结束语

在本系统调试时，笔者体会到，在使用时要注意一些细节，如Profibus现场总线接线一定要准确，各个从站的地址要设定准确，硬件组态准确，通信协议要设置准确。经实验证明，能满足生产要求，通过Profibus现场总线通讯方法，能准确地控制伺服控制器，对提高控制系统的整体性能，对高速控制系统，该方案有很好借鉴意义。

1 引言
本文以某物流控制中的机械手控制为例，分析了PLC与步进驱动装置的控制方法，本系统涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步进驱动器。
(1) S7-200 PLC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200 PLC可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。
1台S7-200 PLC包括一个单独的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
l CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;
l 输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;
l 电源向CPU 及其所连接的任何设备提供电力;
l 通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连起来;
l 状态信号灯显示了CPU 的工作模式(运行或停止)，本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误;
l 通过扩展模块可提供其通讯性能;
l 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数(CPU 221不扩展);
l 一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;
l EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中;
l 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间;
l 大I/O配置。
(2) SH-2H057驱动器输入信号共有三路，他们是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机电平信号FREE.他们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，三路光耦的正输入端为OPTO端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端需接外部系统的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否则需在外部另加限流电阻，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
l 步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说:驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步角度，CP脉冲的频率改变则同时是步进电机的速率改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机jingque定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP脉冲宽度也有一定要求，一般不小于5μs。
l 方向电平信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向;次端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的个CP脉冲前发出。
l 脱机电平信号FREE
当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲)，但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时可以用到此信号，此信号低电平有效，电机处于自由无力矩状态;当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。
l 步进电机简介
SH-2H057型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机(亦称感应子式)，此驱动器一般驱动60号机座以下电机。电机的出线方式不同，与驱动器的连接也不同。本系统使用的电机为二相四根线电机，可以直接和驱动器相连。见图1的机械手电机驱动模块原理图。

2　系统工作工程
本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。参见图1。

(1) 出货过程
从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。
(2) 进货过程
从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1，2，3号货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。

3 系统设计思想
步进控制电路设计思想，PLC继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其程序流程图如图2所示。

在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为5个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见图1，
由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU 226的Q0.2对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU 226的Q0.4和Q0.5分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。
机械手PLC程序的设计编写采用了STEP 7-Micro/WIN32软件的数据表(STL)的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。
上位机监控软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC的监控。

1 引言
蒸汽发生器(Steam Generator, SG)是核岛内的三大设备之一，核电厂功率损失中有80%是由其损坏引起的。核电厂运行期间二回路系统材料的腐蚀产物进入SG二次侧，蒸发、浓集沉积在传热管、管板和支撑板上及支撑板与传热管隙缝之间，形成硬状泥渣，严重影响了SG的传热管的完整性、传热效率和SG的水位控制，必须得到有效的去除。

2 系统组成
2.1 系统描述
用于SG的水力冲洗装置可以抽象为一个具有两自由度的机器手臂。如图1中所示，图1中:M1:步进交流伺服电机、G1:步进运动减速器、M2:旋转直流电机、G2:旋转运动减速器、EN:增量式编码器、JK:接近开关。冲洗机器手臂顶端喷嘴在旋转电机M2的带动下，将内部的高压水射向远近距离不同的传热管处。为防止旋转部分与SG内部构件发生碰撞导致堵转，设置了接近开关JK进行状态监视。整个机器手臂在交流伺服步进电机M1和PLC的控制下，将喷嘴定位到每排管间处。光电编码器模块EN和控制器PLC组成高精度步进运动，防止高压水长时间冲击传热管管壁，危机蒸汽发生器设备安全。整个控制系统根据设计要求，能进行各种参数设定、运行状态显示和系统自诊断。在故障状态下，具有报警功能和紧急停止功能。根据系统的控制要求，整个硬件的配置和分布如下:
(1) 核岛内高辐射区域(SG旁)
冲洗机器手臂本体:包括松下MINAS A系列伺服步进电机M1、旋转直流电机M2、接近开关JK和编码器EN;
(2) 核岛内低辐射区域(距SG10m处)
现场手操控制箱一个，是整个控制系统的核心部分。包括Siemens S7-200系列CPU224 PLC、交流伺服电

图1 SG冲洗系统工作原理图

机驱动模块、直流电机驱动模块、24V直流电源和控制继电器等;

(3) 核岛外非辐射区域
人机界面Siemens TP7触摸屏、高压供水子系统、泥渣收集子系统;
2.2 PLC与电机驱动模块的连接
控制器PLC侧和伺服电机侧连接设计的好坏，直接影响整个高精度伺服运动控制系统。CPU224 PLC为14路数字量输入/10路数字量输出，Q0.0和Q0.1产生两路独立的20kHz高速脉冲，输入伺服驱动模块进行经功率放大，控制步进电机工作。输入/输出端口定义如表1和表2所示。根据伺服驱动模块的相关控制信号，形成逻辑判断。

步进电机单次步进行程完成后，若位置偏差计数器内的剩余脉冲数在设定范围内时，位置到达信号(COIN)就被送入控制器。位置偏差计数器大小由伺服驱动模块内参数Pr60适当设置。设定值太小，送出COIN信号时间会过长或造成抖动。设定值过大导致无法完成精度要求。驱动器侧的电机控制时序图如图2所示。

图2 伺服电机启动时序图

3 软件设计
西门子S7-200 Micro PLC提供了上位机编程软件STEP 7-Micro/WIN。其强大的功能提供了两种指令集(SIMATIC或IEC 1131-3)和三种程序编辑器(语句表STL，梯形图LAD和功能块图FBD)。然后利用PC/PPI电缆建立S7-200 CPU与个人计算机之间的通讯，将上位机的组态程序下装到PLC中独立运行。为顺应目前图形化编程的趋势，程序中采用了梯形图的编程方式。整个冲洗程序流程图如图3所示。控制系统的人机界面(HMI)采用SIEMENS TP7触摸屏，易于实现，操作简单，运行可靠。

图3 冲洗程序流程图

4 精度控制
松下伺服交流电机带有一个增量式编码器(2500P/r)进行位置监控。当起停频率超出时，通过步数丢失可以检测到位置错误。一旦检测出位置误差，就以较低频率进行位置校正，从而构成一个高精度的运动控制系统。
枪体步进一次控制器PLC发出脉冲个数计算:
(1) 已知条件:减速器减速比i: 45; 步进长度: 25mm;
伺服电机编码器精度: 2500P/r;
倍频比(驱动模块内电子齿轮比): 45:2;
减速器输出端齿轮分度圆直径D: 20mm。
(2) 计算:PLC应发出脉冲个数b=25/a=3979(脉冲)
电机脉冲当量a=22.5πD/5000i
=0.006283mm/P(毫米/脉冲)
对控制系统而言，冲洗机器手臂的运动精度主要依赖于枪体的步进运动精度。由以上计算可知步进传动精度0.006283mm/P(脉冲)，采用光电编码器模块，极大程度上克服了步进过程中失步现象产生的运动误差，因此系统总的误差主要由于机械装配误差和机械传动误差。在调试的过程中，应根据实际的步进长度，调整伺服电机理论计算出的脉冲个数，从而补偿机械部分产生的误差。

5 结束语
本文设计的水力冲洗系统稳定性好、精度高、易于维护，已经多次在国内各核电站现场服务。在秦山一期核电站某次正常停堆中，从两台SG共冲出泥渣约120.5kg，能较好满足业主的要求，提高了核电站的运行和管理水平。