长治西门子S7-1200代理商

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一、概述
　　随着凯迪恩PLC应用范围的增加，在某些行业已经具有了很高的度。压瓦机行业就是这样。由于凯迪恩PLC可靠性高、精度高、价格低，适合压瓦机自动控制，现在已广泛应用到单剪、琉璃瓦、C型钢等十几种彩钢瓦设备上。其中琉璃瓦和C型钢的控制系统以设计理念先进，通用性强，应用范围广而具有行业水平。下面简单介绍一下在C型钢设备上的应用。　　
　　二、工艺简述
　　带钢从设备的尾部送入，经过各种压辊压制成C型钢从头部送出。传统工艺中，C型钢压制成型后需要人工进行定长切断，再搬运到冲孔设备按照客户要求的尺寸打孔，生产不能连续，效率不高。凯迪恩公司技术人员与设备生产厂家密切配合，逐步改进生产工艺，终实现了全工艺过程自动控制，飞跃性地提高了生产效率，增加了客户设备的技术含量和附加值。
　　改进过程分三步完成。步改进，增加长度测量装置和飞锯，当压制长度达到设定的长度时飞锯动作，自动切断型材。第二步改进，加一台打边孔的液压冲孔设备，一次同时冲四个孔，飞锯从中间切断，这样就形成了相邻两段C型钢的头、尾各两个边孔。第三步改进，再增加一台打中孔的设备，在带钢压制过程中按用户设定的间距冲出中孔，大可以打16个中孔。第四步改进，针对新型C型钢要求在型材中部打出双孔的要求，将边孔4孔冲孔模具改为2孔模具，修改打边孔的程序，使得边孔冲压设备能够在中部打出双孔，并且孔距由用户设定，大可以打8组双孔。这样就可以满足所有C型钢的要求了。现在以凯迪恩PLC为核心的C型钢控制系统能生产这种高要求的型材，孔距和长度精度满足要求。
　　
三、硬件配置
　　输入点：检测开关、操作开关等。
　　检测开关有：飞锯的起点、终点开关；边孔的起点、终点开关；中孔的起点、终点开关；编码器（A、B相）；
　　操作开关有：方式选择开关（自动、手动、中位）；辊道前进、后退；飞锯切断、返回；中孔下降、上升；边孔下降、上升；急停开关。
　　输出点：辊道电机（变频器）、液压电机；飞锯前进、后退阀；中孔下降、上升阀；边孔下降、上升阀；
　　　　硬件配置： KDN-K306-24AR 一台
　　　　KDN-K321-08DX 一台
　　　　KDN-KA文本屏 一台　
　　四、控制工艺
　　PLC和文本屏程序包括六大功能：设备参数设定、手动对位、生产参数设定、报警查询、生产画面、厂家信息。以下是具体特点：
　　·设备参数是出厂前工厂内部设定的参数，是由设备制造厂的人员来设定的。
　　·生产参数是生产人员设定的，比如生产的张数、边孔个数、中孔个数及长度等参数。
　　·报警查询是当有报警发生时，显示画面自动跳转到报警画面。生产人员处理故障后按复位键，设备可转入正常生产。
　　·厂家信息是显示生产厂家名称、地址、电话等信息。
　　· 生产画面是正常生产时显示的信息，包括生产设定的张数、实际的张数、设定长度、当前长度等等。
　　·手动对位是一种很灵活的方式，可以生产任意长度的C型钢。
　　·密码功能是凯迪恩公司根据客户要求设计的保护设备厂家利益的特色功能，每一套设备一个密码，由设备厂家自行管理。
　　· 自动补偿功能保证成品精度，既能补偿过冲量，也能补偿收缩量。
　　·设备参数可以保存，生产参数保存三天，如果断电时间不超过三天，上电后仍可继续按断电时的状态生产。　
　　五、结束语
　　凯迪恩PLC在压瓦机行业的批量应用，证明了凯迪恩PLC优良的性能。同时凯迪恩工程技术人员具有丰富行业经验，能够与设备生产厂家紧密协作，共同推出适合行业特点的控制系统解决方案，这种协作将有利于设备厂家提升产品的竞争力。

一 工艺简介

    染缸系统用于为布料着色，通过调节温度，压力，和颜料的流量形成一定的工艺条件，在相对稳定水位、压力、温度条件下对布料进行染色。系统属于全电脑控制，对各个控制量均实现闭环控制，根据反馈实时调节补偿，以达到稳定的控制效果。

用户对于每种染色工艺的要求不同，要求程序按照功能进行模块式划分，可以根据需求在上位机中灵活调用，组成一个工艺方案。

二．电气技术方案

2.1 系统组成

    根据客户需求，结合当前工控技术的和产品，设计采用的电气技术方案如下。

上位机采用工业平板PC机。PC机与PLC以RS232方式通信，上位机开发平台采用Wonderware Intouch 9.5版组态软件，可实现对整机运行工作情况的监控和历史纪录数据的保存。

    在可编程控制器（PLC）方面，选择业内的艾默生PLC作为核心控制器，采用MODBUS通讯协议，与艾默生变频器通过RS485总线通讯控制方式实现传动控制，并可与流量传感器通讯。根据系统要求，这些PLC分配在三个控制箱中。主控制箱中1台PLC配置为MODBUS主站，由主站对全部从站PLC、变频器、流量传感器进行监控；上位机通过主站来进行系统监控。

    变频器选型采用艾默生TD3000系列和SK系列产品。 TD3000系列变频器是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器；SK系列变频器具有体积小巧、操作简便、功能实用、宽输出频率和低噪音等优点。

    文本显示器采用无锡汇联SLIAN文本显示操作屏。

2.2 电气系统结构图

图中粗黑线表示的是MODBUS总线。

电气系统结构图说明

1、PC作为系统的上位机通过串口与主控制箱的PLC主站模块的通讯口0连

接，采用RS232通讯实现对PLC数据的采集和控制。

2、系统主干通讯网络采用MODBUS协议。

3、系统分为三个控制箱：主控制箱、机身控制箱、机身电磁阀接线盒。系统需要配置5个PLC主模块，以MODBUS总线协议进行通讯。主控制箱内有3个PLC主模块，其中第1个主模块配置为MODBUS主站。机身控制箱和机身电磁阀接线盒分别各配置1个PLC主模块。

4、主控制箱的主站PLC采用EC20-2012BTA主模块（晶体管输出），扩展了2个EC20-4PT模块（温度测量）、2个EC20-4AD模块（4-20mA模拟量测量）；主控制箱的从站PLC采用2个EC20-2012BTA主模块（晶体管输出）。

5、机身控制箱从站PLC采用EC20-2012BRA主模块（继电器输出），扩展了1个EC20-4AD模块（0-10VDC模拟量测量）。控制箱应留出未来扩展的空间，以便将来增加扩展模块。该控制箱上安装1个无锡汇联SLIAN的文本显示屏，通讯线与PLC的通讯口0连接（RS-232）。

6、机身电磁阀接线盒从站PLC采用EC20-3232BRA主模块（继电器输出）。

7、5个比例阀分别由主控制箱的3个PLC主模块进行控制。每个PLC主模块可控制2个比例阀。

8、4台变频器和2个流量计都作为MODBUS从站，由主控制箱主站PLC进行监控。

2.3工作原理说明

    人机交互通过PC实现，PC可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警、实时曲线描绘和保存历史数据等，同时可发送各种操作命令给PLC以控制系统的运行。

在主站PLC与PC、从站PLC、变频器和流量计仪表通讯方面，EC20 PLC充分利用自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和PC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台从站PLC、变频器和流量计仪表组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。

    艾默生变频器自带RS485接口的通讯单元，用于实现PLC与多台变频器的联网。对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，可省去变频器的外部起停控制线路。

    5个比例阀控制器均由步进电机及放大器组成，由主站PLC及2个从站PLC通过高速脉冲输出口来进行控制。

    流量计仪表具有MODBUS协议，可由主站PLC通过MODBUS网络访问和监控。另外，流量计具有脉冲计数和频率输出，可用于计量，作为备用方案。脉冲输出可以接入到EC20的高速输入通道。

三．PLC逻辑控制

    此次编程采用顺序功能图（Sequential Function Chart），利用顺序功能图的过程划分和步骤间转换功能。可将程序段进行模块化自由组合。

由于顺序功能图编程具有直观和流程化的特点，分解后的每一步骤和每个转换条件都为相对简单的程序过程，在顺序控制领域应用比较广泛。

3.1 模块化的分解与实现

    染布工艺经过长时间的积累，已经形成一套相对固定的工艺流程。但是随着布料种类、染料种类和印染要求的不同，会在原有流程上进行一定的增加、删减或者参数的改变，因此需要将整个印染工艺分解为若干个小模块以实现这一功能。

经过对印染工艺的了解，现将整体工艺拆分为如下功能块：

    模块功能的实现应用顺序功能图流程的概念。在一个关联且封闭的顺序流程中，每一时刻只有一个步骤在运行，且各流程间互不干扰。而工艺模块的划分也正是本着一个模块内的工艺顺序执行、各个模块间的工艺尽量独立这一原则。因此，一个模块对应一个流程即可。

3.2  自由式组合编程的实现

    工艺要求能够自由的对功能模块进行顺序组合和重组，而PLC的程序是通过软件将PC中的内容写入到PLC固件中的，因此一经写入就不再可以更改，程序的执行完全按照预定流程。于是我们通过与上位机的配合，再结合顺序功能图的特点，来实现自由编程的，其原理如下图：

    在上位机中对各个功能模块进行组合，通过组态软件将这些模块所对应的流程的起始步进号存储到一个配方列表中。上位机PC发送配方当前的步进号给PLC，PLC接收到后启动该步进对应的流程，并在流程的后置位某固定的完成标志，发送给上位机。PC收到完成标志后，配方的步进号向下传递并再发送，如此实现自由组合编程。

四 小结

    通过模块化的编程与PLC双通信口的功能，把一个中型机的功能在小型机上就轻易实现了，实现了染缸工艺要求的全部功能，并降低了客户的成本。

1 引言
    MOCVD（bbbbl Organic Chemical Vapor Debbbbbbbb）（金属有机化合物化学气相沉积）是一项制备高质量半导体晶体的新技术。此技术的优点在于[1]:可制成各种薄膜结构型的材料；可制成大面积、高均匀性的外延膜；可jingque控制膜的厚度、组成及掺杂浓度；灵活的气体源路控制技术、气体源路的快速切换技术、生长过程全自动控制,使得人的随机因素影响减至小且重复性很好。要使MOCVD的这些特点能够顺利实现，就必须对工艺参数严格控制。而MOCVD的工艺参数特别多且复杂，这就对控制方法提出了越来越高的要求。因此，有必要采取计算机自动控制。目前MOCVD控制系统大部分依靠国外进口，成本高。研制出具有自主知识产权的MOCVD设备将是发展我国光电子产业的关键环节，意义重大，特别是随着“国家半导体照明工程”的启动，MOCVD的国产化已变得非常紧迫。

    根据MOCVD控制系统的具体工艺要求，我们自主研发设计了基于PLC的MOCVD控制系统，该系统采用上位机和可编程控制器实现整个系统的控制和管理，现场试验运行表明该系统性能稳定，响应快速。

2 系统的组成及实现原理
    本系统主要由计算机、Siemens PLC S7-300（控制单元的核心），温度控制系统、气体处理系统、反应室等组成。控制系统的基本结构见图1所示。

2.1上位机
    选用工业控制计算机作为上位机,利用WINCC 工控组态软件通过MPI 和PLC 进行通讯,从PLC 得到信息,同时向PLC 传送命令，其负责对系统的监控、数据记录、报警记录、数据分析，参数配置。

2.2 PLC
    选用PLC 作控制器,是因为其具有可靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、维护方便、适合于恶劣的工业应用环境等特点。PLC作为系统的核心控制器，负责整个系统运行，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力、报警信号等。输出信号涉及电磁阀、接触器、电动机、压力控制器、流量控制器、RF感应加热器等控制量。

2.3 温度控制系统
    温控器、感应加热器、上位机、PLC组成了系统的温度控制系统。这里的温控系统是一个闭环控制系统，温控器通过热电偶实时地采集反应室的温度，由RS232串口反馈给上位机，经过上位机的控制算法处理后，计算出合适的控制量，传送给PLC，由PLC运行程序控制感应加热器来控制反应室的温度。

2.4 气体处理系统
    气体处理系统其硬件主要有经过化学抛光的不锈钢管道、气体纯化器、流量控制器、压力控制器、电磁阀和气动阀等组成。气体控制系统的主要作用是通过控制压力和流量控制器，调节气路上各种阀门的开度，从而达到控制各种气源配比的目的，并通过管道向反应室输送反应剂，为保证反应剂的纯度，要求管道的密封性要很好。

    气路上压力与流量的控制均由压力和流量控制器来完成。传感器将采集来的实际测量值传送给控制系统，控制系统将采集的实际值，实时与设定值比较。如果用户对控制效果不满意，可以采用闭环回路控制，实时修改传送的设定值。

3 系统软件设计
    系统的控制主要指通过PLC对信号进行自动和手动的控制，从而实现对加热系统、气体流量和气体压力、气动阀等的控制。我们设计的MOCVD控制系统有自动控制程序和手动控制程序两种控制方式，自动和手动可以互相切换控制。其子程序主要包括步序控制，模拟量输出控制，模拟量输入控制，数字量输出控制，数字量输入控制。

3.1 步序控制
    在MOCVD控制系统中，根据不同的配方，所控制的步运行时间不同，所要求的循环位置都不同。本系统设计方案的一个设计难点，就是在编写程序的时候，无法预先确知循环体的开始及停止位置，如何编写一个可以供多种不同配方使用的程序。

    针对MOCVD 系统工艺的要求，结合本系统运行流程，采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，执行不同步序循环控制策略。该方法灵活、准确地采用一个循环控制程序，根据不同配方，在不同循环位置，实现不同功能。其基本的思想是将系统的工作周期划分为50 个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），然后用编程元件（存储器位M）来代表各步，每步设定运行开始标志位和结束标志位，进入循环标志位和循环结束标志位，步之间的转换条件可以是外部中断输入“前跳”信号，或者是每步运行的定时器提供的信号。

    对于处理不确定的循环位置问题，在每步结束时,判断该步循环结束标志位是否为1，如果不为1，则直接跳到下一步运行，如果为1 再读取剩余循环次数是否为0，如果为0 则跳到下一步运行，如果不为0 则剩余循环次数减1，跳到进入循环的步序运行。其算法流程如图2 所示。

3.2 模拟量输出控制
    模拟量输出，主要包括8路压力、20路流量以及温度。在模拟量输出中，防止冲击是一项很重要的指标。为了防止冲击，输出时采用爬行渐增的输出控制策略，使模拟量的输出在额定时间内，准时渐增到所需要的输出值，每一次所递增的量要尽量的小，以降低冲击的可能性，保证生长的进行。

    基本思想：每步运行开始时，读取步序号并调用该步的模拟量的目标设定值（IN2），前级步结束的输出值（IN1）及要爬升的步数（D），求出步进量S＝（IN2-IN1）/D,再判断实际值和设定值的大小，决定实际值是加上或者减去步进量，然后再判断实际值是否达到设定值，如果满足则结束本步爬升。分两种情况考虑，步进量为大于等于0或为负，如图3所示为步进量S为大于等于0的程序算法流程图。

    模拟量输出程序主要采用语句表（STL）的编程方法，它是一种类似于汇编的语言，执行速度高于梯形图，占用内存空间小，能够解决复杂的循环及跳步。针对于本系统多模拟量，步序复杂且循环不定，而CPU内存有限，此方案能很好的解决这个问题。

3.3 模拟量输入控制
    MOCVD 控制系统有29 路模拟输入量，如果全部用模拟量输入模块直接输入，需要29 点的输入。这样设计成本较高，考虑到本系统对模拟量采集实时性要求不高，采用ADG408 译码选择通道，分时输入。每个ADG408 可以接入8 路模拟量信号，使用4 个模拟量通道，就可以输入32 路模拟量，本方案中模拟量输入子系统的成本可以大幅度降低。在系统实时性要求不高的情况下是一种较佳的选择。

    模拟量输入子程序采用多路分时选择输入方案，通过译码器在某一时刻选择其中的一路作为输出传送到模拟量输入模块上的一个通道。ADG408 芯片译码选通和PLC 模拟输入量读数处理，在时序上应该严格区分，避免读数混乱。保证在译码选通和PLC 读数的任何时刻，仅有一路模拟输入量处于选通及输入读数状态。如图4 所示，8 路模拟量AI1—AI8,接入ADG408 中，编写程序输出数字量信号控制ADG408 的使能端EN,信号控制端A2、A1、A0，从而实现分时选择多路模拟量中的一路，将其输入到PLC 的模拟量输入模块中，数据进行相应的存储及处理。

3.4 数字量输出控制
    数字数出量的控制对象主要由电磁阀、接触器、电机、气动阀等。对于数字量输出控制，其程序设计思想，在每步开始的时候，从相应的数据区中，调用本步对应数字量的数据，同时为了实现上位机实时控制的功能，首先判断上位机监控系统是否实时修改某个数字量的输出值，如果上位机修改了， 则数字量的有效输出值以上位机修改值为准，否则按配方表的配方设定的进行输出。

3.5 数字量输入控制
    数字量输入控制主要指系统的报警及故障处理程序，报警程序设计包括自动和手动。报警信号由传感器检测，传送给PLC，程序根据报警信号做出相应的安全保护动作，给出触发信号使报警信号灯亮，蜂鸣器响，暂停系统运行，切断感应加热器、或者关闭相应的流量压力控制器。

4 结论
    本文提出的控制系统应用于西安电子科技大学第二代MOCVD系统，相对于代MOCVD控制系统，特别在步序子程序设计和模拟量输出控制上有了很大的改进，在步序控制上采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，相对于代移位控制方法[2]，步序控制法对于解决复杂循环的问题，更加灵活、可靠。在模拟量输出控制上采用PLC语句表（STL）的编程方法，编写模拟量渐进爬升子程序，解决了在代系统中，大量的模拟量输出由上位机来计算处理再通过PLC进行控制，造成上位机负载过大，控制延迟，响应速度较慢的问题。系统现场试验运行表明，该控制系统稳定、快速、安全，完全满足工艺的要求，具有很高的应用价值，同时本系统的研制成功将促进国内微电子行业的发展，在国内居于地位。

    本文作者创新点:本文提出了一种基于PLC的MOCVD控制系统的设计及实现。特别是在软件程序设计上运用了先进的控制思想，采用顺序控制法解决了MOCVD系统中对于复杂步序的控制，在模拟量输出控制上采用了PLC的语句表（STL）编程方法，来编写模拟量渐进爬升子程序，其处理速度快于梯形图，内存占用少，解决了模拟量输出防止冲击的可能。本系统提出的控制方案，完全满足了系统工艺的要求。