西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8支持验货

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8支持验货

X J - 2 0 0 0 轮胎胎面压出设备是集橡胶胎面复合挤出、冷却、裁断于一身的大型生产线，由于该设备只能对胎面进行人工量长、手动切割，劳动强度大、工作效率低，我们决定对其进行技术改造，增加定长自动切割功能。改造后的控制系统采用P L C 和交流变频调速技术相结合的控制方式，具体叙述如下。 　　
　　1 裁断系统的动作过程 　　
　　胎面裁断系统结构简图如图1 所示。
　　

　　冷却后的胎面经贮存槽进入皮带运输机，当胎面贮存到一定程度时，光电开关1 J 动作、电机6 M 启动运行，同时直接装在6 M 后轴上的旋转编码器开始脉冲计数，电机6 M 经减速箱带动链条传动，链条又带动辊筒转动，后辊筒拖动皮带向前行进；通过8 4 2 1 码设定胎面的长度，当胎面长度达到预设值时，运输带经减速后停止运行。此时压胎面装置向下压紧胎，丝杆从初始端带动刀架快速向另一端行进并裁切胎面，在裁切胎面的过程中，喷水电磁阀动作并向切刀喷水；切割完毕后，压胎面装置升起、刀架抬起；丝杠带动切刀架退回到初始位置并停止运行、喷水电磁阀停止喷水，同时切刀架压下，一切恢复到初始状态，以便再次启动。在整个裁切过程中，由于前级运输带的连续运行，在裁断运输带停止运行和切胎面过程中，贮存槽的胎面已慢慢增多，当贮存槽的胎面增至引起光电开关1 J 动作时，电机6 M 又重新启动运行，从而反复地自动裁切胎面。若胎面增加到使光电开关2 J 、3 J 动作时，运输带会不同程度地加速运行。
　　
　　2 控制变量的确定 　　
　　该控制系统包括运输带与胎面裁切前速度配合、各电机拖动电路、胎面运输带的运行控制、胎面长度预置与控制、丝杠与刀架动作控制、切刀喷水控制、压胎面装置控制及加速运输控制，但其关键是胎面长度的控制，那么胎面长度与哪些因素相关呢？ 在系统示意图（图1 ）中，假定：电机6 M 运转的角速度为ω，电机6 M 所连减速箱的齿轮减速比为z ，减速箱输出轴的半径为r1，滚筒与链条传动端轴半径为r2，滚筒的半径为r3。又设：某种规格胎面的长度为L ，光电编码器每转一圈的脉冲个数为g 。 　　
　　那么，可以推导出一条胎面全部经过后，光电编码器脉冲总个数A 的关系式，A = L z r2g /（2 π r1r3）。一旦设备和光电编码器选定好后，z、r1、r2、r3、g 都是常数，设zr2g ／（2 π r1r3）= k 则有A = k L ，把胎面长度L 看作一个自变量x ，那么脉冲总个数A 随胎面长度的变化可用函数关系式f （x ）= k x 来表示。 　　
　　从上式中可以看出，光电编码器的脉冲总个数与胎面长度成正比关系，即脉冲总个数只随胎面长度变化而变化，而与运输带的速度无关。因此就可以通过光电编码器的脉冲个数来实现胎面的长度控制。
　　
　　3 主要元件的选取 　　
　　（1 ）可编程控制器：选择可编程控制器应考虑P L C 的类型、输入输出开关量、C P U 处理速度及输出接口电路的输出形式。该系统P L C输入量包括光电编码器计数；运输带与前级运输速度配合的1 J 、2 J 、3 J 光电开关信号；刀架限位的4 J ~ 7 J 接近开关信号；丝杠、裁刀、运输带、加速辊电源接点信号；各电机过载保护动作信号；胎面长度预置信号及系统启动、停止功能信号共4 0 个。输出量包括压胎面、喷水、刀架起落3 个电磁阀线圈动作信号（见图2 ）；各电机启动运行信号和指示信号；P L C 与变频器联络信号共2 5 个。考虑到P L C 输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型，这里选择三菱FX2-80MR 编程控制器。根据输出量和F X2- 8 0 M R 输出公共C O M 的关系，尚需配置一个8 点的输出模块F X - 8 Y E T。
　　

　　（2 ）交流变频调速器：变频调速器的选择应考虑它的控制方式、输入输出信号接线方式及变频器的输入输出电压。在这里选择三肯M F - 5 . 5 K 变频器。 　　
　　（3 ）电机：该系统中共有6 台交流异步电机，丝杠采用YEJ90L-4 1.5kW 电磁制动电机；运输带选用YVP132S-4 5.5kW 交流变频电机；裁刀电机4M 选用Y 1 0 0 L2- 4 3 k W；该系统中加速辊筒与前级辊筒尺寸相同、加速辊电机减速比与运输带电机减速比相同，由于运输带采用变频调速器，所以加速辊电机5 M 选用Y 1 3 2 M -4 5 . 5 k W 就可使加速辊运输带的速度大于前级切刀运输带的速度。 　　
　　（4 ）光电编码器、光电开关及接近开关：光电编码器将电机转速转化为脉冲信号在P L C 内进行计数，该编码器选用L E C - 6 B M - G 2 4 V 。1 J ~ 3 J 光电开关安装于切刀运输带前端与前级胎面运输带后端的贮存槽内，胎面在两条运输带之间的贮存量使光电开关相应动作，从而通过P L C 使切刀运输带相应地改变速度，这里选E3J-R4M1光电开关共3 套。接近开关4 J ~ 7 J 装于切刀架上，用于刀架抬起和放下裁切胎面、返回及停止的限位，选用TL-2E-X10E1共4 个，感应有效距离为1 0 m m 。光电编码器、光电开关及接近开关的工作电压均为D C 2 4 V 。 　　
　　（5 ）电磁阀：本控制系统有3 个电磁阀，压胎面电磁阀1 D F 的作用是胎面长度达到预设值且切刀运输带停下后，使压胎面装置下落压住胎面以便切刀切割；切刀喷水电磁阀2 D F 是裁刀在切割胎面过程中对裁刀进行喷水；刀架运动电磁阀3 D F 使刀架抬起和放下。1 D F 、2 D F 选用DF1-1 AC220V；3DF 采用QZ23JD2-L 双控电磁阀，A C 2 2 0 V 。 　　
　　（ 6 ）接触器及热继电器： 该系统中2 Q S~5QS 断路器选用西门子3VU1640、380V 系列；1 K M ~ 5 K M 接触器和继电器分别选择西门子3TF3110、3TF4322、3TF4622，线圈电压为220V系列；该设计中的1 F R ~ 5 F R 共5 个热继电器采用西门子3 U A 5 2 0 0 及3 U A 5 2 4 0 系列。
　　
　　4 控制电路设计 　　
　　控制电路主要包括电源回路、电机回路、变频器控制电路、可编程控制器的控制及外部接线。参见图3 、图4 。
　　

　　5 结语 　　
　　可编程控制器和变频调速器在工业过程控制中的应用非常广泛，本系统的控制也适用于其它类似的定长裁切系统。当然，该控制系统亦可采用P L C 与直流调速相配合的控制方式，本设计只是其中的一种。

1 引言
    随着社会的发展，各类产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段，冰淇淋机的生产厂家在控制系统上有形形色色的差异，传统的控制系统在开发周期、硬件的灵活性、适应性已经很难满足用户的需求，黄石科威自控有限公司嵌入式PLC芯片组解决方案具有经济灵活的特点，值得OEM系统关注。

2 嵌入式PLC 芯片组
2.1 嵌入式芯片组原理
      嵌入式芯片组由黄石科威自控有限公司研发。嵌入式芯片组是一种加载了PLC实时内核，具备PLC功能和CAN、RS232/485通讯功能、能够完成各类常规功能（I/O、A/D、D/A等）的控制模块。能够用梯形图语言编程实现过程控制，通讯功能的实现只需进行简单的设置，作为一款加载了系统软件的硬件平台，它大大缩短了产品的开发周期、简化了产品的设计过程。黄石科威自控有限公司EASY CORE 1.00 是一个加载了EASY-V1.00嵌入式PLC软件平台的核心芯片组，用于设计PLC，专用控制器（客制式PLC）及其它自动化装置PLC功能的嵌入。芯片组原理框图参见图1。

图1 芯片组原理框图

2.2 嵌入式芯片组基本性能
（1） 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
（2） CPU：C8051F040。
（3） 嵌入扩展能力
● 32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
● 4 AD：12位精度，100 KPS。
● 2 DA：12位精度，100 KPS。
（4） 通信接口
● CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
● UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
● UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持
第三方设备互连。

3 嵌入式芯片组应用
基于加载了系统软件的核心芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的各类嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的一款冰淇淋机控制器。
3.1 控制器的要求
（1）输入AD信号：搅拌机电流、成型缸温度、料缸温度、电源电压。
（2）输入开关量信号：出料开关、左缸料位开关、右缸料位开关、制冷系统压力开关。
（3）输出开关量：控制压机继电器（25A）、控制搅拌电机继电器（25A）、控制成型缸电磁阀继电器（5A）、控制风扇电机继电器（5A）。
（4）参数、状态、故障显示：彩色液晶屏。
（5）操作：5只轻触键（自动、清洗、保鲜、设置、开/关）。
3.2 硬件设计
基于以上的控制要求，硬件整体结构图如图2所示。

图2 硬件整体结构

硬件电路说明：由于嵌入式PLC芯片组是针对工业现场控制、应用开发的，它的抗干扰能力、电磁兼容性、可靠性等满足商用标准是毋庸置疑的。
（1）开关量输入电路如图3所示。

图3 开关量输入电路

由于嵌入式PLC芯片组所使用CPU的电源为+3.3VDC，故在设计开关信号输入电路时要考虑其高电平信号幅值不要超过+3.3VDC。
（2）电压或电流信号采集电路如图4所示。

图4 电压或电流信号采集电路

在设计模拟电路时，要考虑终送至芯片组AD接口的电压幅度以及所选择的参考基准电压。
（3）显示、键盘处理电路如图5所示。

图5 显示、键盘处理电路

（4）继电器输出控制电路如图6所示。

图6 继电器输出控制电路

3.3 软件开发
（1）嵌入式PLC芯片组是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，建议开发选择的编译器用KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的HEX文件。
内核留出了七个用户嵌入程序入口：
USER_CONFIG: 用户I/O配置程序入口
USER_START: 用户上电初始化程序入口
USER_SET_INIT: 用户设置初始化程序入口
USER_RUN_INIT: 用户运行初始化程序入口
USER_STEP: 用户软中断程序入口（响应时间<100mS）
USER_SCAN: 用户演算周期扫描程序入口
USER_TMS: 用户2.5ms定时运行程序入口
只需要充分理解各个接口的功能就可进行二次开发了。接口功能详见科威公司的《EASY原理及应用》。
（2）驱动程序的嵌入。在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到嵌入式PLC芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。
（3）梯形图程序及通讯。冰淇淋机的过程控制可用梯形图语言编程实现。梯形图语言是面向工厂自动化人员、电工层面的编程语言，易学易懂，而PLC的软件资源十分丰富，它的各类继电器（X、Y、M、S、T）、计数器及寄存器对于冰淇淋机的过程控制简直就是量身定制。冰淇淋机生产厂的自动化人员或电工不必再受控制器开发方的限制，完全可自己动手更改控制过程，到达控制上的完美要求。详见科威公司的《嵌入式PLC编程手册》。以下为用梯形图语言编写的5分钟延时程序案例。

要想实现将多台冰淇淋机的各种工作参数上传到个人PC，用户坐在计算机前就能了解每台冰淇淋机的工作状态、产量以及调整冰淇淋机的工作模式，也是件很容易的事。

4 结束语
      由于嵌入式PLC芯片组是本着软硬件可裁剪的原则开发的，所以基于嵌入式PLC芯片组开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，缩短了研发周期，并且得到了许多单片机所不具备的强大功能，使很多控制功能的实现变得简单容易

　2 系统总体
　　此包装系统总体运用机电一体化技术。可编程控制器(PLC)和称重指示控制仪F701组成测控系统来完成切片的称量、计量、包装的生产工艺过程。该系统以PLC为控制中心，配以称重指示控制仪、气动执行机构、电动执行机构、自动控制部件和机械装置，实现切片的动态在线称重计量和包装工作。系统总统框图如图1。
　　2.1 电控系统
　　包装机的控制部件由两部分组成。
　　(1) 盘装部分：由主控柜、副控柜和两个现场操作盒组成。主控柜内主要有PLC和称重指示控制仪F701以及码盘设定器、袋计数器等。副控柜主要为交流接触器和热继电器，分别控制M1风机电机、M2提升机构电机、M4传送机构电机，其中提升机构由于有升有降，所以用了两个接触器。现场操作盒AR1用于料口升降控制，AR2用于传送控制。
　　(2) 现场部分：
　　3个电机M1、M2、M3；
　　4个两位五通电磁阀配合气缸分别控制投料门1(电磁阀YV1)、投料门2(电磁阀YV2、)排料门(电磁阀YV4)和袋口夹松开(电磁阀YV5)；
　　6个限位开关，SQ1为投料门关位置，SQ3为排料门关位置，SQ4、SQ5、SQ6、SQ7分别对应装袋提升机构的料口上位、下位、上限、下限；
　　3个称重传感器BP1、BP2、BP3；
　　1个光电开关SQ11用于检测料包到传送链板尽头。
　　主要的机械装置有称量料斗、板式输送机、装袋机构、控制门、排料门等。由于切片是粒状的均匀颗粒，同粉状物料相比流动性好且不粘附，所以靠自重来落料即可，料斗也不用做特殊操作。其中控制门采用的是双闸门，控制门1和2全开时为快投料，控制门2关闭1开启时为慢投料。
　　

　　2.2 包装工艺过程
　　(1) 称量过程：此系统有自动和手动两种操作方式，但手动方式也是由PLC实现的。手动方式主要用于调试、维修和排除故障，所以以自动操作为例介绍。
　　PLC向F701发扣除皮重信号后 (此时净重立即设置为0) ，打开控制门1和2，由料仓向称量料斗快投料(快投料速度约23kg/s)，当达到预置值时关闭控制门2，将快投料改为慢投料(速度约为2kg/s)，当料量达到落差值时关闭控制门1，投料结束。稳定后PLC向F701发数据保持信号，F701自动的与设置的不足、过量、上限值比较，若适量则“称好”灯亮，若过量或欠量则“超差”灯亮并报警。
　　 (2)提升机构动作及放料过程：将空袋夹在放料口上加好，按AR1的“料口升”按钮待“称好”灯亮后料口自动升到上位，风机启动充气15s，充气结束后打开排料门开始放料，当F701发出接近零信号后5s关闭排料门，然后自动松开袋口夹，同时袋计数加1，PLC向F701发一个皮重复位命令信号(取消去皮重操作)，装满料的袋脱离料口放置在传送机上。
　　 (3)传送过程：按AR2的“传送启动”按钮，M4启动自动传送一个袋位停止，由人工扎袋口，料口自动降至下位。以后每称好一袋，按传送启动按钮袋即顺序向前传送一个工位。如此循环往复。用叉车及时将传送机上的袋叉走。
　　欠量时允许通过按“慢投”按钮进行补料并自动达到适量;过量时系统除报警外无纠正措施，须按“强制”按钮打开排料门放料。
　　
　　3 PLC控制系统
　　3.1 硬件配置
　　此包装系统的核心控制部分即为PLC。PLC选用的是和扩展性较好的欧姆龙的C200HE，其硬件配置如图2所示：
　　

　　 (1) CPU选用SYSMAC C200HE-CPU 42-E，程序容量为7.2k字。
　　 (2)数字量输入卡件(DI)共有4个。型号均为B型ID212的DC输入单元，此卡件支持16点直流电压输入。共使用了32个输入量，包括称重指示控制仪F701的控制输出信号和按钮、旋钮、限位开关的输入。
　　 (3)数字量输出卡件(DO)共有3个。型号为B型OC222继电器输出单元2个，此卡件支持12点继电器输出;A型OD411晶体管输出单元1个，此卡件支持8点输出。共用了20个输出量，包括电磁阀、电机的控制信号、信号灯指示和送到F701的控制信号。
　　 (4) 电源和底板。电源选用PA204，底板选用8槽底板。　　
　　3.2 PLC的程序
　　C200HE的程序用易于理解的梯形图来表示，当使用普通编程器时须把梯形图转换为助记符来输入。C200HE的程序结构虽不是模块化的，但在本系统中通过使用联锁和联锁解除指令—IL(02)和ILC(03)以及跳转和跳转终了指令—JMP(04)和JME(05)使的程序结构类似于模块化。此系统的程序共使用了4组IL、ILC指令。组用于检测控制门和排料门的限位开关是否到位，这两个限位开关到位与否是程序步进的关键点，若不到位程序将会停止， 影响包装进度，所以必须及时报警通知操作人员。第二组内嵌套了2组JMP、JME指令，分别对应从称量到放料的自动操作过程和手动操作过程。第三组用于自动传送过程， 第四组用于手动传送过程。
　　此包装系统的重量检测并未使用模拟量输入卡件，而是通过使用三个并联的称重传感器和称重指示控制仪F701共同检测出来。F701是专门用于单一物料重量称量和控制的仪表，重量这一模拟量信号由F701来处理，而PLC与F701全部是数字量的交接信号。这样使此系统的PLC处理的全是数字量信号，在使控制精度大大提高的同时也使的编程相对简单，无需使用复杂的命令，而且由于重量在掉电再送电后，及运行中发生故障停止运行至排除故障恢复运行后不发生变化，所以不用考虑数据保持功能，即不需使用PLC内的特殊存储器和相应的命令。自动操作程序流程图如图3所示。
　　下面结合投放料程序梯形图PLC语句来说明一下此包装系统的自动投料过程及PLC与称重指示仪F701的交接信号的关系。用到的DI信号有00000(接近0)、00001(预置值)、00002(落差值)、00003(量不足)、00004(量过量)，以上信号均是从F701送到PLC，还有00009(自动方式的旋钮开关)、00301(限位开关SQ1，投料门关闭时闭合)、00303(限位开关SQ3， 排料门关闭时闭合);DO信号有00700(去皮重信号)、00701(皮重复位信号)、00701(数据保持信号)，以上信号均从PLC送到F701，00600(投料门1开)、00601(投料门2开)、00602(排料门开)、00603(袋口夹松开)。在PLC程序中落差值这一信号有时也当作终值信号使用，因为重量到落差值时关闭控制门结束投料，时间上只存在阀门关闭用时的间隔，落差值的大小就是关闭控制门后还没有落到料斗内的切片重量。程序梯型图如图4所示。
　　投料条件：第 1、2句是系统次开机或每班次开始自动包装时的启动条件，此时投料门关闭着将进行投料了。第3句是是第二包开始包装的启动条件， 此时上一包已投料完毕，袋口夹已松开投料门也关闭着。第4句是在上两个条件任意一个满足且排料门关闭着时具备了投料条件。
　　投料过程：第5句是在投料前PLC向F701发一个0.12秒的脉冲进行去皮重操作，此时F701将净重立即设置为0。第6、7、10、11句，内部I/O位09010是重量未到预置值，这之前00600、00601均动作打开投料门1、2，此时为大投料；预置值00001到时09010为0，此时00601失电投料门2关闭改为小投料。03009是重量未到终值(落差值)，这之前00600动作打开投料门1，即预置值已到而终值未到时投料门1开着，此时为小投料，终值到时03009为0，00600失电关闭投料门1，结束投料。
　　放料过程：第8、9句是称量斗终值已到4.5s后，PLC向F701发数据保持指令，此时进行重量比较。第12、13句，03006是充气结束标志，排料控制09012为重量未超差且充气结束后为1，此时00602得电打开排料门放料，放料到接近0后5s09012为0，00602失电关闭排料门可保证料已排尽。第14句是排料结束后PLC向F701发一个0.12s的脉冲进行皮重复位操作，即取消投料前的去皮重操作。这样循环返回后再进行去皮重操作，保证每次称量的都是净重量。
　　

　　 4 结束语
　　包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。称量包装的准确与否将直接影响到企业的信誉和经济效益。C200HE虽是比较早期的产品，但由于包装机的操作人员就在现场，并不需要连接工控机、操作面板等显示操作设备，配以信号灯和报警音响即可，而且处理的信号全部是数字量的，所以C200HE在此包装系统中也是性价比很高的配置。此包装系统大包装能力为32袋/H，操作人员只需2至3人，操作简单方便。控制系统采用PLC控制，可确保系统的可靠性和控制jingque度。称量精度设计为1000kg±0.8k，该系统自使用以来，经过计量部门两次测试，整个系统的动态计量精度优于0.2‰。自装置开车产品外销以来也没有客户反映产品有重量问题，很好的维护了公司信誉。