西门子6ES7214-2AS23-0XB8现货充足

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引言

    可编程序控制器，简称PLC，是工业的控制的标准设备，PLC自生产以来，以它的操作简单、功能强大、特别是高稳定性等特点得到了广泛应用。

    目前，以监控软件如Wince，MCGS为上位机软件，PLC为下位机而组成的控制系统，已成为广泛应用的控制模式，它结合了计算机的界面友好，直观和PLC稳定、编程灵活的优点，主导计算机控制系统的流行趋势，因此，对PLC的数据交互，组网功能提出了更高的要求，如PLC与PLC之间，PLC与计算机、PLC与智能设备等都需要进行数据交互，特别是在某些远程控制，控制点分散等场合，PLC的网络功能显得尤为重要。

1 PLC常用组网方式

    常用PLC组网方式大致可概括为基于通用串口、基于专用总线及基于以太网三种。

    1．1通用串口模块

    基于串口通信模块来实现网络连接，网络结构如图1所示，采用了计算机链接的形式，在上位机的组态软件中进行相应的设置，无需编程，即可与多台PLC进行通讯，以三菱公司的FXlS系列的PLC为例，RS232C／485转换适配器选用FX-485PC—IF，RS-485通讯板选用FXlN-485一BD即可实现，这种方法使用较为方便，性能也很好，关键是串口通信模块的成本相对较高。

    图1 基于串口通信模块的网络结构

    1．2基于专用总线

    目前，PLC厂商如OMRON，Siemens等，对其旗下的PLC产品都提供了专用的网络系统，如OMRON公司的Controller bbbb网，Device Net网络等，这种网络系统由于厂商产品的专属性，不同厂家的设备无法互通，基本上选定一个厂家的PLC，其他配套设备设备也必须为该厂家的，成本相对较高，所以应用时有一定的局限。

    1．3基于标准工业以太网

    基于标准工业以太网方式进行组网，系统一般分为三个层次：层为工控机组成的上位机监控站；第二层为由集线器、双绞线和收发器等组成的工业以太网；第三层为控制站，选择TCP／IP作为通讯协议，并采用C／S模式使控制站和监控站实现面向连接的通讯。

    采用此种方式组网，大的优点在于可以使用现有的工厂局域网，提高综合利用率，且速度快，以太网通讯速率可达100 Mbps；若采用光纤传输，则抗干扰能力大大增强，且传输距离可达数十公里，但是，以太网无法和PLC等串口设备进行直接通讯，需配以相关设备实现通讯，使用上增加了成本。在一般小中型控制系统中并不多见。

2 基于串口服务器的组网方式

    基于串口服务器是一种新兴的工业网络解决方案，串口服务器是一种协议转换模块，厂商有MOXA和ATOP等，它可以提供1，2，4，8或16口的RS232或RS422／485串口界面，以及一个10M／100M的以太网接口，将RS232／422／485串行设备接人TCP／IP网络中，主计算机采用TCP／IP协议通过以太网访问被接入的终端设备，上位机相应采用SOCKET编程。

    使用串口服务器也非常简便，安装驱动程序后，即可在PC机上产生多个由驱动程序仿真的虚拟串口，只需要打开软件所虚拟的串口即可透明访问远端串口设备，类似于对普通串口一样进行一对一的收发和控制。

    简而言之，它是结合了串口通讯的简单方便，又利用了以太网的高效稳定。是一种性价比较高的组网方式，如图2所示。

    图2 基于串口服务器的组网结构

    从图2可以看出，将串口服务器的网口端连接到集线器或者交换机上，通过设置串口服务器的IP地址，就可以使它成为以太网上的一个节点，而在串口服务器的串口端，可方便与不同厂商的PLC产品或串口设备进行连接，即使不同形式的串口(如RS422／485／232)，都可方便连接到以太网上，实现异构组网，当需要再增加串口设备入网时，也可以方便按入，因为一个串口服务器可以提供多达16个串口端，可见，基于串口服务器组网具有布线简单，拓展性强，性能稳定等优势，当然，串口服务器组网还可以采用直连的方式。

2 软件系统设计

    软件系统在STEP7环境下采用梯形图编写，STEP7提供大量的组织块与用户程序接口，组织块的多少和具体的CPU型号有关，本系统运用循环处理组织块OB1，暖起动组织块OB100和中断组织块OB35，PLC采用循环执行用户程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循环处理的组织块，即主程序。OB1循环执行用户定义的功能块或功能程序，并支持中断，OB100组织块在CPU暖起动时执行，且只执行一次，可用于系统的初始化，OB35为循环中断组织块，中断周期可由STEP7直接设置。中断周期由程序大小决定，若设置太小则PLC进入停止状态，所有系统组织块的属性设置和硬件组态都可由STEP7完成，用户只需要关心自己的程序功能块，在组态完毕后将程序下载至PLC即可，PLC上电后，先执行OB100组织块，初始化完成后，不断循环地执行OB1，循环时间监控模块监控PLC扫描时间是否超过允许值，若超过允许值，则可触发相应的组织块，执行用户设定的一系列操作，应注意的是，当程序运行时，所有对数字量输出的操作都暂时保存在数字量输出映像里，在一次扫描周期结束后才真正从输出端口输出，在编程中应特别考虑。

    根据螺旋压力机控制系统的要求，将主程序分化为多个子程序模块，系统软件结构如图4所示，各模块做到功能独立，易于扩展。

    初始化模块即OB100主要完成各个输入／输出点，辅助标志位M，模拟量输出的初始化和系统相关参数的设置，程序编写时，利用辅助标志位M作为用户程序模块的运行使能位，每个程序模块对应各自的辅助标志位，若辅助标志位为“1”，则执行对应程序；若为“0”，则退出程序。

图4 控制系统软件结构

    设置定时中断组织块OB35中断周期为5ms，实时检测滑块位移和外部开关量等信号变化，控制辅助标志位的置位或复位，从而执行或退出相应的子程序，由于PLC是逐行扫描执行程序，而且每次扫描时间并不相同，因此在中断函数里进行辅助标志位的操作，保证了能尽快响应外部信号的变化，增强实时性，每次的打击能量也是通过在中断函数中求出打击工件时的滑块速度后计算得出的，具体算法如图5所示，图中所有变量单位均为脉冲数。

图5 打击速度求取程序流程图

    开关信号处理模块主要处理按钮操作、指示灯的显示、润滑控制等操作，参数处理模块是在用户通过触摸屏重新设置预选能量百分比和打击行程后，根据设定参数计算出系统运行时所需的参数，如速度信号模拟量等，点动模块实现滑块的点动运行，以保证以较小的速度实现可靠的合模对零，点动运行运用ABB变频器恒速模式，只要通过触点控制便可实现恒速模式的切换，通过参数设置恒速运行的速度大小，从而方便准确地设置零点，满足工程应用的需要，故障处理模块检测外部信号状态，若出现问题则进行相应处理。

    下行打击子程序实现打击时能量的控制，首先输出设定能量对应的速度信号模拟量，考虑到机械制动器动作的延迟性，在开启制动器电磁阀后延时100 ms再闭合变频器运行触点，滑块加速至设定的速度后保持恒速下行。通过现场调整驱动器的PI参数获得更好的动态性能，打击完毕后电机反转回程。实际工况中，滑块在打击工件后回弹，则编码器信号A，B相的相序发生改变，即高速计数器计数方向发生变化。系统组织块SFB47的数据位STS_C_UP存储高速计数口的递增计数状态，中断程序检测该数据位的状态，若检测到电平跳变，立即发回程信号，进入回程控制程序。

    图6为回程控制程序流程图，为加快生产进程，要求回程速度越快越好，但为了使滑块准确停靠地在设定位移处，回程速度又不能过大，因为电机本身的制动能力有限，若速度过快则无法可靠停机，一般认为电机制动转矩不超过额定转矩，回程时首先加速运行至允许的大速度，到指定位移后进入减速段，能耗制动回馈的机械能由制动电阻消耗，终进入恒速模式并停车，加速段的初速度指令须大于0，对实现快速正反转有较大作用，停机运行时在变频器停止操作执行后，延迟100 ms机械制动器动作，这样可减少机械制动器的摩擦损耗，延长寿命。

   运动能量是电动螺旋压力机的主要技术参数之一，能量的大小取决于飞轮转速，在大惯量负载条件下，大运动能量的性能指标的实现，离不开输出转矩的快速响应，另外，由于电机频繁的进行正反转，一直处于起动一制动一起动的非稳态过程，电流较大，转子发热严重，电机温升的问题比较突出，而行程次数是压力机的另一重要指标，为了保证设备的长期稳定运行，必须采用可靠的方法控制电机温升，基于上述性能要求，本文提出了一种基于PLC(可编程控制器)的电动螺旋压力机控制系统，该系统以西门子可编程控制器S7-300和ACS800变频器为控制核心，辅以触摸屏TP170B作为人机交互。

1 系统结构原理

    S7-300系列PLC采用组态硬件的方式来组态CPU和扩展模块，组态操作由STEP7软件完成，本系统采用CPU本身集成的数字量和模拟量，不需要扩展模块，系统结构如图1所示。

图1 控制系统原理结构框图

    通过高速计数口HSCO检测滑块位移；模拟量接口实时输出速度或转矩指令给ACS800变频器，数字量输出控制变频器触点的闭合或断开同时驱动2个电机带动传动机构运行；其余的数字量主要处理控制按钮的操作和各类指示灯的显示；数据显示和参数设定由触摸屏TP170B完成，CPU通过DP口与触摸屏进行通信。

1.1 滑块位移检测

    系统采用同步带轮结构检测滑块位移，同步带固定于压力机机身，滑块移动时带动与同步带配合的增量型编码器运转，发出一定频率的差分信号，经过信号处理输入高速计数口HSCO处理，单位脉冲对应的位移量

    Sp=πD/P，(1)

    式中：D为同步轮节圆直径；P为编码器线数。

    只要通过HSCO不断检测当前脉冲数，再乘以单位脉冲对应位移量，就能得到滑块实时位移。系统采用2000线的编码器，输出5 V差分信号，Sp约为0.045 mm，脉冲信号大频率不超过20kHz，因主机与控制柜有一定距离，采用抗干扰能力强的差分信号，但高速输入口不能识别差分信号，且小高电平要求15 V。因此需将差分的A+，A-，B+，B-信号转化为单端A和B相信号，并进行电平转换。

    系统的信号转换电路见图2，图中只画出了A相的信号转换示意图，首先由MC3486芯片将差分信号转化为单端信号，再通过高速光隔将5 V的脉冲信号转化为高电平为24 V的脉冲信号输入HSC0高速计数口，高速光隔工作频率应高于编码器信号频率的高值，本系统采用PC900。

图2 电平转换示意图

1.2 双电机驱动

    系统采用ACS800变频器同时驱动2台相同规格电机，电机在变频器输出端并接，变频器整定时输入等价的单台电机参数，例如采用2台功率11 kw，转速970 r／min，电流22 A的电机，则输入电机参数时输入22 kw，转速970 r／min，电流44 A。这样，整定后驱动器实际上是将2台电机组合当作1台进行控制。

    ACS800变频器控制核心采用先进的直接转矩调速技术，直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接把转矩作为被控量进行控制，通过转矩滞环比较器将转矩波动限制在一定的容差范围内，同时通过滞环比较器保持磁链幅值基本不变，完成对转矩的进一步控制。直接转矩控制借助于转矩、磁链的离散的两点式调节，产生优化的PWM开关信号，以输出恒定的设定转矩为目的，从而获得转矩的高动态性能，因为保持磁链恒定的情况下，转矩基本与电流成正比，将转矩限定在一定容差范围内，电流波动小，不会引起电机发热。

    驱动器有转矩信号和速度信号输入通道，转矩信号4～20 mA，速度信号0～10 V，可通过控制方式选择触点来选择转矩控制模式或速度控制模式，转矩控制模式下，转矩给定有效，4 mA对应设定的小转矩参数，20 mA对应设定的大转矩参数，输出转矩与输入信号成线性关系，并保持定值；速度模式下，速度给定有效，0 V对应设定的小速度参数，10 V对应设定的大速度参数，速度模式控制电机速度保持恒值，并与输入信号保持线性比例关系，电动螺旋压力机的突出优势之一就是能量jingque可调，因此采用速度控制方式，在能量设定后，保持电机转速恒定，即保持飞轮转速恒定，从而保证每次打击工件时的能量一致，转矩模式用于特殊场合，打击完毕回程时进行电机制动，通过制动电阻将回馈的能量释放。

图3 控制主体算法示意图

    如图3所示，PLC根据用户设定的能量预选参数，计算出对应的电机转速，并求出速度信号模拟量AQW0。打击时，PLC输出AQWO至变频器速度指令输入端子，通过运行触点的闭合或断开来控制电机带动滑块往复运动，完成打击工序。位移检测装置实时检测滑块位移，调整电机的运行模式，实现各种功能。当出现意外故障时，能迅速采取措施保护主机，变频器采用开环控制方法控制电机，减少了故障环节，提高了系统稳定性。

3.2 TPMG显示器编程与传输

    铜铝管焊接时需要调整的是时间参数，经简化令1.2中的t3=t0，从而编程中设置3个时间变量即可，图7给出了TP04G显示器编程界面，其中“时间1”、“时间2”和“时间3”分别对应1.2中的t0、t1和t2；“0.00”和“0.000”表示当前时间数据值，“#.##”和“#.###”表示时间数据输入口，通过编辑即可改变焊接时间数据，其范围限定在—5.00 S和0.001～5.000 S。程序编辑完毕后，也要通过专用的“PC—TP04G”数据线将页面程序输入TP04G中，传输过程与PLC程序传输类似，当TP04G启动后，先出现开机画面，而后即出现图7中的时间控制界面。

图7 TP04G编程界面

    PLC与TP04G次开机后，立即将焊接时间的参考数据输入，而后进行试焊，再根据焊接效果适当调整。

    根据以往经验与试验分析，当时间1取1.00 S、时间2取0.535 S、时间3取1.90 S时，φ6mmx0.5mm铜铝管的焊接效果较好；当时间1取1.15 S、时间2取0.655 S、时间3取2.05 S时，φ20mmx1.25 mm铜铝管的焊接效果较好，图8给出了6mm和20mm铜铝管焊接试件照片，上部为铝管，下部为铜管。

图8 6mm和20 mm铜铝管焊接试件照片

4 结论

    1)采用PLC和TP04G文本显示器相结合的方法，对铜铝管焊机的焊接时间参数进行控制，使用高精度计时器，使焊接时间控制精度达到0.001 S，既提高了对焊机的性能，又降低了生产成本，适应了铜铝管对焊机的发展要求。

    2)采用容量为50 kVA的焊接线圈，可焊接外径6-20 mm，壁厚0.5～1.25 mm铜铝管的焊接，扩大了铜铝管接头的应用范围，可为0.8—4.0 kW的空调提供铜铝连接配管。

    3)经长期实际生产，铜铝管焊接质量优良，已应用于多家制冷企业，并为企业带来了可观的经济效益。

 近年来，受国际市场和国内需求影响，铜价格呈上涨趋势。2005年铜价在3-4万元/t，而在2006年初已超过4.5万元/t，年中高接近8．5万元/t，现维持在6～7万元/t。“铝代铜”已成为制冷行业的发展趋势。如今市场上已有一定比例的制冷电器采用铝管代替铜管制造“两器”，但铝与其他材料的焊接性能较差，从而替代不是完全的，即在制冷管路中要用铜铝管接头作为过渡，铜和铝的电阻率都较低，但导热率又较高，焊接范围很窄，从而铜铝焊接属于异种金属的焊接。目前国内外的焊接设备一般能焊接直径在6～12 mm间的铜铝管。本文在原有基础上改进了设备，采用可编程控制器PLC与文本显示器协同控制的方法进行控制，使焊接参数控制精度由原来的 S提高到0.001 S；采用50 kVA容量的焊接线圈，可焊接外径为6～20mm，壁厚为0.5～1.25 mm的铜铝管。

1 铜铝管焊机控制系统总体设计

1.1 铜铝管焊接工艺过程分析

    在设计控制系统前，应分析铜铝管的焊接工艺过程。铜铝管焊接工艺过程可分解为6个动作：定位一夹紧一推进一焊接一停止、松开一下料、退回。如图1所示。

图1 铜铝管焊接工艺过程

    定位时，铜管和铝管在夹具上要限制除轴向转动外的5个自由度，实践证明，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而其他4个自由度的定位精度对焊接质量影响较大，故在夹具设计及安装时考虑了这个问题，采用特殊方法保证了铜铝管的径向、绕坐标轴转动的定位精度。定位后，启动焊接程序，由压紧气缸运动而夹紧，确保焊接过程中铜管和铝管完全处于控制系统的控制之下，由于管材整体形状未定，考虑到焊接质量及外形美观，铝管为端面夹紧，铜管端面露出约10 mm夹紧。夹紧后，控制程序启动推进气缸，使铜管向铝管推进；当铜管与铝管接触后，控制程序启动焊接回路，此时在铜铝管间产生大电流，使铜管和铝管接触面发热升温，温度可接近或达到铝的熔点，直到铝管将铜管锥面全部包住，控制程序关断推进气缸，停止推进，并切断焊接回路，停止电流加热；继续压紧保持，待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，控制程序再关断压紧气缸，夹具松开，下料；推进机构退回原位，准备下次焊接。

1.2 控制系统的总体设计

    把前述的焊接过程整理为：启动一夹紧一延时(t0)一推进一接触一延时(t1)一焊接一保持(t2)一松开一延时(t3)一退回，根据使用的I／O点数、定时及定时时间随时变更的要求和价格因素，选用中达电通公司的ES14型可编程控制器和TP04G文本显示器。ES14有8个输入点和6个输出点，内部计时器小单位为0.001 S，可实现焊接时间参数的高精度控制。ES14与TP04G采用RS232协议通信。PLC的I／O分配如表1所示，外部接线如图2所示。

表1 PLC的I／O分配表

图2 PLC外部接线图

   2．3 PLC输出负载的抗干扰处理

    PLC输出模板采用继电器输出型时，所带的电感性负载的大小，会影响到模板内继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。更重要的一点，PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，若负载为直流电感性负载，则在负载两端加续流二极管保护，若负载为交流点刚性负载，则在负载两端加阻容吸收电路，见图1。一般选择D为1 A，R为100 Q，C为0．47 pF。

图1 阻容吸收电路不意图

    2．4 正确选择接地点，完善接地系统

    良好的接地是保证PLC可靠工作的一个重要条件，可避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的一般有两个：一是为了安全，二是为了抑制干扰。完善的接地是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

    PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点之间存在地电位差，从而引起地环路电流，影响系统正常工作。比如电缆屏蔽层必须单点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，接地线、屏蔽层和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会感应出电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合．信号回路受到干扰。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等的电位分布，影响PLC内模拟电路和逻辑电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机等故障。模拟地电位的分布将使测量精度下降，会引起对信号测控的严重失真和误动作。

    1)安全地或电源接地。将电源线接地端和柜体连线接地做为安全接地。若电源漏电或柜体带电，可以从安全接地端导入地下。

    2)系统接地。系统接地即PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地。接地电阻值不得大于4 Q，通常需将PI，C设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。

    3)信号与屏蔽接地。一般要求信号线必须有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应互相连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。

    2．5 对变频器干扰的抑制

    变频器干扰处理一般有以下几种方式：

    1)加隔离变压器，主要针对来自电源的传导干扰，可将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前；2)使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，可防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能；3)使用输出电抗器，在变频器和电动机之间增加交流电抗器主要是为了减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

3 矿井提升系统干扰问题及解决办法

    我矿在2007年投产了一套1 900 kw交一交变频提升系统，针对现场出现的问题采取了以下的抗干扰措施：1)把功率部分与控制部分分别安装在两层，使得功率柜对PLC以及变频控制部分的电磁干扰减至低；2)PI，C系统及变频控制系统用的交流控制电源均通过UPS供电，使得高压电网侧的干扰信号不会通过电源直接传入控制系统；3)为了可靠接地并减少接地电阻，在保证接地极电阻小于1 Q的基础上，选用双根95 mm2电缆作为接地电缆；4)对于触发脉冲、电压检测信号、电流检测信号、测速编码器信号等关键线路，采取单独敷设电缆，屏蔽层双端单独接地的措施。

4 结论

    这套系统在调试初期，由于干扰问题给调试带来了一定的影响。使得接入PLC系统的位置检测信号、连锁信号出现差错。重新处理了接地与屏蔽之后，干扰的问题没有再出现。PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，才能使PLC控制系统正常工作。