西门子6ES7216-2BD23-0XB8参数设置

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1 前言

相对以往化纤生产设备来说，现在的设计思想中越来越多的引入了“柔性生产”这一概念，柔性生产线具有配置简单，自动化程度高，可程序化和重新配置的优点，而被广大用户所采用。

在化纤柔性生产线中，挤出机是整个设备的重要部分，而后续各卷绕部分的速度同步才是整个系统的关键。系统中多电机速度同步精度的高低，直接影响着化纤丝成品的质量。

在以前的此类生产线中，大多数采用在各辊上安装现场操作箱，根据实际情况人为调整速度的方法进行控制。这种方案存在如下缺点：1）不便于数据的集中管理；2）需要根据各个速度，手工计算牵伸比；3）实际速度不满足要求，需要再循环跑到各个区域去调节，操作非常麻烦；4）废品率偏高。

针对上述问题，此次设计中，在理念上采用集中控制与分散控制相结合的方式，将触摸屏与PLC作为控制的核心。触摸屏设置配方数据，PLC直接计算牵伸比，通讯控制变频器速度。集中的操控人机界面，并在各辊上安装现场操作箱，既能在触摸屏上进行所有的控制，又能在现场进行整个系统的操作。

通讯的应用是现代工业发展的一大主题，用通讯方式设计的系统结构简单，运行可靠，能有效的避免硬件故障带来的整个系统的损失。

2 系统简介

工艺流程如图1所示

图1 化纤柔性生产线流程图

化纤柔性生产线简介：化纤柔性生产线是化纤丝生产中的一种重要的生产线，它的结构包括挤出机，计量泵，分丝盘，水箱，牵伸辊机（包括加热和不加热），导轮，冷却箱，力矩辊机和收丝机。在加工时，将化纤颗粒放入挤出机漏斗，经过挤出机加热挤出并在分丝盘将化纤溶体分成几百束的初级化纤丝后经水冷却，然后将化纤丝几十根为一把经过导轮缠绕在各牵伸辊机上逐级拉伸后变成很细的化纤丝成品卷绕在收线盘上。从初的化纤丝到成品之间化纤丝的初细就靠各辊机运行速度的逐渐加快来确定，具体的快慢由牵伸比设定，不同的产品牵伸比不同。

本系统在设计时充分考虑了操作的简易性，只需要设定其中的主速度，通过牵伸比就可以把各级的速度分别计算出来，在调节速度时，各级的牵伸比也会自动计算出来，并进行自动保存。

现场操作时，在各级上有一现场操作箱，可以进行速度同升同降，单独启动、停止，联动启动、停止和紧急停止功能，另外在4热七辊机和8热五辊机的两个操作箱上还装有两个线速表，用以显示当前的线速度，便于现场调节。集中监控时，将控制柜上的选择开关拨到触摸屏端，即可用触摸屏进行启停操作，但不管集中控制还分散控制，都可在触摸屏上设定数据和显示当前频率和电流。

3 硬件设计

本系统主要由触摸屏、PLC、变频器、测速编码器以及其它一些辅助元器件组成。整个系统通过通讯进行数据传输，结构简单，操作方便，运行可靠。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模块，外带一个16点的EC20-1600ENN输入扩展模块。

EC20 PLC是艾默生小型PLC的高端产品，它具有高可靠性、高响应性，强劲的通讯功能，丰富的指令集等，其中程序容量可达到12K步，而基本指令时间才0.09μs。它的板件经过了严格的三防处理，工作电压AC85~280V，具有卓越的抗干扰性，是系统稳定运行的可靠保证。重要的是它自带了一个RS485/RS232的通讯接口，有丰富的通讯指令，使得和外部设备通讯变得更为简洁方便。

由于各牵伸辊机对速度要求非常高，所以各牵伸辊机的变频器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7台TD3000变频器，并且3五辊机、4热七辊机、6热七辊机、8热五辊机、9热七辊机和11七辊机都增加测速编码器以保证设备对速度精度的要求。12收线机由于设备对速度要求不是那么严格，所以采用了不带测速编码器的TD3000变频器。

TD3000变频器是艾默生公司高性能的矢量控制型变频器，可以加测速编码器组成速度闭环控制，能实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、编码器断线检测、能进行参数考贝等多种功能，并有RS485自由通讯接口，完全可以满足系统的要求。计量泵采用的是两台艾默生EV1000通用型变频器。

监控人机界面采用10.4寸触摸屏，进行数据显示和设定，直观可靠。

在整个系统中，PLC是控制中心，它可以独立完成整个控制过程，在触摸屏发生故障时，仍然可以通过现场操作箱进行控制而不影响整个系统的运行。

系统主控制部分如图2所示

图2 电气主控制原理图

系统PLC控制部分如图3所示

图3 PLC电气原理图

4 软件编程

本系统用触摸屏作为人机交互界面，编程简单，性能稳定。触摸屏主要操控画面如图4、5所示

图4 触摸屏主显示画面

图5 参数设定画面

“触摸屏主显示画面”是操作员经常需要查看的画面，主要用于显示计量泵1、2和各牵伸辊机的运行频率和电流以及它们当前的运行状态，同时还显示主令速度和收线的长度。它是只监测当前的运行情况，并不能进行设定。在画面上部设置了各个命令按钮，点击它们查询相应的状态或进行相应的操作。在上面点击“牵伸比”可以进入如图4画面，它是用户调试时的主要操作画面，调机时，用户先设定各牵伸辊机的线速度，然后点击“确认”计算出各级牵伸比和主牵伸比，确定好牵伸比后，只需调节主令速度，就可以根据牵伸比自动设定各辊机的运行速度，达到速度同升同降的目的。同时在操作箱上拨动“速度升/降”开关也可以起到同升同降的目的。“大限速”主要是为了防止操作不当而作的一个保护措施。PLC作为触摸屏的下位机，承担了数据的传送和处理工作，它和变频器之间通过通讯进行数据读取和设定，其网络组成如图6所示

图6 PLC和变频器通讯网络通讯组成图

在构成此网络时，由于EV1000和TD3000变频器的通讯协议不一致，所以只能采取自由通讯协议进行通讯。EC20 PLC作为控制主站，在系统中具有的控制权，它主动给变频器发送指令，主动接收变频器的反馈数据。在这里，我们将EC20自带的COM1口作为RS485通讯口和变频器通讯，COM0口用于和触摸屏通讯，设置为MODBUS协议，下面我就将艾默生PLC和变频器之间的通讯作一简单介绍。

我们知道，设备之间的通讯不但要有相应的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太网口等，还需要有相应软件支持，也就是通讯协议，本系统使用RS485接口和自由口通讯协议。RS485通讯可以理论上可以连接128台设备，通讯距离可以达到1200米，而且抗干扰性强，是目前工控中普遍采用的通讯方式。

下面是通讯程序的设计：在写程序之前我们必须设定串口参数，比如波特率，数据位，启始位，停止位以及奇偶校验，这里设定波特率=9600 ，数据位=8 ，启始位不用设，停止位=1，奇偶校验=不校验。具体参数设置如图7所示

图7 艾默生PLC通讯参数设置

设定了这些参数以后，我们就可以编写通讯程序了，此程序比较长，我这里就不作详细解说，仅列举TD3000变频器频率设定和电流读取子程序供大家参考，具体数据读写请参考艾默生EV1000和TD3000自由口通讯协议。

入口参数：addr , freq_set

出口参数：end , freq

//设定频率，读取电流,使用长帧读取功能参数FF.05

//初始化短帧，帧头为02

LD SM0

MOV 16#2 V3

MOV #addr V4

MOV 16#1F V5

MOV 16#5 V6

MOV 16#0 V7

MOV 16#0 V8

MOV 16#44 V9

MOV 16#7F V10

MOV #freq_set K4M1980

MOV K2M1988 V11

MOV K2M1980 V12

MOV 0 Z0

MOV 0 V13

//异或校验

LD SM0

FOR 9

LD SM0

WXOR V13 V4Z0 V13

LD SM0

INC Z0

NEXT

//发送和接收

LD SM0

MPS

ANI SM122

XMT 1 V3 11

RCV 1 D7000 11

MRD

AND SM123

MOV D7004 K2M1988

MOV D7005 K2M1980

MOV K4M1980 #freq

MPP

AND SM123

SET #end

//发送完后，将完成标志位END置ON

此段程序为TD3000变频器设定频率和读电流的子程序，EV1000的通信程序可以根据它的通信协议进行设计。下面介绍变频器的参数设定，由于总共有九台变频器需要通信，所以我们将变频器的地址分别设为10到18，具体通讯参数TD3000在F9组里面进行设定，EV1000在FF组里进行设定，除了设定通讯参数外，还有编码器，摸拟量设置等参数，设定如下：

TD3000变频器 通讯参数 F9.00 3 F9.01 0 F9.02 12-18

编码器参数 Fb.00 1024

启停参数 F0.02 1 F0.03 6 F0.05 1

模拟量参数 F6.08 0 F6.11 7.8

EV1000变频器 通讯参数 FF.00 0005 FF.01 10-11

启停参数 F0.00 2 F0.03 1

此程序中，除了需要给变频器设定频率外，我们还要读取变频器的当前电流和故障状态，以反应当前设备的运行状况，另外还有参数计算，系统启停，故障报警等程序，这里不一一赘述。

3 结束语

此化纤柔性生产线自运行以来，达到如下效果：

1） 的同步速度精度，使产品废品率明显降低。

2） 完善的集中控制，大幅降低工人的劳动强度。

3） 设备速度从以前设备的100米/分钟，提高到150米/分钟，效率提升了50%。

4） 生产过程的参数完整记录，为质量追溯提供了依据。

以上效果等到了用户的高度评价。

从本次的实际应用来看，艾默生公司高性能矢量变频器TD3000较高的速度精度与EC20系列PLC的强大的通信能力，完全可以为化纤行业提供高稳定性、高可靠性、高度自动化和高效率的系统性解决方案。

通讯越来越多地走进了现代控制领域，它直接引领着传统工控设计理念的变革。大到成千上万点的监控系控，小到单台设备，无处不见通讯的身影，它以快捷的硬件组态和高效率的运行获得了很多工控专家的支持。艾默生EC系列小型PLC增加了一个通讯接口和很多强劲实用的通讯功能，是当前小型PLC的发展方向。

HMI（人机界面）；HMIBuilder；组态软件；CANopen。

组态软件建立工业自动化领域的各种标准之上的，详细架构请见图1.1。

HMI（Human Machine Interface）系统已经成为工业现场的一类应用核心。软硬一体，符合工业标准。

通过组态软件驱动接口，组态软件采集现场总线设备的数据，将现场数据转给组态软件实时数据库，并通过标准控件显示数据信息，通过标准存盘接口完成历史存储，以及其他功能，比如报警、逻辑、用户管理等，后，通过实时数据库和组态驱动接口，还可以实现总线系统中PLC、智能仪表和其他总线设备的控制。

在系统中，现场总线设备是信息的源头，连接采集传感器信号，并参与控制执行单元，比如通过输入部分，采集温湿度、高度信号等模拟量采集（AI）和开关量输入（DI）信号；通过计算和控制部分，实现数据转换、报警判断等计算和逻辑控制；后，经由输出部分，通过电压和电流的模拟量输出（AO）和开关量输出（DO）执行控制结果。

图1.2形象的描述了现场总线设备内部构造。工业自动化领域设备内部结构有规律可循，并可以标准化，为现场总线高层协议设备模型的标准化提供了事实依据和保障。

2.1. CANopen协议

图2.1[1] CAN、CANopen标准在OSI网络模型中的关系框图

CANopen协议是CiA(CAN-in-Automation)组织定义的标准之一。CANopen协议已得到广泛的认可，并成为CAN总线在工业自动化领域的主导标准。

基于OSI通讯模型，CAN总线协议仅仅定义了物理层和数据链路层标准，而CANopen协议是在CAN2.0A协议基础上的应用层协议。

通过图2.1，我们可以清楚地看到CANopen协议和CAN协议的关系。也可以说，CAN协议是固化在CAN控制器芯片中的，比如我们选用飞利浦SJA1000CAN控制器，则CAN标准协议已经在控制器中实例化或固化；CANopen协议是应用层协议，也就是需要我们在软件编程实现。

所以，CANopen协议也体现了总线设备在应用软件中的映射关系或设备轮廓描述（Device Profile）。

2.2. CANopen设备模型

现场总线的作用就是将接近执行层面总线设备的信息发送给总线系统的管理层面主站系统。CAN协议决定了CAN总线支持多主的通讯方式，使上层系统可以更多种的方式获取总线设备的信息。基于CAN2.0A协议，CANopen协议定义了工业自动化领域的总线设备模型，明确了总线网络的管理，定义了总线设备内的各种信息对象，而且规定了设备设置的具体方法。

根据自动化现场的要求，CANopen设备下面接入信号I/O，采集现场数据，上部连接CAN总线，向高层传送设备信息。CANopen协议为总线设备定义了应用程序软件、对象字典和CAN-bus通讯，如图2.2说明了三者间的关系。

图2.2 [1] CANopen设备模型中应用软件、对象字典和通讯部分的关系图

Communication Interface（通信接口）：
提供CAN总线上收发数据报文的服务。规定了四类CANopen数据报文：管理报文（Administrative message：包括LMT、NMT和DBT服务报文）、SDO（Service Data bbbbbb：设备配置相关，优先级较低的报文）、PDO（Process Data bbbbbb：8字节数据快速传送报文）和特殊报文（Predefined messages or Special Function bbbbbbs：包括SYNC、Time Stamp等报文）。设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。

CANopen bbbbbb Directory（对象字典）：
对象字典描述设备的各项参数和其网络性能，以特定的方式描述总线设备包含的报文对象（过程数据对象PDO或配置服务数据对象SDO），从而实现了设备的功能性描述。这些对象通过一个16位的索引和一个附加的8位子索引来访问。对象字典位于CAN总线设备通信部分和应用部分之间，向应用程序提供接口，应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。

Application（应用程序）：
应用程序部分由用户编写或者配置，包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分由用户根据应用要求实现。比如CAN控制器，应用程序部分则为过程控制或数据处理逻辑，需要用户编写。

各个厂家提供的CANopen设备都必须遵循协议的标准，我们查找设备厂家提供的资料或技术手册的时候，都可以找到类似Beckhoff公司的总线设备描述（参见图2.3）。

图2.3 [1] Beckhoff公司CANopen设备描述

2.3. CANopen系统应用

CANopen协议应用可以分为下面2个层面：

操作应用层面：现场操作人员、现场设备检查人员等关注，关注可控性、易操作性和操作效率。

目标：监测控制，生产操作。 特点：关注CANopen协议的相关内容。

系统设置层面：系统集成技术人员、设备维护和改造人员等关注，通过佳的方案，实现应用系统。

目标：工程实施、系统集成。 特点：关注CANopen协议整体。

从操作应用层面看，技术操作人员主要是通过已经形成的生产线，依靠CANopen系统完成既定的生产工作，也就是通过采集的信号的内容展示和分析结果，关注的是通过设备完成的生产操作。也就是，操作人员关注通过正确的操作方法，顺利完成生产任务。这个层面的用户是人机界面系统的终使用者。工业人机界面系统的设计必须考虑这个层面应用的需求。

如图2.4所示，现场总线系统中，人机界面部分往往是体现操作应用层面。

从系统设置层面看，技术人员要对现场设备进行装配、设置，甚至编程。技术人员可以根据设备的说明文档，依据现场工程的需求，进行装配和设置。一般来说，每种设备都有测试或者配置软件，尤其逻辑控制设备，都配置编程软件，比如PLC，CANopen设备也是如此！首先，这些软件都已经非常成熟，然后，编程通讯往往有很多不开放的技术，所以，我们必须借助于设备厂商提供的软件。这个层面的技术人员工作，往往是针对确定的I/O部分，依照明确的工艺需求，进行设备组态、系统集成等工作，关注系统集成部分，也就是根据操作应用层面的具体需求进行系统集成。

如图2.4所示，现场总线系统中，编码调试设备和软件往往体现系统设置层面。

对于人机界面的组态，我们主要是考虑操作应用层面的需求，也就是关注I/O状态、控制有关的参数设置、运行结果的记录等。这些为基于HMI的现场总线控制平台的协议通讯模式的实现提供了依据。

HMI组态关注的数据对象主要是过程数据对象（PDO）用于在CANopen节点间传送过程数据,如I/O模块的I/O状态的读取和设定、模拟量采集和模拟量输出等等。

Node节点-->HMI平台（TxPDO：发送过程数据对象）

Node节点<--HMI平台（RxPDO：接收过程数据对象）

系统配置关注的数据对象主要是服务数据对象（SDO：Server Data bbbbbb）服务用于读写节点的对象字典（bbbbbb Dictionary）用来在设备之间传输大的低优先级数据，实现信息的下载/上传、请求/应答、分段/加速传送等操作，用来配置CANopen网络上的设备。

其他的数据对象，比如管理报文、预定义报文、特殊报文，系统配置时，一般会使用。而根据控制工艺，在操作应用层面，较少使用这些数据对象。

2.4. CANopen标识符和数据对象

为了减少简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的缺省标识符（CAN-ID）分配表。这些标志符在预操作状态下可用，通过动态分配还可修改他们。CANopen设备必须向它所支持的通讯对象的提供相应的标识符。

缺省ID分配表是基于11位CAN－ID，包含一个4位的功能码部分和一个7位的节点ID(Node-ID)部分。如图4所示。

图2.5 [1] PDO数据对象11位ID的预定义格式

Node-ID：对应CANopen设备，由系统集成商定义，例如通过设备上的拨码开关设置。Node-ID范围是1~127（0不允许被使用）。

Function Code：确定CAN帧的类型，比如：PDO 和SDO：对应CANopen设备的寄存器。在CANopen设备中，常用的PDO为0x180+Node-ID。其中0x180就是指Functon Code。SDO 是用来在设备之间传输大的低优先级数据的服务数据对象，典型的功能是配置CANopen网络上的设备。

比如，PDO 用来传输8字节或更少数据，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。 比如：某倾角传感器上传的为7个字符，因此它有8个PDO数据需要传到现场总线上。标识符的格式为TPDO=0X180+NODE_ID，因此发送的PDO可以表示为表3.1的描述。

表3.1 CANopen设备的PDO

3.1. PC-based的CAN总线接入

组态软件与硬件设备组成的CAN总线系统，详细组成请见图3.1。

图3.1 CAN总线系统

3.2. 基于HMI的CANopen系统描述

1）、简单系统：HMI + CANopen模块。

人机界面产品可以直接连接CAN从站模块，如图3.2所示。CAN从站模块主要是I/O模块，可以采集模拟量I/O数据或者控制数字量I/O，并通过总线方式扩展。比如，带CAN接口的HMI设备HMITECH TPC-CAN，直接连接芬兰Axiomatic单轴和双轴倾角传感器。

人机界面产品也可以直接连接CAN主站模块，如图3.3所示。CAN主站模块可以是现场总线通讯的可编程控制器，可以扩展直接I/O模块，也可以连接控制总线扩展模块。比如，HMITECH TPC-CAN连接EPEC 2020控制模块。

2）、复杂系统：HMI系统+CANopen站模块+诊断和配置节点。

HMI主要完成CANopen系统监视和存储、分析功能。人机界面的优势是友好的人机交互。所以，同人机交互相关的CAN系统信息界面显示、总线数据存储、数据的初步分析等是CAN系统中人机界面所关注的重点。

CAN主站控制器注重实时性，HMI系统注重友好显示和数据存储。虽然，CAN主站控制器的逻辑也可以部分转移到HMI系统，但是，我们还是建议客户根据控制工艺的要求，慎重考虑，合理的配置系统。