西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0技术介绍

西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0技术介绍

1、引 言

　　可编程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）是采用微电脑技术制造的自动控制设备。他以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。

　　随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，PLC与上位PC机联网形成的PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，PLC集三电与一体，具有良好的控制精度和高可靠性，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法，本文拟就用日本立石公司生产的OMRON C20p型PLC，设计几个PLC在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习PLC的控制技术的参考，也可作为工业电机的自动控制电路。

2、PLC在电机控制中的应用

    2.1 三相异步电机的正反转控制

　　要求当按下正转按钮，电机连续正转，此时反转按钮不起作用（互锁），按下停止按钮电机断开电源，按下反转按钮电机连续反转，正转不起作用。图1所示为三相异步电机的正反转控制原理图。

图1 三相异步电机正反转控制原理图及程序

    2.2 三相异步电机的Y-△启动

　　要求起动时电机接成Y型，经过一段时间自动转化为△形运行，要求Y形断开后△形才能启动，防止Y形未断△形启动造成电源短路。图2所示是三相异步电机Y-△启动控制原理图。

图2 三相异步电机Y-△起动控制原理及程序指令图

    2.3 三相异步电机时间控制

　　要求第1台电动机M1启动5 s后，第2台电动机M2自动启动，只有当第2台M2停止后，经过5 s延时，M1自动停止。图3所示是三相异步电机时间控制原理图。

图3 三相异步电机时间控制原理图及指令语

3、程序的写入与运行

　　将PLC联上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD！这时依次按Clr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。

　　在输入程序前，需清除存储器中内容，依次按Clr、Play/Set， Not，Rec/Reset和Montr键，即将全部程序清除。按照以上3种控制的梯形图或程序指令将3种控制程序写入PLC，当上述3部分程序输入到PLC机中后，用上下方向键读出所写程序，如程序有错，可用插入指令和删除指令修改程序。

　　程序输入正确后，分别按图1（a）和（c）连接PLC外部接线及主回路线路实现电机正反转控制，按图2（a）和（c）连接线路实现电机Y-△启动，按图3（a）和（c）连接线路实现电机的时间控制。此设计可以一次性把3种控制电路的程序全部输入，同时控制3种电路，运行时，按下SBF，SBR电机正反转启动，按下SB1，SB2控制电机Y—△启动，按下SB3，SB4电机顺序启动，互不干扰，事半功倍，实现了一台PLC同时控制多种电路形式。

1 引 言

    可编程控制器由于其可靠性高、编程简单、功能完善、使用方便等诸多优点在石油、钢铁、电力、机械等各个行业得到了广泛的应用,在橡胶工业中也得到了很好的应用。PLC 在轮胎生产线中的应用极大的提高了生产的自动化水平、生产效率和产品的质量。本生产线控制系统就是西门子S7 - 300 PLC 的一个典型的应用。

2 系统设计

    本生产线控制系统根据某橡胶厂轮胎生产线的工艺流程、技术要求进行了系统的设计。在系统的硬件设计上考虑到本控制系统的规模、特点结合生产线的工艺和控制要求选用了西门子公司S7 - 300 系列PLC,通过PROFIBUS总线实现PLC 与PLC和上位机之间的网络通讯；在软件设计上，采用西门子SIMATIC Safety组态和编程软件STEP7，考虑到系统的工艺流程较为复杂，程序的编程量较大采用了模块化的编程思想,将整个程序分解为若干个子程序和功能块由主程序开始依次调用,这样就方便了程序的编写、修改和维护。

    2.1 生产工艺

    轮胎生产包括：密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等多个复杂的工序。每一个工序都包括非常复杂的工艺过程。

图1  轮胎生产工艺流程图

    系统原理：在轮胎生产的过程中，轮胎制造工控主机在接收到工艺参数后，将信号传给密炼机、挤出机、压延机、胎圈成型机、帘布裁断机、硫化机等机器的可编程控制器（PLC），各可编程控制器再将信号通过其输出口传出，使机器在系统控制下执行整个密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等过程，完成工作。在密炼周期中的每个阶段，主电机的速度由工艺参数设定。在密炼过程中可编程控制器记录一些工艺数据及设备是否完好的情况，并将密炼数据传给PLC作为PLC控制密炼动作及密炼周期结束的依据。同时，系统根据密炼情况自动调整挤出机的速度并自动将压辊和挤出机头间的压力调整到设定值，随着料斗中胶料的增加，挤出机的速度也加快，机头压力增加，压延机也会自动增加速度，使压力保持在设定值，直到挤出机的速度增加到大，压延机速度大。当挤出机料斗的料位上升到上限时，挤出机会要求密炼机暂时停机，等料位下降到中位后，密炼机继续工作。在胶部件准备工序中，压延机将轮胎所需骨架材料压入橡胶中，并根据PLC主机预设定参数将橡胶压制成一定形状。在轮胎成型过程中，机器根据设定参数自动完成定长、裁断、同步贴合、整形等工序，这样轮胎就基本成型了。为了加强轮胎的耐磨、抗轧能力，需要进行硫化以增强轮胎的强度。轮胎在进行硫化时的压强和温度的变化直接影响轮胎硫化的质量，这就要求在轮胎进行硫化时，控制系统严格监测和控制硫化的温度和压强使之按照预设值进行，并在温度和压强不足时，采取自动延时硫化的方法进行温度和压强的补偿。

    2.2 系统硬件设计

    控制系统以PLC和工控机为硬件基础，以Setp7为开发平台开发其数据通道，完成数据总线的软硬件设计，从而将工业现场的各种需要采集的信号通过各种传感器进行采集，然后输入给现场监控节点，在通过总线向上位机传递，上位机发送数据信息和控制命令，监控节点根据控制命令对现场的执行器进行控制操作。

图2 系统网络结构图

系统功能：

    控制密炼过程中的压强、温度、时间、功率等。
    控制挤出的速度、压力、料斗料位等。
    控制压延的形状、速度、质量等。
    控制裁剪的长度、同步贴合等。
    控制硫化的时间、温度、压强、质量等。
    可检查断线、保险跳闸、中线断线等故障，并可检测线电压。
    可对系统数据进行修改，进行数据热备份。
    可进行故障报警，并能输出实时数据。
    由于SIMATIC S7-300 能够承受高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有高的工业环境适应性，所以本系统采用SIMATIC S7-300。

    SIMATIC S7-300 PLC系统配置：

    硬件: SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP；
    伺服电机定位模块：SIMATIC 6ES7 354；
    继电器输出单元：SIMATIC 6ES7 322；
    高速计数模块：SIMATIC S7-300 6ES7 FM350；
    电源模块：SIMATIC S7-300 PS3075A；
    接口模块：IM153；
    数字量输入输出模块：SIMATIC 6ES7 321；
    人机界面：TP170A；
    通讯处理器：CP342-5。

    PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一种高速（数据传输速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；PROFIBUS-PA采用IECII58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

    本生产线控制系统采用PROFIBUS现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降低成本。西门子SIMATIC S7—300集成了PROFIBUS分布式系统的组态功能。基于PROFIBUS的分布式I／O可实现全集成自动化。通过组态可以方便地由PLC中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。

    2.3 系统软件设计

    该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统启停周期和运行时间。主要实现以下功能：

    （1）控制操作： 能对被控设备进行在线实时控制，如：启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
    （2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
    （3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化生产线的控制系统，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
    （4）报警功能： 当某一模拟量测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
    （5）打印功能： 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

3 结束语

    本控制系统充分利用了PLC、PROFIBUS现场总线技术等先进技术，系统采用分布式开放结构，响应速度快，组态灵活，控制功能完善，操作简单规范。该套基于PROFIBUS现场总线的控制系统安全可靠，故障率低，产品完全满足高标准要求，具有较高的生产和管理自动化水平，提高了生产效率，创造了较好的经济效益

将“组态王”软件应用到PLC实脸中，在什算机上虚拟仿真PLC的拉创对象，解决了可编租序拉创器实验无控制对象、不直观、难以理解等问题，给出了所开发的三菱FX2NPLC实脸仿真系统。
       
        目前，很多院校开设了可编程序控制器控制技术课程。它是一门理论性、趣味性及实践性很强的课程，需要搭建PLC实训室，开设PLC实验课程，而开设PLC实验课需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处；也可以是用指示灯模拟显示PLC控制对象的实验箱，它与实物模型相比成本较低，不过也存在难维护、种类少、结果观察不直观等缺点；应用组态软件在计算机屏幕上全真模拟PLC的控制对象可以弥补上述不足，它还能以动画形式演示PLC控制对象的工作过程，具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点。
       
        从教学意义上说，如果能用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服实物模型的缺点，而且可利用有限的设备及多样化的程序丰富学生的实验课内容，增强PLC实验课的教学效果。北京亚控公司推出的“组态王”软件，具有可靠性高、通信快速、功能强大、界面友好和开发简洁等优点，可用来开发实验室仿真PLC控制对象，满足为学生开设实验课的需要。
       
        1 系统构成
       
       
       
        利用“组态王”软件设计PLC仿真控制对象，是指在计算机上运行事先编写好的“组态王”应用程序，用软件来代替硬件（被控对象）的工作，借助计算机屏幕观察控制过程与结果。仿真PLC控制对象的实验系统结构如图1所示。上位机微机配有“组态王6.5”软件和三菱PLC编程软件FXGPWIN，下位机采用三菱FX2N-64MR型的PLC。“组态王”软件通过RS232C接口与PLC之间进行通信，并监控PLC所有存储器、控制器及I/O接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。
       
        
       
        图1 仿真实验的系统结构图
       
        2 系统的实现
       
       
       
        利用“组态王”软件设计的应用软件，可以仿真多种PLC控制对象。仿真的被控对象不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，如逻辑开关信号、继电器控制信号、脉冲信号和各种数值信号等，还能按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程与结果，可以直接从屏幕上观察PLC的控制结果正确与否；“组态王”亦可向PLC发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号及位置信号等。“组态王”还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令和输出各种参数，以配合PLC的控制，反映PLC与被控对象（软件仿真的被控对象）及控制结果之间的关系。
       
        要使画面中各图素能够生动、逼真的运动或显示，在“组态王”中需定义一些内存变量与外部I/O变量进行配合，并通过在其应用程序命令语言中书写程序控制自己的应用程序，驱动画面，用这种仿真方法开发PLC仿真控制对象，其优点是周期短、费用低、可靠性高，能节省电力资源，维护要求较低，不会危及人身和设备安全；同时，其模拟效果逼真，人机界面生动友好，能达到很好的实验效果。
       
        在实验教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用PLC对其进行控制；又可在计算机屏幕上以仿真动画形式直观看到程序的执行结果，从而极大地提高学生的兴趣，强化他们的动手能力；此外，可以增强学生的参与意识，使之对可编程控制器的理解更加深入，从而达到实验目的，终提高教学质量。
       
        3 开发要求
       
       
       
        利用仿真模拟技术开设PLC实验课，开发的仿真PLC被控对象满足如下要求：
       
        1）组态仿真画面一般由2部分构成：一是仿真的PLC控制对象；二是仿真操作面板。有时根据系统控制对象不同，还会有一些报表。
       
        2）“用户”可以用鼠标点击屏幕上的按钮，发出PLC所需要的输入信号（行程开关模拟信号、按钮模拟信号）。PLC接到该信号后，经过控制程序（实验课学生编写的PLC控制程序）发出控制指令。上位机接到控制指令后，控制画面上仿真控制对象的图形、动画、指示灯及机械、显示等动作，同时在报表中绘出一些曲线，填入一些数值。
       
        3）接到电源信号后，模拟电源指示灯亮，显示红色，以示“组态王”与PLC通信正常。
       
        4）仿真界面直接显示PLC仿真控制对象的物理位置和运行方向，可直观反映PLC程序的运行结果。
       
        5）仿真PLC控制对象是以画面形式反映PLC程序执行结果的，故画面应尽可能逼真于模仿实物。
       
        4 开发实例
       
       
       
        以下给出我们开发的仿真PLC被控对象中的一部分，包括十字路口交通灯、机械手和水位控制系统。这些开发项目完全可以直接应用到PLC教学实验中，因篇幅所限，文中未给出PLC的梯形图程序及组态设计过程。
       
        4.1 十字路口交通灯仿真系统
       
       
       
        1）控制要求。a．南北向和东西向主干道均设绿灯30s，绿灯闪亮3s，黄灯2s和红灯30s。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯。b．南北和东西向人行道均设有通行绿灯和禁止红灯。南北人行道通行绿灯应在东西向主干道点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于南北主干道绿灯点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯。c．点按“停止”按钮，工作立刻停止。
       
        2）PLC输入输出表。交通灯控制PLC的I/O点分配表如表1所示。尽管十字路口有12只红、黄、绿灯，人行道有16只红、绿灯，但是同一方向的同色灯同时动作，应为一个输出，所以在表中只占用10个PLC输出端点。
       
        表1 交通灯控制PLC的I/O点分配表
       
        
       
        3）组态仿真画面。十字路口交通灯组态仿真画面如图2所示。将PLC置于运行状态，进入“组态王”运行环境.若画面中的电源指示灯以红色显示，表明两者通信正常。初始运行画面上各交通指示灯都以黑色显示，当按下画面中的“启动”按钮，画面中的红、绿、黄交通指示灯按照PLC的程序显示或闪烁；当南北与东西向主干道和人行道绿灯亮时，画面中会有汽车和行人通过。
       
        
       
        图2 十字路口交通灯组态仿真画面
       
        画面中汽车和行人的动作仅与“组态王”的内存变量有关，可通过在其应用程序命令语言中编制程序控制汽车与行人的速度和方向，与PLC的程序无关。
       
        4.2 机械手仿真系统
       
       
       
        1）控制要求。a．系统工作方式分自动、手动2种。b．在自动工作方式下，点按启动按钮，机械手向下移动5s，夹紧2s，随后上升5s，右移10s，下移5s，放松2s，上移10s，完成一个工作周期，回到初始位置.随后继续进行下个周期的运行。如果按下停止按钮，则本工作周期完成，机械手返回初始位置后停止运行。C．采用手动工作方式，可分别控制各运动部件。
       
        2）PLC输入输出表。机械手控制PLC的I/O点分配表如表2所示。输入端点所接的控制部件除了“自动/手动”开关为转换开关以外，其他均为自动复位点动按钮。
       
        表2 机械手控制PLC的I/O点分配表
       
        
       
        3）组态仿真画面。机械手组态仿真手动画面如图3所示。画面中的操作面板完全仿照实际控制面板而设计，各操作按钮与操作面板的功能完全相同。若按下画面中的“进入自动”按钮，画面将转换到“机械手仿真自动监控系统”画面，使仿真机械手按照控制要求周而复始地自动循环工作。
       
        
       
        图3 机械手组态仿真手动画面
       
        4.3 混合液体仿真系统
       
       
       
        设H，T，L为液位传感器，液面淹没时为ON；YV1及YV2为进料电磁阀，YV3为排料电磁阀，M为搅拌电动机。
       
        1）控制要求。a．初始状态：容器是空的，3个阀门均关闭（YV1＝YV2＝YV3＝OFF），液位传感器输出触点断开（H＝I＝L＝OFF），电机停止（M＝OFF）。b．启动操作：按一下启动按钮SB1，阀门YV1打开（YV1＝ON），液体A流入容器；当液面到达I时，I＝ON，使阀门YV1关闭（YV1＝OFF），阀门YV2打开（YV2＝ON），液体B流入容器；当液面到达H时，H＝ON，使阀门YV2关闭（YV2＝OFF），启动电机M（M＝ON）开始搅匀；经过60s，搅匀后，M停止搅拌（M＝OFF），阀门YV3打开（YV3＝ON），开始放出混合液体；当液面低于L时，L由ON变为OFF，再过2s后，使阀门YV3关闭（YV3＝OFF），容器放空，工作结束。c．停止操作：在工作过程中，按一下停止按钮，系统立即停止工作。
       
        2）PLC输入输出表。混合液体控制PLC的I/O点分配表如表3所示。控制混合液体PLC输入/输出表如表3所示。在PLC输入端接一个对搅拌电动机起过载保护作用的热继电器常闭触点。当电机发生过载时，此触点断开时系统将停止工作。
       
        表3 混合液体控制PLC的I/O点分配表
       
        
       
        3）组态仿真画面。混合液体组态仿真画面如图4所示。当“组态王”和PLC通信正常时，点按启动按钮，就可在画面中非常形象直观地观察到管道中水的流动、储液罐中液体的升降和搅拌器的转动，以及水位传感器接通的情况。另外，在画面中设计了液位报警窗口，当液位数值变化异常时将进行报警；还设计了历史曲线、实时曲线、数据报表画面，以便对液位进行趋势分析。由于篇幅所限，此画面没有给出。
       
        5 实验过程
       
       
       
        开发的仿真PLC控制对象画面中的图素已经建立了动画连接。“组态王”与PLC进行通信，已经验证了仿真监控画面运行的正确性，可实现真实PLC控制对象所要求的一切功能。当学生做实验时，不必为其提供梯形图，不过可以先通过计算机屏幕为学生展示开发好的仿真控制画面，使学生对自己设计的控制系统有感性认识，从而进一步激发学习兴趣。具体实验步骤如下：
       
        1）按照每个实验给出的控制要求和PLC输入输出表，画出PLC原理图和控制程序流程图，让学生学会PLC的实际接线和电气元件的选型及标准画法，使实验更接近实际。
       
        2）应用三菱PLC编程软件FXGPWIN在计算机上自编程序。可使用不同的算法和指令编写程序，但终要实现系统的相同控制。
       
        3）PLC程序编制完成后，要进行调试修改。首先，利用PLC编程软件中的“编译”命令，检查PLC程序是否有语法错误，如果没有再将程序下载到PLC中；其次，利用PLC编程软件中的“监控”和“强制”命令，调试PLC程序。
       
        4）PLC与组态软件通信。通过运行仿真画面，可形象直观地观察仿真PLC被控对象的工作情况，由此也可验证PLC程序正确与否。
       
        6 结 语
       
       
       
        将仿真技术应用于PLC教学实验，解决了无控制对象及无法开设PLC实验课的问题。此外，仿真方法还可在教师的科研中发挥巨大作用，既能节约大量的实验经费，又能缩短实验时间，提高实验的安全性，另外，仿真控件的开发周期短，开发后免维护，所以可以开发多个仿真控件，增强实验的多样性，以更好地达到教学目的。目前，我们已经开发了运料小车、自动售货机、五层楼电梯、霓虹灯等仿真控件，并编写了实验指导书以配合课堂教学，帮助学生积累工程现场的经验，使之得到全面综合的锻炼。