西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8技术介绍

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8技术介绍

1、引言

MK9一5卷烟机是英国MOLINS公司七十年代的产品，其电气控制部分采用以INbbb g080为主的电子逻辑线路板和继电器组成控制系统，充分体现当时的技术水平，目前在许多中小型卷烟厂仍是主要的卷烟卷接生产设备。随着微型计算机技术的发展，特别是经过多年的运行，电路逐渐老化，故障率也随着增加，维修工作越来越繁重，直接影响到工厂正常的生产效率和产品质量。因此，必须对MK9-5卷烟机的电气控制系统进行改造，使之具有更为先进的控制和监测功能，以适应高效率安全生产的要求。

2、系统方案的确定

MK9-5卷烟机电气控制台改造的指导思想是：机电分离，集中控制，实时监控。其目的在于将电气控制系统与机械系统结构上相分离，以利于机电系统的维护和修理，将分离式硬件逻辑控制系统改为模块化集中控制，以提高烟机控制水平，增强系统的可靠性：运用智能化技术对烟机运行进行实时监控，给操作工以指导。

根据上述指导思想，通过调查研究和消化吸收原机控制系统的技术，提出采用三菱A2AS可编程序控制器(以下简称PLC)和工业控制计算机(以下简称IPC)相结合的控制方案。其中PLC主要完成机检测和控制任务，而IPC主要完成监测管理、数据采集和人机界面等任务。经过反复论证和选择比较，认为采用PLUIPC控制方案更能体现信息管理集中优化和控制系统实用可靠的优点。

3、系统框图和配置

经过消化吸收电气控制系统的原始电路图并考虑到PLC的工作特点，归纳整理出控制系统的输入/输出信号为：

输入信号：共有102点，全部为直流输入信号，主要是各种传感器输入信号和主令按钮输入信号。

输出信号：共有106点，全部为直流输出信号，主要是各种执行机构的输出和指示灯输出信号。

中断信号：卷烟机的刀头信号、跑条信号和盘纸拼接信号需要控制系统立即作出响应，因此将这三个信号作为中断信号输入PLC。

通讯信号：PLC运行过程中需要将检测到的卷烟机的运行状态和统计数据传送给上位的IPC，同时也需要接收从IPC设置的有关运行参数，在控制系统中采用RS232串行通讯的方式实现这些数据的交换。

根据上述I/0信号分配情况，控制系统决定选用日本三菱公司的A2AS系列的可编程序控制器，具体的配置是：

底板：AlS35B和A1S55B各一块。
CPU模块：A2ASCPU一块。
输入模块：AX42二块。
输出模块：AY42一块，AY16三块。
中断模块：AI61一块。
通讯模块：AlSJ71C24一块。

其中，两块AX42模块安装在主底板AlS35B的第0和第1通道，AI61中断模块安装在A1S35B的第2通道，AlSJ71C24通讯模块安装在AlS35B的第3通道。输出模块AY42和三块AYl6则分别安装在扩展底板AlS55B的第0至第3通道。硬件构成的框图如上图所示：

4、主要控制模块的设计

卷烟机是一种机、电、光相结合的生产设备，其整机运行的自动化水平较高，控制系统比较复杂，按照工艺过程的要求可分为下述若干个控制模块。

(l)主电机启停控制：主电机启动前，主离合器应处于拉开状态，确保主电机轻载启动。当所有检测和控制条件均满足时，按下启动按钮可使主电机轻载启动，速度为全速的1/3，当烙铁放下产生烟条运行信号后，自动切换为全速运行。当机器出现故障，则立即切断电源并机械制动，保证机器安全。

(2)变频调速控制：卷'烟机共有点动速度(1/6全速)、低速(1/3全速)和全速三种运行速度，由PLC控制系统根据当前的运行条件产生相应的输出信号控制交流变频器的速度设定，从而达到合适的机器运行速度。

(3)其他电机控制：当主电机正常运行后，PLC控制大小风机电机、油泵电机、油冷电机、浆糊电机、液压电机、烟梗电机、料斗电机、振动盘电机和除尘电机开设运行。这些电机的状态都接入交流连锁控制中，任何电机的异常都会断开交流连锁，导致机器停止运行。当主电机停止运行后，PLC控制这些电机停止运行。

(4)交流连锁控制：交流连锁通常用来保证运行过程中的人员和机器的安全，当出现防护门打开，机械传动异常，油压偏低或电机热敏跳闸等故障时，交流连锁断开，机器停止运行。消除故障后，机器才能重新运行。

(5)直流连锁控制：直流连锁通常用来保证运行过程中的产品质量，当出现烟丝缺少，盘纸断开，跑条等故障时，直流连锁断开，机器停止运行。消除故障后，机器才能重新运行。

(6)烟丝料斗控制：当主电机启动运行后，料斗电机自动运转为卷烟机提供烟丝，控制系统同时检测烟丝料位的高低和控制烟丝的提升速度，保证烟丝供给的均匀连续。

(7)盘纸拼接控制：当二盘盘纸用完后，使用待用的另二盘盘纸通过自动拼接后继续为卷烟机提供原料。拼接控制的逻辑比较复杂，主要包括拼接选通脉冲的监测、左右盘纸张力监测、左右盘纸耗尽检测及手动拼接等几部分。

(8)烙铁温度控制：选用日本ORMON智能温度控制器控制卷烟机的熔铁温度，温度控制器的报警输出接入PLC的直流连锁控制中，当温度超限后，PLC的直流连锁断开使机器停止运行，同时显示故障原因。

(9)水松纸拼接控制：当-盘水松纸用完后，使用待用的另一盘水松纸通过自动拼接后继续为卷烟机提供原料。水松纸的拼接控制的逻辑与盘纸拼接一样也是包括拼接选通脉冲的监测、左右水松纸张力监测、左右水松纸耗尽检测及子动拼接等几部分。

(10)干燥鼓剔除控制：当机器开始运行或出现盘纸或水松纸拼接时，卷烟机会产生部分不合格烟支。这些不合格烟支需要在经过干燥鼓时被剔除掉，剔除动作是靠干燥鼓吹气阀的导通未完成的，准确的剔除时序则是靠刀头脉冲信号的同步作用来保证。

(11)数据采集：卷烟机运行过程中的二些生产数据如产量、原辅材料的消耗、停车故障的次数和持续时间等可在PLC中加以统计，统计可按班次进行日统计和月统计存储在盯的寄存器中。上位的IPC可通过盯的通讯模块读取这些数据提供给生产管理使用。

5、结束语

本文介绍的在MK9-5型卷烟机中用三菱PLC构成的新型先进电气控制系统，经过一年多的实际运行，大大提高了整机的可靠性和工作效率，降低了故障率和次品率，减少了原辅材料的消耗，达到了控制系统的设讨月的。因此，用兰菱PLC构成的卷烟机新型先进电气扣制系统具有较好的使用和推广价值。

1 引言

近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。

作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。

2 系统结构

本系统结构图如下：

其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。

由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。

在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。

触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。

3 软件设计

3．1 给纸设计

印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：

在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。

3．2离合压设计

离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。

在设计中，离压，合压的程序流程如图所示：

印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。

3．3 人机界面设计

在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示：

4． 结束语

印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏]监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便

可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。

由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。

在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。在笔者参与开发的某电厂输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的18台设备进行控制，并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。

鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。本文将主要介绍PLC的控制应用。

1 输煤系统控制要求

输煤系统有两条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备，在电厂中有着极为重要的地位，一旦不能正常工作，发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自动（联锁）、手动（单机）两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。

为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：

· 供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
·各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动延时统一设定为12s。停车延时按设备的不同要求而设定，分为10s、20s、30s、40s、60s几种，以保证停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤；
·运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其前方（指供料方向）设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；
·各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏15度时发出告警信号，跑偏30度时告警并自动停车；
·可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
·可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
·可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况（报警、自动停机等）做出实时纪录。

2 PLC控制系统设计

2.1 PLC选型

根据输煤系统的自控要求，我们选用了德国SIEMENS 公司新推出的S7-200型PLC，具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU214，性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护。扩展模块选用EM221,8个输入点；EM223,16个输入点，16个输出点。

2.2 系统关系 系统关系如图1所示。

图1 系统关系

在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统仿真画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。

输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能：向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。

上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控，由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备（PLC、监控仪表）共同构成分布式系统（DCS）。

2.3 运行模式

根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或同时运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的，仅在特殊情况下选用。

2.3.1并行模式

并行一线：
联锁开车顺序：10＃皮带机→8＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机→4＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机某中一台备用。

并行二线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→5＃皮带机→1＃破碎机→1＃振动筛→3＃皮带机→1＃皮带机→1＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。

2.3.2 交叉模式

交叉线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机其中一台备用。

2.4 PLC程序设计

针对输煤系统的控制要求以及具体控制方案的实现，设计程序流程如图2所示。

图2 主程序流程

2.4.1 程序说明

·子模块0：初始化子程序。在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位。仅在个扫描周期执行。
·子模块1：并行一线联锁启停控制程序。根据启动标志位1实现并行一线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·子模块2：并行二级联锁启停控制程序。根据启动标志位2和实现并行二线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·子模块3：交叉线联锁启停控制程序，根据启动标志位3实现交叉线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·PLC的输出信号控制电机的接触器，启动送高电平，停止送低电平。但是，1＃破碎机功率达90kW，2＃破碎机功率达110KW，需要降压启动，所以启动时PLC送一个正脉冲，停车时PLC送一个负脉冲。

2.4.2 程序特点

·特殊标志位的使用：使用特殊标志位SM0.1，使得初始化子程序（子模块0）仅在个扫描周期执行，而在以后的扫描周期不再执行。这样，个别标志位在PLC加电后不受开关变化的影响。例如，并行模式和交叉模式对应标志位仅在关掉主控开关后才能改变。

·内部标志位的使用：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序状态，增加了程序的可靠性和灵活性。
·程序模块化：程序由不同子模块构成，各子模块独立完成各自功能，互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改。
·定时器的使用：程序中，利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。

2.5 部分程序梯形图

图3 部分联锁起停控制梯形图

图3所示为部分联锁启停控制梯形图，T37用于控制设备的启动延时，T40～T46用于控制相应设备的停车延时，接收到停车信号时，经过相应的延时，对应定时器置位从而实现联锁停车。Q0.3是1#破碎机的启动控制输出通道，启动1＃破碎机时送出一个宽度为2s的正脉冲。Q0.7、Q1.0分别是2＃给煤机、3＃给煤机的控制输出通道，M0.1、M0.2 是内部标志位，用于保证2＃、3＃给煤机始终为一台工作，一台备用。

本系统中，PLC作为现场控制设备，能够可靠、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较先进的控制方案，应用前景广泛。

目前，本系统已经在内蒙古伊化集团苏尼特碱矿电厂投入运行，能够可靠、准确地完成控制操作，实时监测和记录输煤过程运行状况，并且能对现场出现的各种突发事件及时做出响应，取得了良好的效果。