西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0规格说明

西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0规格说明

当今世界上精密加工技术发展很快，新的加工方法和设备层出不穷，计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样。实现精密和超精密切削加工有三种方法：(1)采用和研制高精度加工设备；(2)采用新的切削工具材料；(3)利用加工与测量控制一体化技术。前两种方法成本较高，而后一种方法成本较低，具有广阔的前景。在后一种方法中，除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外，还有一项重要内容就微进给机构的精度及其控制精度。笔者在控制精密磨削的研究中，利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构，在滚珠丝杠确定后，步进电机的控制精度成为了主要矛盾。
   
    1、步进电机的控制
   
    步进电机在不失步的正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。可以方便地实现正反转控制及调整和定位。由于步进电机和负载的惯性，它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。因此，必须实现步进电机的自动升降速功能。为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频些脉冲序列，可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。
   
    如果要改变控制逻辑和控制方案，必须改变电路结构和元件数，而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。且可以从多种控制方案中，选取一种佳方案进行控制和调节。也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制。利用计算机控制的形式也很多，本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制。
   
    2、PLC系统组成及位控单元的工作原理
   
    本研究所利用的PLC系统的组成包括如下七大模块：电源，CPU，位控单元，I/O单元，A/D，D/A单元，如图1所示。其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机)与电机驱动器联结时，输出脉冲序列控制电机的转速与转角。进给机构可以是2轴型，也可以是4轴型。本文采用的是前者，即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给，如图2所示。具体地说，位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种，如E点控制(单速度控制)，如图3(a)所示；P点控制(多级速度控制)；线性加/减速和S型加/减速，(a)，(b)为线性加/减速，S型如。除此之外还有位置控制和相对位置控制等。表1给出了E点控制不同模式的控制码(P点与其相同)。

图1 PLC系统组成结构图

表1 E点（P点）控制码

图2 2轴型位控单元工作原理图

图3 PLC位控单元自动升降速特性曲线

    3、磨削加工PLC控制原理
   
    如图4所示，PLC可以控制变频器、传感器、步进电机。总控制程序流程图如图5所示。其中两个步进电机是利用PLC的位控单元控制的。在进行精密磨削过程中，横向进给将是十分重要的，PLC的位控单元能较jingque

[NextPage] 地控制步进电机的转角，从而使滚珠丝杠获得jingque定位。由于PLC位控单元的控制方法有多种，对于磨削加工来讲，横向进给量不能大于215μm，通过实验的方法可以找出佳方案。这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用。首先，设置原点，利用光栅尺粗对刀，测量出对刀位置距原点的距离。为防滚珠丝杠出现爬行现象，工作台从原点出发，经过一段距离以后开始自动加/减速。此时，只要给定起始速度，目标速度，加速/减速时间以及位置要求值，并设　　定控制码即可实现上述功能，相关程序如图6所示。如果假设滚珠丝杠的螺距为d，步进电机的步距角为α°；进给速度为v(mm/s)；行程为s(mm)；则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度)为f=360v/αd(Hz)；总脉冲数(即程序中的位置要求值)为F=360s/da(个)

图4 PLC控制磨削加工结构原理图

图5 总控制程序流程图

图6 步进电机S型加/减速程序梯形图

    4、结束语
   
    PLC位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点。因此，它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义。

  引言
    我国拥有300万平方公里的海域、近二万多公里长的海岸线以及众多岛屿，是一个海洋大国。沿海各省不仅是我国经济发达地区，而且在近海蕴藏着丰富的石油和天然气资源，对通讯的需求日益增加;另外，原来铺设的海底通信电缆，由于电缆通信容量小，抗干扰性差，老化现象严重，在大多数情况下必须使用海底光缆才能彻底解决岛屿的通信问题。早在1986年，我单位就生产出国内条海底光缆。此后，海缆的结构不断变化，设备制造工艺也在不断的更新。我单位研制的海底光缆生产线也采用了不少国内外先进技术，其中PC和西门子S7系列PLC在海底光缆护套生产线电气主控系统上的应用就是一个主要方面。

2  海底光缆护套生产线
    海底光缆护套生产线主要用途是海底光缆用光纤松套不锈钢管护套的大长度生产，该生产线主要有Φ2500地轨龙门行走式主动放线架、主动放线张力控制装置、SJ30卧式挤出机(挤热熔胶)、SJ90挤出机、2m移动冷水冷却水槽及水箱、8m热水冷却水槽及水箱、12m温水冷却水槽及水箱、30m冷水冷却水槽、吹干装置、履带式牵引机、火花试验机、测径仪、收线张力同步器、Φ3150地轨龙门行走式收排线架和相应的电气控制系统等组成(如图1所示)。整条生产线的长度为83m。

3  生产线电气控制系统结构
    海底光缆护套生产线电气控制系统是一个较大的控制系统，整个系统主要控制对象为:地轨龙门的放线，SJ30的加热和护套挤出，SJ90的加热和外护套挤出，牵引同步，地轨龙门的收排线，水槽温度的控制，张力的控制，外径的控制等。系统控制点数的分类情况与统计见表1。

    由于控制点数多，生产线较长，加之采用占地面积较小、承重能力较高的地轨龙门行走式主动收放线架，如果采用单PLC控制系统，不仅系统复杂，不适应于生产线的易安装、易维护和低故障率的要求，而且可靠性不能保证。我们经过综合分析，决定采用了分布式的PROFIBUS-DP现场总线网。
    PROFIBUS是近年来国际上为流行的现场总线，也是目前数据传输率快的一种现场总线(传输率可达12M波特)，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持，已成为重要的现场总线标准，在很多领域内有广泛地应用。正是基于PROFIBUS现场总线技术上的成熟和开放性，以及在实际应用后的经济效果，因此我们在海底光缆护套生产线控制系统中选用了MPI+DP的总线控制方式。

如图2所示，整个控制系统由1台上位机、1台Profibus-DP主站和2台Profibus-DP从站及其他控制设备组成。我们之所以在生产线中选择使用西门子公司的S7系列PLC，是因为它具有高速、多功能、系统化、网络化、结构简单、安装方便、系统组织灵活、可靠性高、维护方便等特点。PLC的每一个I/O出现故障时，只需要调换有故障的模块，而不需长时间的停产进行设备维修，特别适合于我们当前竞争日益激烈的光缆市场。网络化和通讯强化通讯能力也是该PLC的一个重要特点。

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    3.1 PROFIBUS
    Profibus-DP主站采用SIMATIC S7-300的系列模块，作为控制中心的CPU采用西门子公司新推出的CPU313C-2DP，它具有强大的数据处理能力，不仅集成了MPI通讯口，而且集成了Profibus-DP现场总线接口，同时还可插入MMC存储卡，可以有效的防止以前由于使用电池保存程序而造成的PLC程序易丢失的问题;还集成了16点的数字量输入和16点的数字量输出，具有较高的性价比。主站还配有两块SM334和一块SM321，可进行除放线和收线从站控制部件外的生产线其它部分的直接控制。
    Profibus-DP从站处于经济方面考虑采用SIMATIC S7-200的系列模块。CPU采用cpu224，EMM277从站模块经过I/O总线连接到CPU224中，Profibus网络经过EMM277的DP通讯口，从而将S7-224CPU连接到Profibus--DP网络中。作为DP从站，EMM277可从主站接受和发送数据，从而完成从站CPU224与主站CPU313C-2DP的数据交换。通过PROFIBUS-DP网络可使操作人员方便的、实时的掌握生产线运行状况。
    在设备安装过程中，我们用Profibus网络总线连接器和Profibus电缆将3个CPU连接起来，再利用编程工具STEP7对S7-300进行硬件组态，建立一个PROFIBUS-DP网络。为将EMM277作为一个DP从站适用，用户必须通过EMM277模块上的旋转开关设定与主站组态中地址相匹配的DP端口地址。
    PLC程序采用S7-300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制，编译完成后下载到CPU313C-2DP中。用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中，OB用于控制程序的运行，FB、FC是用户子程序，DB是用户定义的用于存储取数据的存取区，本系统中它是上位机监控软件与PLC程序的数据接口。
    当组态DP主站时，需要定义CPU224变量V存储器内的字节位置，从这个位置开始作为输出数据缓冲区。也要定义I/O配置，他是写入到CPU224的输出数据总量和从CPU224返回的 输入数据总量。在从站与主站正常进行数据交换模式时，主站将输出数据写入到EMM277模块。然后，EMM277响应新的CPU224的输入数据，不断更新，以便向主站CPU313C-2DP提供新的输入数据。然后，EMM277将输出数据传送给CPU224，从主站来的输出数据放在输出缓冲区。
    在编程S7-200程序时，在编程时也要注意从主站来的数据必须经过传送指令，从输出缓冲区转移到其它数据区，类似的，传送到主站的数据也必须通过传送指令从各种数据区传送到输入缓冲区，进而发送到主站中。
    这样在程序运行时，主站CPU313C-2DP根据存储卡存储的程序和从站PLC一样，分别通过相应的数字量和模拟量输入、输出模块采集生产线各种运行状态，控制硬件设备，并读取总线上的所有I/O模块的状态字，实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，并实现一些简单的诸如张力控制等控制算法。现场的PLC把分散的数据集中到DP主站，并通过MPI通讯送到上位机，从而实现PC的直接控制生产线的运行。
3.2 上位工业计算机
    我们的工业计算机选用台湾研华公司的IPC-610作为上位机，因为它们在国内工业控制市场上占有较大的份额，可靠性也较高。通过MPI通讯卡CP5611使工控机与DP主站进行MPI通讯，从而实现工业PC机与DP总线的硬件连接。并可通过RS232C与生产线的外径测量仪等智能仪表进行串口通讯，从而实现生产线其它控制数据的采集。
    我们在上位机采用的组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件，使我们可根据实际生产需要任意组态，快速生成应用软件，并可方便的的实现监控软件的实时数据更新、历史曲线和实时曲线显示、报警、数据存储、查询等功能，大大缩短了监控软件的开发周期，提高了软件运行的可靠性、维护性、延续性和可扩充性。
    对于本系统的PROFIBUS网络，我们定义了I/O变量后，组态软件通过MPI驱动程序软件接口获取DP主站相应的数据，我们可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示，这样就可以实现工业流程画面上动态地显示现场各过程硬件的运行状态，数据也可以按相应的顺序写回现场过程硬件，执行控制操作，实现生产线的人工控制功能。
    在监控软件画面中，点击相应设备按钮就可对该设备进行单独控制;还可显示生产线各部件的当前运行状态，如当前电机速度以及一些故障信息等。对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理并自动进行相应的设备控制，如对故障信号的解锁及其恢复等，还可利用软件的DDE功能实现报表打印功能以及实时数据和历史趋势曲线显示等功能。

4  结束语
    在海底光缆护套生产线控制系统中，我们通过应用Profibus-DP现场总线取得了很好地运行效果。Profibus-DP总线不仅满足了生产线的各项功能要求，并且使用合理。由于通讯方式的实现，省去大量的电缆、桥架等安装物资，可减少设备生产成本;总线控制方式，维护简单，维护量小。在本控制系统的设计、安装和调试过程中，Profibus-DP的应用无疑是正确的，我们的经验是在现场安装过程中仍要注意对现场各类干扰因素的防范以及现场的接地系统对总线通讯的影响。
    海缆的生产是一项性很强的技术工作，需要有专门的各种生产线来实现生产。通过本次Profibus-DP现场总线在海底光缆护套生产线上的应用，随着将数字信号和模拟信号混合的系统改造为全数字信号系统的发展，Profibus-DP会在光纤光缆生产线中得到越来越广泛的应用。

一、前 言
 　　红外线烘干炉在烘干方面与其它干燥方式相比，越来越显示出其优越性，如：占地面积小，干燥周期短，节约能源和减少环境污染等。为了提高烘干炉加热强度控制的准确度和快速性，以及操作的方便性和易维护性，在控制系统中引入了PLC控制及触摸屏人-机接口，下面着重讨论该控制系统的组成、功能及特点。　　在带材深加工过程中，需要加热烘干工艺的生产线很多，如:涂漆、复合、染色、涂塑等。为了适应该类生产线生产连续、速度快、涂层薄等特点，大都采用了以辐射方式为主的红外炉进行烘干。这种换热方式早可以追溯到30年代初，主要用于汽车油漆的烘烤和实验室、医院等,到了70年代，由于新的辐射材料的问世及高温定向辐射技术的发展，使得红外加热干燥在薄物料特别是在带材表面涂层(厚度一般在1～4
 　　　　
 　　　　二、系统的组成
 　　　　该炉所处的生产线为双涂双烘涂层生产线（即安装有两台红外烘干炉），由于两台烘干炉与主控柜之间距离较远，控制地点分散，若采用集中控制，则现场布线复杂，维护不便。综合考虑生产线的布局特点，我们采用了带有触摸屏（人-机接口）监控的PLC分布式控制方案，使现场布线、调试和维护十分便利，系统结构图如下：
 　　

 　　图2-1 烘干炉控制系统结构图

 　　　　
 　　　　 
 　　　　系统中的生产线PLC（GE90-70系列）主控制站主要为烘干炉控制系统提供生产线带材速度、厚度、宽度和工作状态等工艺参数，以便烘干炉PLC控制主站根据这些参数进行相应的控制；1#、2#炉监控触摸屏主要用来进行烘干炉工作状态的控制及相应工艺参数的设置，以及各类参数和信息的在显示；烘干炉PLC分站主要来完成与触摸屏的数据交换以及现场实际参量的数据采集，处理后通过GENIUS网络再与烘干炉PLC控制主站及生产线PLC主控制站交换信息（此外，为了节约投资，该PLC分站在生产线中还担负着涂层机相关设备的控制和现场数据采集）；烘干炉PLC控制主站主要完成由1#、2#烘干炉PLC分站上传来的指令，同时根据现场采集的相关数据分别完成对1#、2#烘干炉相关设备的控制，从而保证了烘干炉控制系统与整条生产线工作的协调性及加热控制的准确和快速性。
 　　　　
 　　　　三、PLC系统的控制功能
 　　　　1） 烘干炉PLC分站
 　　　　烘干炉PLC分站位于现场1#及2#炉操作台内，采用了美国通用（GE）电气公司的90-30系列PLC，主要完成下述控制功能：
 　　　　 操作接口管理，通过RS232接口实现与触摸屏的数据交换；
 　　 从现场检测装置或传感器采集数据并进行处理；　　
 　　　　 故障诊断和报警信息的处理；
 　　 烘干炉急停控制，操作者shujuxiugai级别限制及密码的管理。　　
 　　　　 与生产线PLC主控制站及烘干炉PLC控制主站通过GENIUS网络进行相关信息交换。
 　　　　此外，该PLC还完成了对涂层机电气设备的控制与相关参量的数据采集，因与烘干炉控制无关，在此不再多述。
 　　　　2） 烘干炉PLC控制主站
 　　　　烘干炉PLC控制主站位于主控室内，对两台烘干炉进行分别控制，互不干扰，主要完成下述控制：
 　　　　 使烘干炉的加热强度与生产线的速度曲线相适应；
 　　 烘干炉各区温升曲线的设置与修正；　　
 　　　　 对整个烘干炉电控设备的联锁/时序逻辑控制；
 　　 对主控室内的烘干炉控制设备的各种测量装置或工作状态的数据采集和处理；　　
 　　　　 与生产线PLC主控制站及烘干炉PLC分控制站通过GENIUS网络进行相关信息交换。
 　　　　3） 触摸屏人-机接口系统
 　　　　触摸屏（采用日本DIGTAL公司的GP570）是专为PLC的应用而设计的小型工作站，适应恶劣的工业环境，集主机、输入输出设备于一体，体积较小，可作为操作者与控制系统之间联络的高效人—机接口，在本系统中安装在现场操作台面板上，主要用来完成下列任务：
 　　　　 赋予菜单管理功能，实现分页和多屏显示；
 　　 通过RS232接口完成与烘干炉PLC分控制站的数据交换；　　
 　　　　 通过功能键，可控制烘干炉所有电气设备的工作状态（如：工作方式的选择、设备起动、停止等）；
 　　　　 在数据区上设置和修改烘干炉各区加热模式，方便烘干炉多种工作模式的选择；
 　　　　 显示各区可控硅调压器主要技术参数（电压、电流等）及烘干炉工作状态和在线温度等重要参数；
 　　　　 显示报警和诊断信息及相应的解释。

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 　　　　四、系统通讯及数据交换
 　　　　该分散式控制系统的通讯和数据交换主要是通过一个局域网（GENIUS总线）来实现的。
 　　　　该局域网的通讯设备主要由主控制PLC（GE90-70）的GBC GENIUS总线控制器和分控制站PLC（GE90-30）的GCM+增强型GENIUS通讯模块组成。
 　　　　GENIUS总线是为工业环境中可靠通讯而设计的，其采用单屏蔽双绞线，可避免电子噪音的干扰，数据可通过总线153.6K的速度传送，传送距离长达2000米。
 　　　　GENIUS总线多可连接32台通讯设备，其中主控制站PLC中GBC的设备号必须设置为31#，其它分控制站PLC中的GCM+可根据位置进行自由设置，GENIUS通讯协议是一种点对点的“令牌总线”系统，有一种电子“令牌”（TOKEN）从0#设备到处1#设备（通过未采用的地址设备时消耗时间很少）循环传送，如下图。
 　　
 

 　　图片-2

 　　　　　　当某台设备得到“令牌”时，它可向总线传送多达128字节的全局数据，这些全局数据的信息对应于PLC存储器中的%I（开关量输入）、%Q（开关量输出）、%AI（模拟量输入）、%AQ（模拟量输出）、或%Q（参量寄存器）等相关信息。但每台设备可在任何时候接受总线上所有其它设备传送来的全局数据（并不局限于是否得到“令牌”）。这样，通过GENIUS总线，烘干炉主控制站（PLC）既可采集到位于现场烘干炉控制分站上的输入信息，又可将这些信息经过处理后再发送给烘干炉控制分站进行输出控制或在触摸屏上进行状态或数据显示。
 　　　　因为GENIUS总线上的通讯设备是采用双绞线串行连接的，从而简化了主控制站与分控制站之间的电气连接，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了电气设备安装的工作量和运行过程中的维护量。
 　　　　该控制系统的触摸屏（GP570）与系统的通讯，采用了RS232通讯电缆直接与烘干炉分控制站的PLC CPU模块上的RS232接口相连。通过该连接，触摸屏可与烘干炉分控制站PLC相互交换数据，而该分控制站PLC通过上面所述的GENIUS局域网可与烘干炉主控制站及生产线主控制站相互交换数据，从而实现了由触摸屏对烘干炉相关设备的控制和各种工艺参数的在线显示以及故障信息的报警和故障诊断。
 　　　　五、结束语
 　　　　在烘干炉控制中引入PLC网络及触摸屏人-机接口控制系统，优点主要表现在：
 　　　　 结构配置符合标准化、简单化和模块化原则，从而提高了整套系统的可靠性和易维护性；
 　　　　 各控制站之间数据传送采用实时通讯链路，提高了数据的传送速度，从而保证了控制系统的控制精度；
 　　　　 强有力的高效人-机接口系统（GP570触摸屏），在操作者和烘干炉之间建立了有效的联系手段，以对现场设备进行监控，自诊断和初始化设置等；
 　　　　 允许将来通过安装部分硬件和相关软件而使整个控制系统的功能得到扩展；
 　　　　 由于各控制站之间采用了专用网络，仅使用一根单屏蔽双绞线便可将各分控制站与主控制站联系起来，大限度地简化了现场布线，也使整个电气安装、调试和维护更为便利。