西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8参数规格
西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8参数规格
1 引言贴纸铝箔是香烟包装行业的主要包装材料，由铝箔和纸料贴合而成。用于香烟盒的铝箔要分布均匀并且贴涂轻薄，但由于铝箔的柔韧性不强，易折断，所以不能直接把铝箔装在铝料辊上，只能先把铝箔粘贴在不易扯断的塑料膜上，然后再与原料座上的纸张贴合。这样一来，卷取座上卷取的成品就是纸、铝箔和塑料膜三者的合成。但是用于香烟盒中的铝纸却不能含有塑料膜，因为塑料膜是用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他树脂制成的，它不易腐烂，难以分解，并且对人体有害。所以，必须要在复合机后面再接上一个独立的塑料膜剥离机，从而使原料纸和铝箔粘合在一起。工人要先把卷取座上的产品取下来，再运送到独立的剥离机上。这样一来，就会影响产品的生产效率，占用生产车间的空间，增加企业的投入成本。
2 系统方案及策略
2.1 系统方案
针对上述问题，我们提出这样一种解决方法：将剥离机直接添加在复合机后面，使从烘箱里出来的次成品经过剥离机，在此阶段剥离，从而使塑料膜平整地卷取在剥离座上，便于下次使用；纸料和铝箔的贴合物直接卷取在卷取座；并且使剥离机的控制系统与复合机的控制系统相集成，使其成为一个整体，从而节约成本、提高产品的生产效率。因此，改进后的复合机工作结构图如图1所示。
复合机的放、收卷是一个典型的大时变非线性系统，而且中间经过的生产环节较多，各机组间的张力又相互耦合，因此，若不对生产线的张力进行严格控制，会导致走料的不稳、跳动甚至断料，贴合时的皱褶、拉伸变形，印刷时的不准或重影，卷取时的不平整，影响后续使用等现象的发生从而直接影响到烟箔产品的质量。因此，如何使生产线实现恒张力控制一直是设计人员所关注的重要课题。
从烘箱出来的次成品经过剥离机后，要将塑料薄膜均匀地卷取在剥离座的剥离辊上，而纸和铝箔要均匀地卷取在成品卷取座上，这就要求塑料膜和成品二者的速度保持一致，并且两者的张力要求恒定。因此，我们需要采用精度较高的变频器和编码器构成一个闭环控制，从而保证卷膜速度与成品卷取速度一致；还需要采用一个精度较高、抗干扰较强的张力传感器构成一个闭环控制，从而保证剥离辊卷膜张力恒定，工作原理如图2所示。
图2 剥离座工作原理图
图3卷膜辊卷绕系统简图
由上式可见，塑料膜在作为张力调节对象时，是一个积分环节。控制张力实际就是在控制线速度差v2-v1，所以，从某种意义上来说，张力控制系统实际上就是一种线速度跟踪系统。在启动过程中，假定v1恒定，应该总是控制在v2>v1，以使塑料膜内产生一定的张力，当张力达到合适值时，应该及时调节异步电机使v2稳定，这样，塑料膜就在此张力下稳定运行了[3]。
为了使塑料膜卷取的均匀平整，我们要求塑料膜的卷取线速度和系统的工作速度保持一致，设系统的工作速度为v，所以变频器接收的控制电压的一部分u1可由以下公式得到：
u1=kv×v
其中，kv为比例系数。
在收卷过程中假定v2恒定，则线速度v2=π×d2×n2，v2将随卷径d2的增大成正比例增大，张力f也成正比例增大，这样很容易引起卷绕过程中塑料膜的过度拉伸而导致变形甚至断裂。
图4 系统网络结构图
u2=kx×upid
其中，kx为pid输出限副比例，upid为pid输出电压值[4]。
卷径公式d2如下：
d2=n×d×2+d0
其中，n为计数器计数个数，d为塑料膜厚度，d0为初始卷径。
即可得到变频器接受的控制电压为：
u=u1+u2=kv×v+kx×upid
3 系统实现
3.1 系统硬件配置
由于原复合机的控制器采用siemens公司的s7-300 plc cpu313c完成较复杂的控制，tp27触摸屏作为人机界面，方便地实时观测系统的运行情况，设置各种参数。所以，对于后续的剥离机我们也选择相同型号的控制器，从而简化通信程序，提高程序的可靠性。由于s7-300 plc cpu313c自带有24di、16do、5ai和2ao，而剥离座的控制i/o比较少，故不需要添加额外的输入输出模块，此外，还包括控制器电源模块ps307。鉴于本系统对通信的速率要求不高，同时通信数据量也不大，我们采用简单经济的mpi通信，实现剥离座plc与原系统plc之间，剥离座plc与原系统触摸屏之间的通信[5]，其网络结构如图4所示。带动卷膜辊的电机，我们选择西门子公司的基本异步电机；变频器选择西门子通用的micromaster440变频器。
3.2 软件设计
系统的编程采用siemens公司的step7 v5.3实现，编程语言用到了梯形图(lad)和语句表(stl)两种，分别完成逻辑控制和数值处理功能；触摸屏采用siemens公司的protool v6.0进行组态。剥离座控制系统流程图如图5所示。
图5 程序流程图
pid算法是这个控制系统的核心，它直接决定这个系统的精度高低甚至稳定与否，本系统采用应用工业上广泛而成熟的积分分离pi控制算法。它的控制思想为：为了减少积分校正对控制系统动态性能的影响，需要在控制开始阶段或是大幅值变化时，取消积分校正；而当实际张力值与设定值的误差小于一定值时，恢复积分校正作用，以消除稳态误差。积分分离式算法可以保持积分的作用，同时减小超调量，改善控制系统的性能。
4 结束语
本文是一个实际项目完成后的一些总结和提炼，从湿式复合机的生产工艺流程入手，针对当前复合机在印刷行业中的不足，对其进行了部分改进，从而大大提高了生产效率，减少企业投入成本。本文中所画出的一些原理示意图和结构流程图是实际系统的简化，而并非实际系统的真实结构。本系统采用siemens s7-313c型plc作为控制器，实现了塑料膜与成品协调一致地均匀卷取。软件设计采用模块化设计思想，程序结构清晰，为以后的维护和改进带来了方便。pid算法控制是剥离座运行的核心，也是影响塑料膜是否平整的主要因素。运行结果表明，改进后的复合机控制系统运行正常，性能良好，塑料膜和成品能够均匀平整地收卷，与未改进之前相比，能够节省大量时间，提高了产品的生产效率。
1本地数据堆栈区L是局部变量，L变量仅在调用它的子程序中有效。
不同子程序中的L变量可用同名。如，FC1中有L0.1,FC2中也有L0.1这个变量，而2者间没任何关系、也不会相互冲突。
2不需要做初始化
3 局部变量解释：
L 是局部存储器，作为暂时存储器或给子程序传递参数，L也可以L*.*（如L2.5 是BOOL 量，是第二个字节的第五位），LB，LW，LD来存取，但仅仅在它被创建的块中有效，它也可以在符号表中定义，但只能在各个POU自己的符号表中定义.
4. 全局变量和局部变量在符号寻址编程时，全局变量直接显示符号名，而局部变量在符号前会加上#，采用局部变量编程有很多优势：程序可以功能化移植（减少重复编程量），大程序方便协同作战（把任务分成各个功能块),这是SIEMENS的PLC比较优越性之处。
5 使用时请注意，一定要先赋值，后使用局部变量又称临时本地数据区（L堆栈），位于CPU的工作存储区用于存储程序块（OB、FB、FC）被调用时的临时数据，访问临时数据比访问数据块中的数据更快。
“L是局部变量,只能在局部使用,不能在全局使用。”只是在这个程序块中可以使用的，使用结束后就会自动复位，它不能被其他的程序使用。临时变量的使用原则就是：先赋值，再使用
在S7-300CPU中，每一个优先级的局部数据区的大小是固定的。一般在组织块中调用程序块（FB、FC等），操作系统分配给每一个执行级（组织块OB，一般在OB块执行并调用其它FB、FC）的局部数据区的大数量为256B（字节），组织块OB自己占去20B或22B，还剩下多234B可分配给FC或FB。如果块中定义的局部数据的数量大于256字节，该块将不能下载到CPU中。在下载过程中提示错误信息：The?block?could?not?be?copied（该块不能被复制）。如果单击错误信息框中的Detail（详细）按钮，将弹出帮助信息：Incorrect?local?data?length（不正确的局部数据长度）。
在SIMATIC管理器中依次展开你的项目到Blocks（块），右击选中某个块，选择菜单bbbbbb?Properties（目标属性）选项。在块的属性对话框中，可以看到块所需要的局部数据字节数（Length长度：Local?Data（局部数据））。
在SIMATIC管理器中选中你的项目的Block(块（文件夹，执行菜单命令Options（选项）/Reference?Data（参考数据）/Display（显示），然后选择Program?Structure（程序结构），即可在参考表中查看局部数据的占用情况。
用户可以选择如下三种保护级别：
[*]保护级别1：符合默认值[*]保护级别2：只读访问方式[*]保护级别3：不可读写访问方式
用户可以在 S7 站进行硬件组态时设置一个 CPU 密码。打开 CPU 的属性对话框，属性对话框内保护级别 2（只读访问方式）和设置密码都是被推荐的。
不知道密码而无法输入密码的用户只能在 CPU 里读取程序，用户无法修改程序。
图1: 设置 CPU 保护 块保护（Know_How_Protect）可用于自动生成的STEP 7块中。 用户如果忘记密码： 用户如果忘记了密码，将无法写入访问（或保护级别 3 的读取访问）到密码保护过的 CPU 中。 用户必须通过复位 CPU 并上传程序到 CPU 中来恢复访问。 注意：
修改过的数据被下载到 S7-CPU 中，密码才被激活。
为程序块 DBs, FBs 和 FCs 设置块保护(Know_How_Protect)的方法。
图 014生成的源文件存放在 Simatic Manager -> S7 program -> Sources 文件夹中，打开源文件。5在声明部分的 "TITLE" 语句下插入 "KNOW_HOW_PROTECT" 命令。
图 026点击菜单 "File > Save" 和 "File > Compile" 保存编译 STL 源文件。至此完成块的保护。
下表介绍如何去除块 (FBs, FCs and DBs)的 KNOW_HOW_PROTECT 保护功能：
根据不同的PLC配置情况确定I/O地址是PLC编程的前提与基础，程序中的地址必须与实际物理连接点一一对应，才能确保动作的正确执行。
当选择了PLC之后，首先需要确定的是系统中各I/O点的地址。在西门子S7系列PLC中I/O地址的分配方式共有固定地址型、自动分配型、用定义型3种。实际所使用的方式决定于所采用的PLC的CPU型号、编程软件、软件版本、编程人员的选择等因素。
1．固定地址型
固定地址分配方式是一种对PLC安装机架上的每一个安装位置（插槽）都规定地址的分配方式。其特点如下：
①PLC的每一个安装位置都按照该系列PLC全部模块中可能存在的大I/O点数分配地址。
例如：S7-300系列I/O模块中大开关量输入／输出为32点，因此，每一个安装位置都必须分配32点地址：如果实际安装的模块只有16点输入，那么剩余的I/O地址将不可以再作为物理输入点使用。
②对于输入或输出来说，I/O地址是间断的，而且，在输入与输出中不可以使用相同的二进制字节与位。
例如：S7-300系列I/O模块的第1安装位中安装了32点输入模块，地址数据中的0.0～3.7就被该模块所占用，地址固定为I0.0～13.7;即使第2安装位中安装了32点输出模块，其输出地址也只能是Q4.O～Q7.7，而不可以是QO.O～Q3.7，在实际编程时QO.O～Q3.7就变成了不存在的输出。同样，如果在第3安装位中接着安装了16点输入模块，其地址将为I8.0~19.7，在实际编程时I4.0～17.7就变成了不存在的输入。
以上分配原则对模拟量模块同样适用。
2．自动分配型
自动地址分配方式是一种通过自动检测PLC所安装的实际模块，自动、连续分配地址的分配方式。其特点如下：
①PLC的每一个安装位置的I/O点数量无规定，PLC根据模块自动分配地址。
例如：当每一个安装位置安装了32点模块后，PLC自动分配给该模块0.0～3.7的地址：如果实际安装的模块只有16点输入，那么PLC自动分配给该模块的地址就成为0.0～1.7。
②输入与输出的地址均从0.0起连续编排、自动识别，I/O地址连续、有序。
例如：PLC的第1安装位中安装了32点输入模块，地址为I0.0～13.7;当第2安装位中安装了32点输出模块后，其输出地址自动分配为QO.O～Q3.7。同样，如果在第3安装位中接着安装了16点输入模块，其地址将为I4.0～15.7。I/O地址中没有不存在的输入与输出。
以上分配原则对模拟量模块同样适用。
对于S7-300系列，由于生产时间、软件版本的不同，安装于PLC主机上的部分I/O模块，CPU的地址分配可能会出现断续的情况，CPU仍然按照大开关量输入／输出进行地址分配，当使用32点以下模块时，多余的地址不可以再使用。但是，、对于远程I/O单元，地址总是连续分配的。
3．用户设定型
用户设定型分配方式是一种可以通过编程软件进行任意定义的地址分配方式。其特点如下：
①PLC的每一个安装位置的地址可以任意定义，I/O点数量无规定，但同- PLC中不可以重复。
例如：当每一个安装位置安装了32点输入模块后，用户可以分配给该模块I0.0～13.7的地址；也可以分配其他任意地址，如I8.0～I11.7等。但在分配I0.0～13.7后，后续的同类模块中不可以再使用地址I0.0～13.~。
②输入与输出的地址既可以是间断的，也可以不按照次序排列。
例如：PLC的第1安装位中安装了32点输入模块，地址定义为I8.0～111.7;第2安装位中再安装32点输入模块，地址定义为I0.0～13.7，这样的分配同样也允许。
以上分配原则对模拟量模块同样适用。
