西门子6ES7241-1AA22-0XA0现货库存

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1 引言

      沂河桃园橡胶坝位于山东省临沂市境内。橡胶坝是用高分子合成材料，按要求的尺寸、锚固于河床底板上形成封闭状、用水(气)充胀后形成的挡水坝。不需挡水时，放空坝袋内的水(气)，就可恢复原有河渠的过水断面。橡胶坝可用于防洪、灌溉、发电、供水、航运、挡潮及城市园林美化，也可用于活动围堰、渠系临时挡水工程等。

      沂河桃园橡胶坝担负着当地拦河蓄水、泄洪、航运管理等重要任务。计算机自动化监控系统是工程正常运行管理和安全渡汛的一个重要保障措施。本自动化监控系统充分利用计算机技术、现场总线技术、网络技术、自动控制技术等高端技术进行橡胶坝的自动化监控，提升了橡胶坝和船闸状态监视，运行控制，日常管理的现代化水平，同时也为今后实现跨地区分布式网络化多媒体远程监控打下了基础。沂河桃园橡胶坝自动化控制系统的开发能够提高橡胶坝的现代化管理水平,具有很强的经济和社会意义。

2 系统整体结构

      橡胶坝控制系统的整体结构设计如图1所示，主要由现地测控系统和上位远程监控系统两部分组成数据采集与监视控制系统(scada系统)。橡胶坝现地测控系统选用西门子s7-300和s7-200系列plc平台开发，以plc为核心，采集各种传感器的信号，完成上下游水位及闸室水位、葛沟水位、船舶监测、各闸门开启高度、坝袋内压、坝体高度以及坝体其他参数的检测。它主要包括两套s7-200现场船闸控制柜、一套s7-300充排水泵控制柜、一个葛沟水位站监测柜、交通信号灯、电动蝶阀和现场所安装的数据采集及相关控制设备所构成的硬件系统，同时，还包括针对大坝安全监测所用的设备渗压计。

图1 橡胶坝控制系统结构图

      上位机远程控制系统主要由两台工业控制计算机及其监控软件、大坝安全监测设备mcu、工业交换机等组成。两台工业控制计算机，一台作为服务器，另一台作为客户机，客户机和服务器采用opc通讯；监控软件主要是实现控制系统的参数设置、工作状况显示、运行控制、数据统计和历史记录查询等功能，实时接收现地传感器等运行数据，记录各个坝袋以及闸门的运行情况，全面监控橡胶坝控制系统的整体运行情况。

      通讯方面，两套s7-200现场船闸控制柜与s7-300控制柜采用profi-busu协议，葛沟水位s7-200监测柜与s7-300控制柜采用无线电台远程传输方式。服务器与客户机采用工业以太网通讯。同时，大坝安全监测设备mcu和监控主机采用rs485协议。

      橡胶坝测控系统必须在充分考虑船闸启闭及充排水泵操作的安全性和可靠性的前提下，利用成熟的工业控制技术、传感器技术、数据传输技术以及计算机技术，实现橡胶坝船闸及泵信息的实时采集、闸门自动jingque启闭、以及相关环境及船闸管理情况的实时监控。

3 监控系统功能设计

3.1 闸门和泵控制

(1) 现地控制：现场操作人员能通过一组切换开关实现人工控制方式与自动控制方式的转换。在人工控制方式下，现场操作人员可按原有方式启闭闸门或泵，其动作相关信息将接受上级部门的实时监控。在自动方式下可以进行远程控制。人工和自动控制方式也可通过远程监控系统切换。

(2) 远程控制：根据各级用户通过网络发给现场测控单元(plc)的指令，闸门可自动开启或关闭，充、排水泵自动启动或者停止，其动作由各级用户根据权限控制。

(3) 闸门启闭及泵启动告警：在闸门将要启闭以及启闭过程当中，在闸门启闭装置附近应有相应的声光装置发出告警提示，以提醒在现场的工作人员注意。

(4) 限位保护：在闸门启闭装置的上面和下面应安装启闭机运行范围的限位开关，一旦启闭装置运行到这两个位置时，这两个限位开关将立即通知测控单元，切断启闭机电源，以避免启闭机超出运行范围。

(5) 相序保护：在启闭机的供电线路里面应串有相序保护器，避免由于三相电源相序混乱所造成的启闭机电机的不正常运转。

(6) 过载保护：每个启闭机的控制电路里面必须配有热过载继电器，根据不同电机功率要求其有不同的设定值，当电机发生过载或是其他故障时，此继电器将能自动切断电机的供电电源，以免烧毁电机。

3.2 数据监测

      实时监测数据应包括：闸前水位、闸后水位、闸门开度、闸门荷载、闸门上升或下降接触器状态、闸门行程开关状态、启闭机保护装置状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态、闸门启闭机电源电压、电流等。

(1) 水位监测：在闸室及闸室前后都要按水位观测要求安装水位传感器，以便实时监测闸室及闸室前后的实时水位信息。

(2) 闸位的自动跟踪测量：无论闸门动作与否，安装于闸门启闭机传动装置上的闸位计都应实时检测闸门的高度值，并上传给现场测控单元。

(3) 电流、电压监测：在供电线路里面还要配置多功能电表，用以实时监测三相电源的电流和电压，为启闭机的启闭操作提供参考数据。

(4) 液压系统监测：包括油压、压力报警信号(超压、欠压)、滤油器堵塞报警信号、油箱油位过低报警信号；

(5) 环境监测：在发电机室中装有温湿度等传感器，用以实时监测机房中的工作环境状况。

(6) 状态监测：包括进出闸信号灯状态、上下游闭锁状态、闸门上升或下降接触器状态、闸门行程开关状态、启闭机保护装置状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态等。

3.3 充排水控制系统

      坝袋充排水控制系统主要由上位控制系统、充排水泵、软起动器、电气控制装置、水位检测设备、坝袋高度及坝袋内压检测设备等组成，根据坝袋高度、坝袋内压以及水位，通过对水泵电机的启停控制以及输水管路上的电动蝶阀的开关等进行坝袋的充排水自动控制，坝袋的充排水所需时间必须与工程的运用要求相适应。

      坝袋充排水控制系统主要包括汛期和非汛期两种充排水控制方式，汛期时，我们根据葛沟水位的情况，作出一个闭环控制，来调节坝袋的高度；非汛期时，我们根据上游水位的情况，作出一个闭环控制，来调节相应坝袋的高度。

4 系统硬件设计

4.1 可编程控制器的选型

      针对用户要求，要求设备plc模块化、高性能、高可靠性、高速指令处理、用户友好的参数设置、简单的维护及服务和合理的价格等，综合考虑各个plc品牌的性能和性价比，我们选用了simens的可编程控制器s7-200和s7-300系列，s7-200作为子站，s7-300作为主站。其中，葛沟水位站plc采用了cpu222，船闸启闭控制plc采用了cpu226， s7-300采用了cpu315-2dp。

4.2 扩展从站模块

      扩展从站模块(em277profib-us-dp)：可将s7-200 cpu连接到profibus-dp网络。em277经过串行i/o总线连接到s7-200 cpu。pro-fibus网络经过其dp通信端口，连接到em277 profibus-dp模块。这个端口可运行于9600波特和12m波特之间的任何profibus波特率。作为dp从站，em277模块接受从主站来的多种不同的i/o配置，向主站发送和接收不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多dp站不同的是，em277模块不仅仅是传输i/o数据。em277能读写s7-200cpu中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到s7-200 cpu中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在s7-200cpu中的变量存储器内，并可移到其它数据区。em277 profibus-dp模块的dp端口可连接到网络上的一个dp主站上，但仍能作为一个mpi从站与同一网络上如simatic编程器或s7-300/s7-400 cpu等其它主站进行通信。

1 引言

      我院与黄石科威自控有限公司已有多年校企合作历史，双方合作开办了“科威电梯班”引起行业广泛关注。在plc教学内容中引入黄石科威嵌入式plc技术，已成为我院plc教学的特色。电气控制线路中的改造是plc技术应用的一个重要领域，也是电气自动化、机电一体化等plc课程教学的重要内容。本文以绕线转子异步电动机转子串电阻起动控制线路改造为例，介绍了国产科威嵌入式plc在电气控制线路改造中的应用。

2 科威嵌入式plc应用简介

科威嵌入式plc已在国内外广泛应用于钢铁、汽车制造、石化、采矿、电力机械制造、环保及娱乐等各行各业，其应用大概可分为以下几类：

(1) 用于开关逻辑和顺序控制。

(2) 用于机械加工的数字控制。plc和触摸屏组合一体，可实现数值控制组成数控机床。

(3) 运动控制。科威嵌入式plc对直线运动和圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，已广泛地用于各种机械、金属切削机床、机器人、装配机械、电梯等场合。

(4) 用于模拟量检测和闭环过程的控制。科威嵌入式plc对温度、压力等模拟信号进行a/d转换，并实现闭环pid控制，已广泛地应用于窑炉、塑料挤压成型机、热处理炉、加热炉、锅炉等设备以及轻工、化工、冶金、电力、机械、建材等行业。

(5) 通讯网。科威嵌入式plc通讯包括主机与远程i/o之间的通信、多台plc之间的通讯、plc与其他控制设备间的通讯、plc与字符屏，触摸屏，计算机一起可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

3 绕线异步电机启动原理

3.1 控制线路

      三相绕线型异步电动机的转子回路可以通过滑环外串接可变电阻来减小起动电流，以达到提高转子电路功率因数和起动转矩的目的。调节转子回路电阻的方法很多，分为分段调节和连续调节两种，分段调节有时间原则调节、电流原则调节、速度原则调节以及综合原则调节等，图1所示的就是典型的时间原则调节的绕线转子异步电动机三级启动控制线路。

图1

3.2 工作原理

      启动时，合上电源开关qs，按下启动按钮sb2，接触器km通电，电动机串接全部电阻启动，接着时间继电器kt1线圈通电，经一定延时后kt1常开触点闭合，使km1线圈通电，km1主触点闭合，将电阻r1短接，电动机加速运行，同时km1的辅助常开触点闭合，使kt2线圈通电。kt2经延时后，kt2常开触点闭合，使km2线圈通电吸合，km2的主触点闭合，将电阻r2短接，电动机继续加速，同时km2线圈的辅助常开触点闭合，是kt3线圈通电，kt3经延时后，其常开触点闭合，使km3线圈通电吸合并自锁，电阻r3短接。至此，全部启动电阻被短接，于是电动机进入稳定运行状态，同时km3的辅助常闭触点使kt1断电，依次使km1、kt2、km2、kt3失电。接触器km1、km2、km3的辅助常闭触点串接在km线圈电路中，其目的是保证只有当上述接触器全部都在断电状态，即电动机必须在全部电阻接入的情况下，方能进行启动。

4 基于plc的线路改造

4.1 plc选型

      根据设计要求、控制要求，选定plc的型号为：ec-08m08r，它是由黄石科威公司生产的e系列plc(与三菱fx2n系列兼容)，拥有8路输入、8路(继电器)输出，而本例实际只需要3路输入、6路输出，输出留有约1/3的余量，输入所留余量超出1/3，完全满足要求：拥有8k步的内存容量，而本例用户程序的容量估计在20步左右，完全够用；支持内置canbus、485、232通信功能，有利于今后与其它设备进行联网通信。

4.2 电控设计

基于ec-08m 08r嵌入式plc的绕线电机i/o接口地址分配如附表所示。plc电控原理如图2所示。

4.3 plc梯形图程序设计

plc梯形图程序设计如图3所示。

5 结束语

      利用国产科威嵌入式plc对继电器-接触器控制系统的改造，大大地提高了该系统的可靠性、通用性，日常维护也极为方便，成本相对低廉，提高了企业的生产效率，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 引言 

      增量式剪切控制，对本系统来说主要是按要求对特定的铜片进行定长或增量式剪切。剪切后的铜片压制成铜排做成软连接器产品，用于电控柜等电器设备的电流引入，满足客户对产品规格的不同要求。根据设置的增量不同，软连接器可以弯曲不同的角度，相比于相同长度的铜片做成的连接器，节省空间、美观，散热效果好。对小企业或加工中心来说，面对的是大量零散的、需求量小的、品种规格多的用户，它所需要的是价格相对便宜，又能保证剪切质量和剪切精度，操作简单、方便、灵活的剪切生产线，为此我们开发了铜片剪切自动控制系统。该系统现已投入实际生产运行，运行稳定可靠。

2 系统设计

2.1 工艺解构

      剪切系统的工艺示意如图1所示，此图主要是该剪切生产线的机械部分。主要有开卷机、活套光电开关检测、夹送辊、剪切机、拉料机等五部分组成。开卷机主要由变频器电机控制，可以完成对原材料的开卷和收卷动作；位于缓冲坑中的光电开关的作用：根据铜片的下垂程度，决定开卷机的运行速度，保证正常送料；夹送机构由交流伺服电机驱动旋转，完成板料的定长和增量式传送；剪切机有高压气体控制，左右冲交替进行，由左右两边的接近开关控制。

图1 增量式剪切系统工艺示意图

2.2 电控系统设计

      系统参数设定和显示通过触摸屏完成。整个系统的控制部分主要有plc、伺服驱动器来完成，系统控制如图2所示。

图2 系统控制示意图

      根据系统运行和控制要求，选用富士的micrex-sx spb系列plc，其使用简单，功能强大，优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能；并提供了方便、简洁、开放的通信功能；可直接连接pod；使micrex-sx spb系列plc可以很好的满足控制要求。人机界面选用富士ug221系列触摸屏，黑白，5.7寸。进行参数的设定、显示。伺服系统采用武汉迈信的伺服驱动器和华大电机。变频器选用富士的frenic multi系列变频器。

3 增量式剪切控制

3.1控制原理

      板材定尺和增量式剪切部分是整套设备的关键，剪切是在材料停顿时刻进行的，也就是说，切刀刀口分离时，控制系统启动，送料长度由plc、伺服驱动器联合进行控制。触发开始后，系统直接以预设的加减速率、高速度、目标长度以及所设增量为基本参数，计算出运转速度曲线，直接驱动伺服电机送料，若设定单位脉冲的移动量和编码器每转一圈的脉冲数，当夹送辊的直径一定时，夹送辊每转一定的角度或圈数，板料的移动长度也就确定了。当plc“指示”伺服驱动器所发出的脉冲数达到所设定的脉冲数(即长度)时，plc发出信号，交流伺服电机停止转动，同时，剪切系统的电磁铁通电，气缸执行剪切动作。剪切机构的每一次剪切使接近开关获得一个脉冲，此脉冲作为计算剪切数量。依次循环，自动地将卷材切割成一定数量的定尺或增量式长度的板材。

3.2参数设置

(1) 主轴转速(自动运转时，下同)的确定:确定主轴的转速要兼顾两个方面：一是生产能力；二是转动惯性。转速不是越快越好，太快，转动惯性大，达不到jingque停止的要求，剪切长度精度不高；慢了，达不到生产率的要求；在此系统中有一个合理的速度范围供用户选择。

(2)脉冲当量的确定:在本例中，之所以能进行高精度定尺和增量剪切，实际上就是jingque的控制夹送辊每个脉冲转动的角度(脉冲当量)。当夹送辊直径一定时，它转过一定的角度，就对应转过一定的弧长，即为板料移动的长度。从理论上说，脉冲当量越小，剪切长度精度越高，但对控制系统的要求也越高，不经济。一般情况下，脉冲当量比加工精度高一个数量级即可；本系统剪切长度一般在2cm～200cm之间，要求精度为cm。伺服电机主轴转四圈(50mm/圈)，夹送辊转一圈(200mm/圈)，所设脉冲当量为mm/脉冲，等够满足精度要求。

4 系统软件设计

系统软件的设计包括触摸屏的软件设计和plc的运行控制软件设计两部分。

4.1 人机界面的软件设计

      本系统人机界面所有画面均用ug00s-cwv3软件进行设计，有四幅画面组成：开机画面、手动画面、自动画面和信息显示画面。经ug00s-cwv3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面，如果与plc的通信能正常进行，并且plc侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过rs422通信电缆直接与与plc编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施plc内部存储器的读写操作。plc完成处理后，回送答复给外部设备。plc侧不用特意编写通信程序。这里只给出手动，数据输入和自动画面。

(1) 手动画面：手动画面主要完成板料安装时或剪切完后对主要机械部分的控制调整。

开卷和收卷按钮，按下后做做开卷和收卷动作，松开后停转；进料和退料按钮，按下后伺服进料和退料，松开伺服停转；左冲按钮：按一下冲头左冲，如果冲头不动，说明冲头在左边；右冲按钮：按一下冲头右冲，如果冲头不动，说明冲头在右边；拉料开按钮：按一下切片送料运行；拉料关按钮：按一下切片送料停止；返回按钮：返回开机画面，如图3所示。

图3 手动画面