西门子6ES7222-1BD22-0XA0使用方式

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生产工艺
净水厂的生产过程如图1所示，主要分为以下几个工艺过程：

图1: 净水厂生产流程

■取水 通过多台大型离心泵将江河地表水抽入净水厂。
■投药 按一定的工艺要求投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒。
■ 絮凝 地表水投入混凝剂后的反应，并排出反应后沉淀的污泥。
■ 平流沉淀 与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。
■ 过滤 沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。
■ 送水 通过多台大型离心泵将自来水以一定的压力和liuliang送入城市管网。
　
控制方案
由于自来水生产工艺主要具有以下特点：
■ 各生产工艺段相对独立，单体设备多；
■ 采集的数据量大且种类多，但上下游相关联的生产参数少；
■自来水生产具有连续性、性和不间断性；
■各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。
根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段或设备分散控制，通过OMRON Protocol和Controller bbbb组成网络，各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2所示。

图2：全厂控制网络图

监控系统的硬件配置为：上位机选用高可靠性的微型计算机，扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F7 CLK211-E, 配置有8套中型PLC OMRON C200HG，1套OMRON CS1H，8套小型PLC OMRON CQM1，8套CPM2A ，全部中型PLC和上位机通过Controller bbbb线缆通信单元CLK21和操作站上扩展的通信单元3G8F7-CLK21-E组成Omron Controller bbbb网络，小型PLC通过OMRON Protocol与相关功能间的中型PLC相联。OMRON公司的Controller bbbb网络是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收。
通过设置数据链接，节点间可以自动交换预置区域内数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller bbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，tigao了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controller bbbb网络的通信介质，整个网络由网桥分成两段，主要是为了满足其对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。由于各节点距离较大，传输速率设为500kbps，可满足系统实时性要求。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，tigao了可靠性，是一种经济可行的方案。
在取水及送水工艺段上，主要设备都为多台大型离心水泵和10kV高压直流电机，因此每一高压配电柜选用一台Sepam2000 （施耐德生产，专用于配电柜控制的小型PLC） 进行数据采集和控制，通过RS485接口连成网络，由控制室的OMRON C200HG中型 PLC利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开而不影响其他设备的正常生产。对于沉淀池排泥车的控制，由于排泥车在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G～2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRON Protocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以较好地解决因控制设备故障而造成全部滤池停产的问题。

程序结构
本系统全部设备的控制都由PLC来完成，PLC程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制。在各工艺段及单体设备其控制程序亦相对独立，部分相同的工艺采用子程序模式，因此程序结构比较简单，调试和维修方便。

人机界面
该系统人机界面以组态软件iFix3.0为平台开发，由若干个画面组成：总画面（水厂水处理工艺）、各系统工艺图、报警窗口等。为增加画面的可读性和可观赏性，主要画面均采用立体图形式（用3ds、flash等软件绘制），在画面的相关位置显示该设备的所有主要运行参数。设备的控制通过点击该设备进入，shift+鼠标左键可打开该设备的帮助文件，包括设备档案、运行规程等。iFix与OMRON PLC的通讯由OMRON的FinsGateway和Inbbblution 的驱动程序OMF或OMR完成，这是整个系统正常运行的关键。
■ 总画面：表现的是整个水厂的水处理工艺（立体图形式），从取水、投药、投氯、絮凝沉淀、过滤到供水。在相关位置显示水处理的各主要控制参数以及重要设备的主要控制参数，可以点击进入各分站。
■ 各系统工艺图：主要有取水工艺图、投矾工艺图、投氯工艺图、絮凝池、排泥车、滤池、送水工艺图、高低压配电图等。除配电图外，均采用立体图形式，画面直观醒目，而且能够表达比平面图更丰富的信息。
■ 报警窗口：所有报警显示的同时，喇叭会一直响到确认为至。也可以按需要分类显示。
■ 设备控制参数设定：参数设定时会检查输入参数是否正确（错误参数不能输入）、参数有无正确下载至PLC，如果出错会报告操作人员。
■ 生产报表：分生产情况（设备运行参数）、生产统计两种报表。老系统没有生产情况报表，生产统计报表也不能正确生成。针对这种情况，我们全面修改了PLC程序，并且为节省存储空间和查询方便起见，将平时的生产数据都存放在历史数据库里，在需要时可即时生成报表。
■ 历史曲线：可查询全厂所有主要运行参数的历史情况。为便于设备运行情况分析，可以在同一画面下同时显示设备的历史运行情况与当前的运行情况以作对比。
■ 为防止设备控制出错，所有设备分别有中控（中控室上位机控制）、现控（现场车间上位机控制）、自动、就地（设备不受PLC控制）4种控制方式，可以随需要随时转换。
■全厂的所有工作站都可看到全厂的运行情况。

结束语
本项目是由工业计算机和中小型PLC组成的集散型控制系统，在计算机上能实现对全厂生产设备的控制和工艺参数的设置、调整与监测，满足大型自来水厂自动控制的要求。整个方案经济实用，易于编程、操作及维修，在广东南海第二水厂得到良好的应用。

1 引 言
切纸机械是印刷和包装行业常用的设备之一。切纸机完成的基本动作是把待裁切的材料送到指定位置，然后进行裁切。其控制的核心是一个单轴定位控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进定位系统的实现是利用单片机控制，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车制动推进系统的惯性，从而实现jingque定位。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给定位系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或更换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用plc的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用hmi（人机界面human machine interface）进行裁切参数设定和完成手动操控。

2 改造的可行性分析
现在的大多plc都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百khz的脉冲信号。切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高，可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在plc处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，plc对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到jingque定位的目的。另外当今变频器技术取得了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度tisheng，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。

3 主要控制部件的选取
3.1 plc的选取
设备需要的输入输出信号如表1所示。

表1 plc输入输出分配表

针对这些必需的输入点数，选用了fx1s－30mr的plc，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换刀等都通过人机界面实现，不需占用plc输入点，从而为选用低价位的fx1s系列plc成为可能，因为fx1s系列plc输入点多只有16点。另外此系列plc的高速计数器具有处理频率高达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。
3.2 编码器的选取
编码器的选取要符合两个方面，一是plc接收的高脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500p/r（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机高转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验证如下：

本系统脉冲高频率＝25转/秒×500个/转×2（a/b两相）＝25khz

理论进给分辨率＝10mm/500=0.02mm

同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在plc程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的a/b相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此plc可处理的高脉冲频率为30千赫，因此满足了个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度完全满足此要求。
3.3 变频器和hmi的选取
这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是fr-e540-0.75k-ch和f920got-bbd-k-c。f920got是带按键型的hmi，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：（1）可以方便的实现和plc的数据交换；（2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制plc内部的软继电器，从而可以减少plc输入点的使用；（3）具有两个通讯口，一个rs232c（用于和个人电脑通讯）和一个rs422（用于和plc通讯），利用电脑和f920got相连后不仅可以对hmi进行程序的读取和上传，还可以直接对plc的程序进行上传下载、调整和监控。

4 plc和hmi程序的设计
此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和指定具体位置定位功能，并且hmi上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器c235和c236。c236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；c235用于进行jingque定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到c235，不论进给机构前进还是后退c235进行减计数，同时对c235中的数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到jingque定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是c235中的计数值减小到0时，而是让c235和一个数据寄存器d130比较，当c235中的值减小到d130中的设定值时plc控制变频器停止输出。d130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的。
1）显示定位机构当前位置的程序

2）实现定位控制的程序段

3）参数设定时的小数点位问题。实际工作中在设定位置时要jingque到0.1mm。这个问题在一些单片机系统中常会遇到，常见的处理办法是加大一个数量级，就是设定数据时，在人机界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不过我们在处理此问题时通过hmi中对数据的设置和plc的程序编写达到了所见即所得的效果。hmi中主要是对数值的格式要设定好。hmi中的设置画面如图1所示。例如等分裁切10.5mm的纸，就可以在hmi上设定为10.5，而不是像公司的类似其它设备上要设为105，但plc的寄存器d128的内容是105而不是10.5，这样在计算需要的脉冲数时就要用下面一条命令：mul d128 k5 d10（此命令中尽管编程时d11不出现但实际上寄存器d11被占用，不能再应用于其它地方，否则会出现问题。）
而不是用：mul d128 k50 d10。

4）编程中其它应注意的问题
● 双线圈问题。本工程中利用条件跳转和步进指令避免了双线圈问题。
● 误差信号问题。编码器是一种比较精密的光电产品，受振动时不可避免的会出现误差信号，而切纸机在执行裁切动作时会造成很大振动，如果忽视这个现象，定位精度和执行机构当前位置的显示都会不准确。本工程中处理方法参见上面例子程序图1，只有y3、y4接通，即只有进给机构前进和后退时才让c236进行计数，这样就屏蔽了裁切时震动造成的误信号。

5 变频器的参数设置
设定的变频器的主要参数见表2。在调试过程中为了达到定位速度和精度的完美结合，应对三段速设定值，加减速时间和hmi中d130、d200和d202的数值进行相应调整。

表2 变频器主要参数设置一览表

6 结束语
通过改造过程，完全恢复了我们切纸机的功能，试用三个月以来运行非常稳定。由这个应用实例可以看出结合plc的高速计数器功能，合理的进行应用，在一定场合可以取代高成本的定位控制系统，实现控制系统优的性价比，并且由于选用通用开放的plc—变频器集成方案，为企业后期自主设备管理带来长远的效益。