西门子6GK7243-1EX01-0XE0代理订购

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1 引言
　　PLC（可编程控制器）是20世纪80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。它不仅具有优越的控制性能，良好的性能价格比，而且具有较高的可靠性和抗干扰能力，在自动控制各个领域应用相当普遍[1]。
　　在制药厂，为了保障药品的质量，对清洁区的洁净度和温度、湿度都有很高的要求。例如汉江药业集团一分厂对洁净区的标准是：洁净级别30万级，温度18～26℃、相对湿度45～65%[2]。因此，空调系统是否高效运行将不仅影响药品的质量，而且也会造成能源的浪费。本文就汉江药业集团的空调系统运行要求，选用PLC作为核心控制器。同时用工控机作为上位机与PLC通信，实现对整个控制系统的组态和监控。
　　该药厂的空调系统由两台抖动电机、一个电动风门、一台送风机、三台引风机、两台除尘风机、一个蒸汽电动阀和两个冷液电动阀组成。要求系统运行时首先打开两个电动阀，然后按一定的顺序运行各个送风机，关闭时先关闭电动阀，然后按一定顺序关闭各个风机，达到除尘、送风、降温或升温的目的，保证清洁区达到指标要求。同时，系统要具有定时自动、手动运行功能，并要求在系统出故障时可以报警并诊断故障类别。
2 系统硬件设计
　　该药厂空调系统长期以来是采用继电器和接触器，采用人工操作的方法进行控制，其控制系统复杂，可靠性低，维护繁琐，能源利用率低，而且经常带故障运行，设备耗损大。采用PLC，不仅能实现对开关量的逻辑控制，同时具有强大的计算功能，还能实现与工业计算机等智能设备之间的通信。因此，将PLC应用于本系统的控制，能很好的满足技术要求，具有操作简单、运行可靠、自动化程度高等优点，再加上故障诊断功能，使系统维护更简单、快捷、准确。
　　该空调系统需要控制九台电机，三个阀，同时需要指示，报警等功能。根据系统的控制要求，统计出其需要16个信号输入点，23个信号输出点。同时又对各种PLC性能指标、适用性、认知程度等进行比较，后本系统选用了西门子公司的S7-300型PLC，它 指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比较高。PLC硬件组态如下：电源PS307 5A，CPU312C（带10点输入和6点输出），64K存储卡，扩展模块有数字输入模块SM321（32点输入），数字输出模块SM322（32点输出）。PLC配置完全满足系统需要，且便于系统扩展和组网。该控制系统的结构如图1所示。

图1 PLC控制系统的结构图
　　该系统以PLC为核心，PLC从控制面板以及现场获得信号，然后对执行器进行控制。上位机可以从PLC获取信息，并且可对PLC进行设置和控制。
　　PLC输入输出端子分配如图2所示。使用转向开关I4.0来选择系统的运行状态为自动或手动。按钮I4.1和I4.2只有在手动后才有效，用于手动控制风机、电动阀的开与关。端子I4.3～I5.6表示现场执行器的反馈信号，其中有两个端子表示现场温度的上限和下限。
　　输出端子Q0.0是系统运行指示信号。Q0.1～Q1.4用来控制电动机的顺序、定时运行。Q1.3、Q1.4和Q3.5控制三个电动阀的开关。Q1.6～Q2.7用来显示各个执行器的运行状态。Q3.0是系统的故障报警。Q3.1～Q3.4表示系统的故障类别，它可以表示16种故障类别，这样的设计可以充分利用PLC的端子，节约成本。

图2 输入、输出端子配线图
3 系统软件设计
　　系统的程序设计是在STEP7 V5.2软件平台下进行的。STEP7 V5.2可支持梯形图、SIMATIC指令和功能图。且具有指令丰富、结构清晰、编程方便的优点。在程序设计中，将整个系统分为：“手自动切换及互锁”、“自动运行定时”、“顺序开关风机及电动阀”、“故障报警与诊断”等模块。
　　系统进入运行状态后，首先根据转向开关确定是进入自动状态还是手动状态。在手动状态下，可以在控制面板上进行手动操作。在自动状态下，系统将自动按流程工作。在系统运行时，首先检测各执行器是否正常（接触器触点是否粘合）以及电动阀的状态。如果发现异常，则报警并给出故障类别（故障位置），然后系统处于等待状态，等待故障排除，重新运行;如果正常就进入运行状态。首先两台抖动电机运行30秒后停机，同时打开电动风门，3秒后启动空调送风机，然后顺序启动三台引风机，后是两台除尘风机。系统进入正常运行过程中，故障诊断程序不断扫描各个反馈信号，当任一风机过载不能正常运行或加热器、冷凝器工作异常超温时，空调机组自动停机，故障部位报警指示。无故障时，等待自动关机或手动关机。在每个PLC循环周期只运行一个状态的指令，这样可以节省CPU的资源，提高系统的实时性。系统控制程序的流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图
4 系统故障诊断
　　故障诊断是该系统中的一个重要环节。及时有效的给出故障报警和故障位置可以帮助技术人员快速准确的查找故障和恢复故障，这一点在药品的生产过程中非常重要，因为药品生产对工作环境要求很高。
　　本程序中的故障诊断分为启动前、启动中和启动后三个级别的故障诊断。在启动前，判断各执行器触点是否处于断开状态，主要是根据输入端子的反馈信号的有无进行判断;在启动过程中，由于各风机均需要间隔启动，可以在程序中给每台电机设定两个定时器，一个用于电机定时，一个用于反馈信号定时，当启动时间到而反馈信号没有时，就可判断出该电机出现故障。启动完毕后，再次判断各接触器状态，此时，由于抖动电机运行30秒后处于关断状态，其它风机处于运行状态，判断方法同启动前故障诊断方法。根据运行情况，系统主要存在9大故障。为此，采用4个输出端子指示故障类别（可扩展指示16种故障）。
5 结束语
　　本文作者创新点是采用西门子S7-300完成药厂空调控制系统，尤其是设计了故障诊断程序，根据PLC自带指示灯可查看故障类型，给用户带来极大方便。该控制系统由汉江药业股份有限公司提出，由陕西省工业自动化重点实验室研制。经过对系统的研究、设计、开发，控制系统已投入运行。从实际的运行效果来看，满足了药品生产洁净区对空调设备的指标要求。采用PLC作为本系统的核心控制器，保证了系统运行的安全可靠，提高了设备的自动化水平，维护和检修方便。得到用户的欢迎。

摘 要： 　　组合应用了三菱FX系列PLC，变频器，显控（Samcon）SA系列触摸屏。采用通信方式对变频器进行控制来实现系统控制功能，用户可以通过触摸屏控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。 1、引言 　　在工业现场控制领域，可编程控制器（PLC）一直起着重要的作用。随着国家在供水行业的投资力度加大，水厂运行自动化水平不断提高，PLC在供水行业应用逐步增多。触摸屏与PLC配套使用，使得PLC的应用更加灵活，同时可以设置参数、显示数据、以动画等形势描绘自动化过程，使得PLC的应用可视化。 　　变频恒压供水成为供水行业的一个主流，是保证供水管网在恒压状态的重要手段。现代变频器完善的网络通信功能，为电机的同步运行，远距离集中控制和在线监控等提供了必要的支持。通过与PLC连接的触摸屏，可以使控制更加形象、直观，操作更加简单、方便。 　　组合应用PLC、触摸屏及变频器，采用通信方式对变频器进行控制来实现变频恒压供水。 2、系统结构 　　变频恒压供水系统原理如图1所示，系统主要由PLC、变频器、触摸屏、压力变送器、动力及控制线路以及泵组组成。用户可以通过触摸屏了解和控制系统的运行，也可以通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。PLC设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。 3、工作原理 　　该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，通过触摸屏或控制柜上的启动和停止按钮控制水泵运行，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运行时，首先由1#水泵变频运行，变频器输出频率从0HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。如压力不够，则频率上升到50HZ，由PLC设定的程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，使得1＃泵变频迅速切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；如用水量减少，PLC控制从先起的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。 　　若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，人工启动，系统自动恢复到初始状态开始运行。变频自动功能是该系统基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。 4、设备参数的设置 　　在进行通信之前必须对PLC、触摸屏和变频器的通讯参数进行正确设置。本系统定义为Modbus协议，波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。变频器除设置通信参数外，还需启用“自由停车”以保护电机。 5、PLC控制系统 　　该系统采用三菱FX-200的PLC，继电器输出，PLC编程采用三菱PLC的专用编程软件，软件提供完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。为了提高整个系统的性价比，该系统采用可编程控制器的开关量输入输出来控制电机的起停、自动投入、定期切换，供水泵的变频及故障的报警等，而且通过PLC内置的PID给定电机的转速、设定压力、频率、电流、电压等模拟信号量。 　　以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切换工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁起停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中采用直接停工频泵的运行方式，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时间缺水的现象，提高了供水品质。 6、触摸屏界面设计和运行操作 　　步：确认接通触摸屏电源，进入触摸屏欢迎界面，如图2 　　第二步：在欢迎界面中用一个手指轻压“进入系统”，进入“系统主画面”，如图3。 　　第三步：要进行参数设定。手指轻压“参数设定”，进入参数设定画面，如图4。 　　点击时间后的数字可以弹出软键盘，在软键盘中设定切泵时间，单位为小时，设定后轻压“Enter”确认。按上面的方法依次设定加泵时间和减泵时间，单位为秒；用同样的方法对P、I值进行设定。 　　第四步：轻压可以返回系统主画面，在主画面中轻压“状态画面”可以进入系统状态画面，如图5。 　　轻压“系统压力设定”后面的方框，在软键盘上设定管网压力，单位为MPa，即1MPa＝10个压。 　　第五步：轻压“启动”，启动PLC设定的程序，开始控制切泵，实现恒压供水。状态监视页面将会显示当前工作状态。 　　在系统出现故障时，手指轻压“停止”后，水泵停止工作，然后进行维护。 7、结束语 　　该系统采用PLC和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人职守的全自动循环切泵、变频运行，保证了各台水泵运行效率的优和设备的稳定运转启动平稳，消除了启动大电流冲击，由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。通过触摸屏上的组态画面就可进行供水压力的设定，监视设备运行状况同时可以查询设备故障信息，大大提高恒压供水系统的自动化水平及对现场设备的监控能力。

　某印刷厂的台湾产JHML-T1000型湿式复合机原有的微机控制系统,采用各种板卡（信号采集输入卡、各种控制输出卡、张力控制板、显示卡等）和总线的分散控制结构。因年代久远和生产环境的影响以及没有对生产过程实施有效的张力控制，引起系统的不稳定。导致产品质量和产量下降。张力控制是整机的核心，也是影响产品质量的主要因素。在复合过程中，张力控制得当，就不会产生纵向或横向的褶皱，材料本身不会发生塑性形变。在印刷过程中，只要张力稳定，印刷的套准精度和废品率就很容易控制。机器速度越高，张力控制就显得越重要。要得到高质量的产品，就必须配备功能完善的张力控制系统。因此，对该复合机张力控制系统进行了全面的技术改造：用PLC为核心的控制系统取代原有的微机控制系统，以期对该设备进行稳定可靠的张力控制，从而满足生产工艺的需要。
1 系统介绍
　　复合机张力控制系统结构如图1所示。整个系统分为放卷、张力从动控制和复合、印刷与卷取主动控制两部分。


　　1.1 放卷张力从动控制
　　放卷张力控制分为两段，即纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷时均采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节传动力矩来满足张力恒定的要求。同时因为这两段的距离比较短，所以张力初始值的设定要小一些。值得注意的是，料卷越重，放卷张力就越大;卷径相同时，料卷越宽，张力越大。
　　1.2 复合—印刷—收卷张力控制
　　复合—印刷—收卷张力是由复合辊、印刷辊和收卷辊之间的速度差造成的。在复合机中，通过调节复合辊电机、印刷辊电机和收卷辊电机的速度输出来达到调节这部分的张力。除了受速度差的影响外，还与实际基材的伸缩率、厚薄变化、干燥温度、高燥区长度、料带的传输速度等因素有关。如果基材的伸缩率越大，在张力作用下越容易变形，所以应针对不同材质的基材适当调整整流输出，改变速度差，从而得到一个合适的张力值。如果基材厚度不均匀，复合辊和印刷辊的压力就会波动，从而造成速度的变化，也影响了张力。如果这部分的张力太小，就会出现褶皱，甚至造成堆积现象。但也不能过大，张力太大会使料带发生变形，甚至出现纵向皱纹。
2 系统方案
　　针对原来工控机系统分立板卡结构的缺陷，采用以PLC为核心的张力控制系统，数字量输入输出采用CPU226自带的输入输出和数字量扩展模块EM221的8路输入和EM223的16路输入/16路输出实现;模拟量输入采用EM235模块，模拟量输出采用EM235模块和EM232模块。系统总体结构框图如图2所示。利用2台磁粉制动器控制放卷过程的张力，4路张力检测器实现各段张力的检测输入，3台直流调速器实现对3台拖动直流电机的控制，后通过PLC完成系统的逻辑控制。


3 系统硬件
　　在张力控制系统的设计中，采用西门子S7-200系列小型PLC作为逻辑控制核心，通过它来控制复合机生产过程中的各个环节。通过对磁粉制动器和直流拖动电机的控制，实现生产过程恒张力控制。根据复合工艺流程顺序，整个张力控制系统也可以按不同工艺过程分为如下4个部分来处理。
　　3.1 放卷控制
　　1、 放卷过程结构
　　放卷过程张力控制分为两段：纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节制动力矩来满足张力恒定。张力传感器检测负载张力，经过张力信号放大器以后，送到控制器中。控制器综合给定和反馈张力，输出控制信号，经功率放大器驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环控制系统。
　　2、 输入输出信号
　　放卷过程输入输出信号流如图3所示。装在张力感应辊两端的张力传感器把感应压力转换为电压信号，经过放大变成0～10V标准信号，输入PLC模拟量输入口。在张力控制过程中，给定值与反馈值比较后，得到一个张力偏差量e（t），经PID算法子程序处理后，获得控制量u（t），经功放后驱动磁粉制动器，以此控制刹车的制动电流大小，进而控制刹车输出制动转矩，从而使放卷张力维持在一定的范围，实现张力的恒定。


　　3.2 贴合控制
　　纸料和铝箔料放卷以后，在牵引力的作用下，分别以料带形式经过导辊。在贴合操作之前，先要进行涂布。涂布就是在料带上涂上类似于胶水的化学物质，这样才能进行贴合。涂布以后的纸料和铝箔料在牵引力作用下进入贴合辊，在贴合辊和贴合轮的压力和涂布胶水双重作用下，纸料和铝箔料被紧紧地粘在一起，完成贴合过程。贴合过程对PLC说是开环的。但直流调速器与直流电动机之间是转速、电流双闭环的逻辑无环流控制，这样就保证了电机速度控制的jingque性和稳定性，所以对直流调速器—直流电动机系统来说，仍然是闭环控制。PLC仅仅提供一个速度给定值。
　　3.3 印刷控制
　　复合以后的料带通过导辊进入印shuadan元，在经过一系列印刷工序处理以后，在牵引辊施加的牵引力作用下，从印shuadan元出来，进入下一道工序。在这个过程中，首先是传感器采集到的张力信号先经过信号变送器的处理，然后进入张力控制器的反馈输入端。在与张力给定值进行比较以后，输出控制信号，控制直流调速器的工作。直流调速器根据张力控制器的输出，来控制直流电动机的转速，完成印刷过程张力的闭环控制。控制器输入有张力反馈输入和给定输入，控制器输出为速度控制输出。输入输出信号流图4所示。


　　3.4 贴合、印刷、卷取过程电机拖动电路
　　该系统的电机拖动，采用了SIEMENS公司的SIMOREGK 6RA24型全数字直流调速装置作为直流拖动电机的驱动、控制装置。调速系统有4个模拟量输入口，5个模拟量输出口，8个开关量输入和4个开关量输出口，其装置软件很容易替换。使用相当方便。
　　由于复合机只有短时的正反转，其余均为正转，其短时正反转（点动）可以由接触器来解决。故选择单相限调速器。数字化调速器的控制功能是靠软件来实现的，所以必须进行参数设置。本系统对控制精度无特殊要求，不使用测速接口。
4 系统软件
　　控制系统主程序流程图如图5所示。


　　主程序首先是初始化。PLC开机扫描，运行开机初始化子程序，通过调用该程序完成系统存储器有关数据的初始化。然后是电源和故障检测输入部分。如果电源关闭，则程序运行直接转向结束，程序执行完毕;如果电源打开，则程序开始检测故障输入。如果没有故障，则继续下面的扫描;如果发现故障，则调用报警子程序，然后程序转向结束，程序执行完毕。然后是自动/手动选择。手动操作仅用于调试设备，而自动操作才用于生产。如果是手动，则调用手动操作子程序。接下来是运行与停车判断。当输入是停车时，则程序执行停车子程序;当输入是运行时，则程序执行运行过程。紧接着就是变速操作。如果系统给定发生变化，则运行变速子程序，使系统不断靠近而终达到新的系统速度。后是张力的PID调节部分。该部分通过控制2台磁粉制动器和2台直流电动机，完成系统的张力控制。
5 结束语
　　本系统利用SIEMENS S7-200小型PLC作为控制核心，实现了对现场信号的输入和系统的实时控制，保证了响应的稳定性和快速性。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。张力控制系统是整机运行的核心，也是影响产品质量的主要因素。运行结果表明，该复合机张力控制系统运行正常，性能良好。