6ES7214-2AS23-0XB8诚信经营

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1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，tigao实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
2 系统配置及网络结构
实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站（DPM1）和四个从站（DPS1-DPS4）之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度liuliang等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:



图1 过程控制系统实验装置结构图
2.1 现场部分
现场部分是所需控制的液位、温度liuliang和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块（模拟量输入/输出模块），经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块（数字量输入／输出模块）。
2.2 控制单元
控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元（CPU）、各种信号模块（SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）、电源模块（PS）、接口模块（IM）等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块（DI 16/DO 16、AI 4/AO 2）和一个通讯模块CP343-1（用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯）。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，带2个信号处理模块（DI 16/DO 16和AI 4/AO 2），从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。

2.3 上位机
上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
（1） 网络组态，设置连接和接口;
（2） 组态硬件;
（3） 编写和调试用户程序。
3 网络系统原理
PROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像（DDLM）提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
SIMATIC工业以太网是基于的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便（即插即用）、通信可靠、网络故障恢复时间短（小于0.3秒）等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。

4 网络系统组态
组态之前先要建立一个项目（如Project1），在项目中插入SIMATIC 300站。
4.1 硬件组态
在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源（槽1）、CPU（槽2）、通信模块（槽4）和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
4.2 DP从站组态
以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时完全不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。

图2 ET200M从站与DP主站的组态


图3 ET20M从站的信号模块组态
4.3 端口设置
（1） PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine（ STEP7）”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的MAC地址，地址为CP343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数 （如:08-00-06-00-44-AE）。另外还需给 PLC分配唯一的IP地址（如:192.168.0. 130 ） 及子网掩码（如:255.255.255.0 ）。
（2） 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、高站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
4.4 程序的编写和调试
STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB）。
功能（FC）和数据块（DB）构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。
5 WinCC监控通讯组态
WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
首先添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。
6 结束语
本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。该实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略。

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
　　近年来，随着我国自动化技术的tigao，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。

　　 作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大tigao了胶印机的档次，受到用户好评。

　　2 系统结构

　　本系统结构图如下：

　　其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。

　　 由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。

　　 在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。

　　 触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法tigao效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对tigao整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。

　　3 软件设计
　　
　　3．1 给纸设计

　　印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：

　　

　　在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。
　　
　　3．2离合压设计

　　 离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。

　　在设计中，离压，合压的程序流程如图所示：



　　

　　印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。

　　3．3 人机界面设计

　　在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示：


　　

　　4． 结束语

　　印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏]监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。