西门子6ES7221-1BH22-0XA8详细解读

西门子6ES7221-1BH22-0XA8详细解读

在木工机械中，例如木工带锯机，往往通过PLC或单片机来控制送料部分进行自动运行。由于单片机控制系统的抗干扰能力差，容易产生误动作和误数据，使操作人员判断错误，从而误操作。而PLC具备良好的抗干扰性和通用性，从而解决了这一问题。
     
     1、木工带锯机的工作原理
     
     用来锯切原木或成材的木工机床分为木工带锯机﹑木工圆锯机和木工框锯机等。所谓木工带锯机是环状带锯条张紧在两个锯轮上，环状带锯条由电动机通过锯轮带动，作连续切削运动。木料的进给可以采用手动，也可以采用跑车或滚筒进行自动进给。按照用途分类，带锯机可以分为锯切原木的跑车带锯机和剖分板材或方材的再剖带锯机。
     本项目所使用的带锯机为跑车带锯机。所谓跑车，是指夹持原木向带锯条作进给运动的送材车。PLC需要完成的动作是对跑车进行定位控制。跑车的动力设备是装配在底盘上的电动机，经过齿轮传动，带动跑车的主轴进行往复运动。跑车前进为工作行程，跑车后退为返回行程。其工作过程是，首先跑车工作台以一定的速度运行一段距离，当系统再次收到前进指令时，又以同样的速度运行同样的距离，并且此距离可以被修改。当系统收到后退指令时，进行返回行程，直到此指令被取消。电动机的正转和反转控制跑车工作台的前进和后退。通过PLC控制系统实现对电动机方向的控制。

     2、PLC选型与I/O点分配
     
     为了保证系统的控制精度，跑车带锯机控制系统采用闭环控制。根据旋转编码器反馈回来的脉冲信号计算跑车工作台的实际距离。当跑车工作台到达设定距离后，PLC输出制动信号，停止跑车的运行，实现跑车的定位。PLC控制系统需要配置1路高速脉冲信号输入。跑车工作台还需要1个定点位置来进行进尺和余尺的计算，可以利用安装在跑车支架上的接近开关确定跑车经过的定点位置，因此系统还需要配置1个接近开关输入点。后，系统还需要配置启动、停止、进车、退车、点动等按钮。因此，系统的开关量输入点为8个。系统的开关量输出点只有制动接触器和后退继电器等2个点，分别控制跑车的停止和跑车运动的方向。PLC控制系统的I/O点分配如表1所示。
 
 表1 PLC控制系统的I/O点分配

     ，根据输入和输出的要求，我们选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。CPU模块LM3107自带3路独立的高速脉冲输入，其继电器输出的电流容量大为2A，可以直接控制制动接触器，不需要中间继电器。这些配置完全能够满足系统的要求。

     3、PLC控制系统软件设计

     跑车工作台运行的启动、停止开关SB1、SB2分别接到PLC的输入端口%IX0.1和%IX0.2。当启动开关SB1接通时，跑车工作台启动运行。当停止开关SB2闭合时，跑车工作台停止运行。旋转编码器产生的脉冲信号接到内部计数器HD_CTUD_T4的输入端口%IX0.4和%IX0.5。利用PLC计数器HD_CTUD_T4的脉冲计数功能，控制系统可以定位跑车工作台当前的运行距离，将当前距离与设定距离进行比较，从而控制工作台的进给位置。PLC的输出端口%QX0.0接制动接触器，用来控制跑车工作台运行和停止。当%QX0.0=0时，电动机正转，带动工作台前进。当%QX0.0=1时，电动机反转，带动工作台后退。

     根据跑车工作台运行过程的要求，控制系统的流程图如图1所示。PLC根据HD_CTUD_T4的当前脉冲值和触摸屏的设定值进行比较。如果当前值小于设定值，跑车工作台继续运行。如果当前值大于设定值，系统立即输出制动信号，然后等待下一次前进信号的输入。当系统需要锯路补偿时，程序会根据用户选择的补偿量进行锯路补偿。

 
 图1 控制系统的流程图

     4、结论

     以PLC为控制核心的木工带锯机，实现了位置闭环控制。利用PLC的高速计数功能，实现了对跑车工作台运行的定位控制。PLC控制系统的抗干扰能力强，提高了木工带锯机的加工精度。因此，PLC控制系统可以广泛应用于家具﹑门窗和木模等制造行业。

PLC是现代工业的三大支柱之一，是可靠性高、应用非常广泛的工业控制产品。在中大型模块化的PLC产品中，CPU模块（中央处理器）是PLC的中心。一些重大的工业生产线往往要求连续运行不能停顿，而可靠性再高的PLC也不能保证故障为零，因此，双CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。下面以熔盐炉自控系统为实例详述双CPU冗余控制的实现方法。

一、熔盐炉自动系统综述

熔盐炉自控系统是一水硬铝管道化溶出生产线上的重要环节，控制熔盐的加热和循环，用熔盐的热量去循环加热铝矿石浆。铝矿石浆的加热至关重要，影响终产品—氧化铝的质量和产量，因此，熔盐的温度控制和循环控制非常重要。

由于熔盐炉系统在管道化工程中的重要性，同时考虑到熔盐是一种活跃的化学品，在不同的温度下有不同的形态，低温下凝固，高温下不稳定会发生化学反应，从而腐蚀管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作简便和自动化管理是系统设计的关键，因此考虑用一套双CPU冗余的PLC、两套工控机、高质量的传感器、变送器和执行机构来控制两台1200万大卡的熔盐炉、一台盐泵、一组盐阀、一个熔盐槽和其他相关设备，实现熔盐的加热和循环过程自动化、计算机操作、监控和管理的自动化控制。该系统如图1所示。

控制器PLC、工控机(包括显示器)、通讯网络和电源及关键测试点等系统中的重要部件均采用冗余结构，两套工控机和大屏幕显示器组成的两套监控操作管理台并行运行；两条冗余的ControlNet高速通讯网络同时传送数据；两套直流电源同时向控制器PLC、变送器和开关量输入模块供电，关键测试点同时设置两个传感器测试数据。

冗余设计使系统关键部件的可靠性提高了一倍，而使系统的整体可靠性大大的提高。

二、双CPU的PLC控制器
PLC控制器是系统控制的中心，采集系统的全部工况信号，实时控制相关的设备动作；同时监视生产过程参数和设备运行状态，当危险工况出现时，及时发出声光报警，当极限工况出现时，联锁保护设备，保障生产过程安全。为此，我们选择了以产品可靠性高著称的罗克韦尔自动化公司的新一代控制平台：A-B ControlLogix系列，同时考虑采用双CPU模块冗余，进一步提高系统可靠性，避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。

三、两种双CPU冗余方式的比较
ControlLogix提供有两种CPU冗余解决方法，一种为纯硬件冗余，另一种为软件冗余。

硬件冗余的方法，是将两个CPU模块插在不同的两个机架上，每个机架上除了CPU模块，还要有通讯模块CNBR、热备模块SRM和两个热备模块间的连接光缆，如图2所示。

软件冗余，是将两个CPU模块插在同一个框架上，利用背板通讯，进行冗余控制，如图3所示。

从以上可以看出，纯硬件冗余的方式硬件投入较多，成本开支较大大。而软件冗余，只需增加一块CPU模块，成本增加很少，因为一般像CPU这种PLC的心脏，厂家都会配有备件，用备件来实现冗余控制，既提高了系统的可靠性和可维护性（可做到在线维护，不影响生产线运行），又不会显著增加成本开支。

单纯从可靠性方面分析，纯硬件的冗余较之软件冗余并无优势。因为增加了较多的部件、模块，这些部件和模块的故障，也会影响系统的可靠性。例如，当两个热备模块之间的连接光缆出现故障，同样会使冗余控制失效。而软件冗余，只增加了一块CPU模块，而两个CPU模块的同时故障率几乎为零。

纯硬件冗余的优点之一，就是不需要软件进行专门的编程，CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。而软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程解决的。因此，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大。

综合考虑以上因素，本熔盐炉自动系统采用软件方式实现PLC的双CPU冗余控制。两块CPU模块同时在系统中运行，一块运行于主控模式，另一块运行于热备份模式。当其中任一块CPU发生故障时另一块CPU立即监视到并发出报警，自动将正常的CPU投入主控模式。CPU的无扰动切换，使系统一直受控，确保了安全，同时，使管道化生产线一直处于正常运行的良好工况中。

四、软件实现
CPU冗余控制的软件实现编程主要从下面两方面考虑：

1、控制权的裁决和转移
两块CPU同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权，而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接，但输出被禁止。

两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现对方故障，立即发出报警，通过ControlNet网，传送给上位工控机，在操作管理台上显示报警。如果是主控CPU模块故障，热备CPU模块自动获得主控制权。控制权的裁决和转移的软件框图如图4所示。

2、两块CPU模块的同步控制
由于热备CPU随时准备着，一旦主CPU故障，就立即获取主控制权而成为主控CPU，因此，主CPU必须将自己的信息随时传递给热备CPU，而热备CPU必须跟踪主CPU的变化，与主CPU保持同步，这样，在两块CPU模块进行控制权的转移时，实现无扰动切换。CPU模块的同步控制程序框图如图5所示。

五、结束语
用A-B ControlLogix双CPU的PLC控制器实现的熔盐炉自动系统，已于2001年底开始成功运行于中国铝业河南分公司，运行情况良好，满足了一水硬铝管道化溶出氧化铝生产线的工艺要求。

我们的体会是，ControlLogix双CPU冗余控制的软件方式实现是一种经济、有效的方法，它成本支出不大，却能使系统的可靠性大大提高。

另外，双CPU冗余控制时，如何利用Map命令，只将具有主控制权的CPU数据通过ControlNet网传送给其他控制设备，是值得进一步研究的。

一  概述
    在超级市场、公共建筑、银行、医院等入口，经常使用自动门控制系统。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。PLC控制自动门由于具有故障率低、可*性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用. 

二  自动门控制的基本要求
    1  有人接近时，门应自动打开。
    2  门打开后，应保持开状态，直到门的通道上已无任何人为止。
    3  如门的通道上已无任何人，门必须在很短时间内自动关闭。 

三  自动门控制的增强功能
    为了改进控制功能和增强用户的友好性，可对自动门控制增加以下功能。
    1  连接附加控制开关：开门—自动—关门。
    2  连接峰鸣器以提示什么时候门将要关闭。
    3  可根据时间或方向将门打开。例如只在商店营业时间开门，在商店不营业时，只有从内往外走时，门才能打开。 

四  PLC选型及程序设计
    我们选用德国西门子公司生产的LOGO！230RC通用逻辑控制模块。该控制模块功能齐全，使用方便灵活，性能可*，可谓物美价廉。
    根据前面提到的自动门工作过程，可以很方便地完成LOGO！接线及编程。 

1  LOGO！接线图 

K1               开门主接触器  
       K2               关门主接触器
       S1 （常闭触点）  关门限位开关
       S2 （常闭触点）  开门限位开关
       S3               控制开关（开门—自动—关门）
       B1 （常开触点）  门外的红外线动作检测器
       B2 （常开触点）  门内的红外线动作检测器
    2  LOGO！的功能块图
    3  动作检测器
       在营业时间，如果有人从外向内（或从内向外）通过大门，则动作检测器B1（或B2）闭合，电机将门打开。在商店关门时间，动作检测器B2能通过电机继续开门1小时，以便使顾客有时间离开商店；而动作检测器B1不再控制电机开门，这样外面的人就不能再进入商店了。
    4  开门控制
       开门控制视控制开关S3的接通位置分为两种情况。当S3拨向开门位置时（15闭合），Q1输出控制电机，使门打开并一直处于开状态。当S3拨向自动位置时（15、16均断开），若动作检测器（B1或B2）检测到已有人接近门且门尚未完全打开（限位开关S2没有断开），则Q1输出控制电机开门。
    5  关门控制
       关门控制视控制开关S3的接通位置分为两种情况。当S3拨向关门位置时（16闭合），Q2输出控制电机，使门关闭并一直处于关状态。当S3拨向自动位置时（15、16均断开），若动作检测器（B1或B2）检测到已无人接近门且门尚未完全关闭（限位开关S1没有断开），则Q2输出控制电机关门。
    6  蜂鸣器控制
当门将要关闭时，Q3输出，蜂鸣器响一秒钟以提示行人。 

五  结束语
    采用LOGO！控制自动门，可以充分发挥PLC高可*性和抗干扰性特点，外部接线简单、灵活，维修方便，是一种行之有效的好方法。

一般情况下,通过ClO2与水的反应达到净水的目的，但如果ClO2过多则会形成二次污染，中达电通的净水方案采用台达PLC进行系统自动控制，代替以前用单片机系统，增加了可靠性，功能性，达到了很好的效果。

关键词：净水设备、可编程控制器(PLC)、人机界面

引言：

工业对发展中国家的经济的发展起到了不可磨灭的作用，特别是中国的，工业的发展带动了相关产业的高速发展，成为国民经济重要的支柱之一。但是经过工业迅猛发展的国家都明白，工业的发展也意味着自然环境的破坏，特别是对水源的严重污染，所以对水源的保护，污水的治理，水的净化就显得十分的重要。随着人们生活质量的不断提高，特别是医院、化工实验室等单位，对水的品质也提出了更高的要求，所以根据现状的需要，对更好的净化水的设备也提出了相应的需求。而此促进了净化设备公司的飞快成长，也对控制部分要求更稳定，更可靠！像目前一些净化水设备厂商加大资金与技术的投入，用PLC代替以前的单片机控制系统。

设备控制背景：

系统构成：电源模组+以8051单片机为主，加扩展A/D及I/O芯片搭建的PCB控制板；
系统分析：系统采用单片机实现自动控制系统，由于电路的整体设计不能够很合理，尖峰等保护措施不好，很容量出现电路故障。这也增加了服务，也隐形的增加了产品的成本，影响公司市场的发展，所以用户很想用更可靠的系统来代替原有的系统，以减少服务量，减少综合成本。

原理说明：

化学反应在专门的反应箱里，通过PLC控制两路加热信号并及时的采集PT100温度信号，使反应箱始终保持在设定的温度，再通过PLC发出脉冲对计量泵进行控制加入ClO2药剂量，使适当浓度的ClO2与水的发生化学反应，达到消毒的目的。

控制要求：

1. 温度控制：系统反应需要在指定的温度下进行，所以需要保持反应箱水的温度恒定。
具体方法是设定一温度D414，设定回差D410，超温设定D535。当采集温度D310小于D414时，开始加热，当温度达到D414+D410时停止加热，温度降到D414时再次加热，使温度在设定回差内徘徊，达到恒温的目的。如果温度超过超温设定D535则停止加热并报警。
2. ClO2投加量控制：系统控制需要严格控制加入反应器里的ClO2的浓度，能够使水充分的消毒，又不会太多形成二次污染，所以对氯气的控制精度要求极高。
具体方法是ClO2的投加量根据待消毒水流量和单位投加量计算，尔后，感测器将水中的余氯量反馈到控制器(PLC)，将余氯量与设定值(目标值)进行比较并根据二者的差值确定单位投加量的纠正的速度和幅度，计算出新的单位投加量，从而将投加量控制在合理的范围内，
◆ 水流量×ClO2单位投加量→计量泵的输出频率
◆ 余氯高于设定值(即目标值)后，减小单位投加量，减小量由差值大小控制。
◆ 余氯低于设定值(即目标值)后，增大单位投加量，增大量由差值大小控制。
◆ 检测到的流量信号，经延时后参与运算，延时长短在0~150分钟内可设，经运算后得到控制泵的频率(即控制投加ClO2的量)
◆ 输出控制计量泵的频率计算公式：

3. 报警控制：

◆ 压力水欠压、负压系统超压、缺原料--------报警，停计量泵
◆ 缺水、超温、高温-----报警，停止加热

器件选型：

1.控制器：
采用台达DVP14SS11T2+DVP04PT-S+ DVP06XA-S。主机DVP14SS11T2负责反应箱两路加热信号；并控制计量泵的频率达到控制加入反应箱的ClO2的药量。DVP04PT-S采集反应箱的2路温度信号；
2.显示部分：
采用台达DOPA-A57GSTD及TP04终端显示器。根据终用户的不同选择采用不同的显示幕。
3.米顿罗（MILTON ROY）LMI电磁驱动隔膜计量泵：（型号P766-y/流量0.08~7.6L/H/压力3.5bar）
供给反应器ClO2，计量泵受PLC脉冲的控制，PLC每发一个脉冲，计量泵动作一次，输出一个冲程的ClO2，大100次/分钟；计量泵的冲程可以手动调整，即计量泵每动作一次能够输出的液体的量，可设定0~范围。
4.氯酸纳、盐酸采用电磁阀开关进行供给。

5.反应箱的温度采集采用标准Pt100，用台达DVP04PT-S
直接采集并转换，十分方便。
6.ClO2浓度采集采用德国普罗名特流体控制（中国）有限公司的CDE 2-mA-2ppm型专用ClO2感测器，可以直接输出4~20mA到DVP06XA-S模块进行采集。

市场分析：

随着人民日常生活的提高，对生产产品时的用水就特别关注，如果水源不洁，又怎幺能够生产出让人放心的产品乃至食品呢？没有好的水，对于化学实验又怎幺能够分析准确呢？没有好的清洁水，医院怎幺能够对病人有足够的保证呢？在很多行业里，都是需要有较好的水来保障下一步骤的顺利进行，所以净化设备将会日益俱增。从国内一些净化厂商来看，目前都有加注资金投入情况，而且销售情况整体较好，厂商也忙得不亦乐乎，所以水处理行业是一个自动化厂商配套的很有前景的一个行业。

小结：

净化水设备厂商的崛起，对于台达PLC来说无疑是一个很好的机会。根据目前接触的几家厂商来看，技术人员对自动化电气实现功能理解还不深刻，需要进行交流培养，也更需要有耐心去推广我们的PLC。在此种小型设备上，台达PLC具有先天优势，体积小，功能强，轻松实现其要求的功能。所以净化水设备是一个设备配套较有潜力的行业，应该把台达的PLC技术应用到更多的净化水设备当中，提高净水设备自动化控制水平，提高控制精度。