西门子6ES7216-2AD23-0XB8保内产品

1. 引言
　　可编程控制器[1]（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，编程简单，调试方便，在机械、化工、橡胶、电力、石油天然气等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。同时利用PLC所具有的串行通信和计算机的远程通信功能，可实现计算机对多台PLC控制装置的远程集中监控。
　　在石油、天然气远程输送管线上，大口径油气管道阀门是重要的基础设备之一，具有截止、开启、配送和调压等多种功能，一旦出现故障轻则影响管线的输送功能，重则导致管线的严重破坏甚至造成人生安全，因此对油气管道及阀门的全程状态监控显得尤为重要。远程油气管道监控系统就是为提高油气远程输送的安全可靠性而提出来的，该系统允许系统操作员通过位于监控中心的计算机终端，进行对一定区域的阀门站进行远程，具有较高的可靠性和运行效率。
2. 监控系统的组成结构
　　远程油气管线监控系统硬件组成示意图如图1所示。该系统是以PLC作为远程控制终端，以工控PC机作为上位机的主从式一点对多点的远程无线监控网络，采用串行异步通讯协议。下位机PLC安装在各阀门站，根据上位机的指令或自身的控制程序控制阀门的开启或关闭，并配置各种传感器等辅助设备，组成数据采集和控制系统。上位机安装于油气调度控制中心，以半双工轮询方式同各阀门站PLC通讯，以此形成SCADA（数据采集与监控）系统。无线数传电台采用透明方式工作，只起数据传输作用，整个网络数据收发采用同一频率，通讯时，站点的识别是通过PLC的不同地址编号来实现的。
　　各阀门站采用PLC作为系统的基本RTU单元，完成各种测量和控制任务，主要由PLC本体、AD转换模块、传感器组与智能驱动装置四部分组成。

　　2.1 阀门电机主回路
　　图2为阀门电机主回路及PLC外部端子回路示意图。三相交流电动机M分别由交流接触器KMO和KMC的通断来驱动阀芯顺、逆时针转动实现阀门的开启或关闭。

　　2.2 PLC外部端子回路
　　系统选用三菱电机公司生产的FX2N-32MR作为RTU单元。智能驱动装置是引进美国Limitorque技术的SMC多回转型阀门电动装置，它可以单台控制，也可集中控制，可现场操作，也可远程控制，除能驱动阀门动作外同时还能将自身的状态以标准信号的方式送出供PLC进行状态检测[2]。考虑阀门站兼有就地和远程两种控制方式，PLC共管理12路输入信号和8路输出信号。其输入输出信号及端子分配如表1所示。
　　表1 PLC输入/输出信号及端子分配表



　　2.3 A/D转换模块
　　A/D转换模块选用与PLC本体配套的FX2N-4AD，其有四路独立的差分输入通道。每个通道可选择为电流型（±20mA）或电压型（±10VDC）信号输入。在每个阀门站管线或阀门的适当位置装上温度、压力和流量传感器，以采集油气管线的工作状态。参数信号经传感器变送后分别与FX2N-4AD各独立通道相连，经AD转换后放到相应的数据寄存器中，供PLC程序定时读取。
　　2.4 数传电台选型与设置
　　计算机与PLC之间采用无线数传电台方式进行通讯，采用交错编码、收后重发技术，提高无线通讯的抗干扰能力，确保阀门站无线远程控制的安全可靠运行。数据传输模块选用美国的MDS2710数字传输电台，它可为两点之间的数据传输提供全透明的半双工通讯连接[3]。它一端与嵌入在PLC内的通讯FX2n-485-BD通过RS485接口方式相连，另一端则通过标准的RS232接口与监控中心服务器的串口连接，组成准双向的数据发送与接收无线通讯网络，网络的大节点数可达32个。
　　电台数据帧格式设置为7位数据位、1位停止位、偶校验的方式，传输速率为9600bit/s。电台发射功率为25W，采用收、发同频方式（235MHz），主站架设全向天线，阀门站架设定向八木式天线后，数据传输距离可达15Km以上，在地势平坦地区，通讯距离可达20Km。与之相适应PLC通讯格式特殊数据寄存器D8120设置为-8058，D8121寄存器用来设置各阀门站ID号。为了安全，除在天线安装了避雷针外，天线到电台之间的馈线也加装了避雷器。
3. 监控系统软件实现
　　系统对阀门的监控能实现就地控制和远程控制两种控制方式。系统控制过程流程为：传感器将测得信号通过屏蔽信号电缆传送到A/D转换模块的输入端，经过A/D转换模块转换后存入指定的数据寄存器供PLC读取。PLC将数据通过无线数传电台送出，后到监控中心供系统处理，完成一次数据采集过程。系统控制信号当为就地控制方式时由操作者通过阀门站控制箱内的按钮直接控制;当为远程控制时则由监控中心发出，PLC接收到信号后通过输出端口控制智能驱动装置使阀门动作。
　　系统软件由两部分组成：一是PLC端实时测控软件;二是监控中心计算机测控数据实时处理软件。
　　3.1 阀门站PLC软件设计
　　PLC端阀门站实时测控软件控制过程流程图如图3所示。它采用梯形图逻辑编制，编程方便且直观。因篇幅原因，下面给出PLC本体从FX2N-4AD给取AD转换结果及部分控制程序梯形图[1，4]，如图4所示。




　　3.2 系统监控中心软件
　　本监控系统软件是利用KingView6.5[5]编写。能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画图形方式显示控制设备的状态，具有数据库ODBC接口、DDE功能、可便利地生成各种曲线和用户报表，也可将数据以Excel格式输出。系统软件主要由实时监控、曲线动态生成、数据报表管理、数据库管理、报警及用户管理六大功能模块组成。
　　用户通过系统可随时清楚了解网内各阀门站的状态参数与阀门状态，对阀门实施远程控制，对所监测的各种参数均设有上、下限值，具有越限报警、紧急处理功能。系统将历史数据以多种方式保存，便于管理者进行阀门站运行数据的分析统计和故障分析[6]。图5为监控系统主画面。

图5 监控系统主画面
4. 结语
　　系统监控中心通过数据传输电台对油气管线中多阀门站参数同时实时采集、对异常情况及时报警，消除了安全隐患，极大改善了我国目前油气管线监管不力的现状，系统有较强的数据处理功能，实现了数据报表的自动生成、数据库的访问、排序、查询等多种功能。系统经半年多实际运行，其性能稳定，运行可靠，人机界面友好，易操作，使用维护方便，具有很好的可扩展性和较高的实用价值。

章编号：

　　1 引言

　　轴承加脂加盖机器是轴承加工行业的主要设备，集机、电、气等技术于一体，主要用于单面盖、双面盖、铁盖或橡胶盖的成型加工。轴承加脂加盖生产流水线机械结构复杂，工位比较多，实际生产中要求工位可灵活选择设定，并能及时检测生产中的故障进行停机排查。传统的轴承加脂加盖机器控制系统通常采用继电器接触器控制，但由于继电器系统线路复杂、故障率高、维修工作量大，导致系统控制精度低、控制灵活性差、操作不直观，故很少能实现单双面可选，加脂加盖在一条生产线上同时进行。为此，本文采用可靠性高、灵活性好的PLC作为系统的主控元件，并采用触摸屏对系统进行参数设置和故障监控，提高系统的自动化程度。

　　2双面轴承加脂加盖机介绍

　　2.1设备组成

图1轴承加脂加盖设备实物图

　　如图1所示，轴承加脂加盖设备实物图。多工位双面轴承加脂加盖设备，主要由机械系统、气动控制系统和电气控制系统组成。

　　机械系统主要有上料装置、工位送料装置、注脂、脂检、加盖、压盖、盖检、旋转翻身装置和均脂装置等组成。上料装置采用圆盘供料和PU带传送上料。工位送料采用夹持式送料方式，避免了轴承的磕碰伤。注脂采用非接触式注脂定位技术，保证了在注入油脂时注脂头不接触保持架。采用工业视觉系统进行油脂透光检查，可检查出保持架不良品。加盖采用串料杆上料方式，可适应铁盖或塑盖。压盖采用气液增压缸压盖，通过可设定上、下限的线性电位器进行盖平面高度检查。翻身采用步进驱动定位技术，保证每次完成180度工件旋转。匀脂采用时间长短可调的旋转均脂方式。

　　气动控制系统采用自适应式气液增压技术，在压头和防尘盖接触后加力实现无冲击静力压盖，压盖力连续可调。

　　电气控制系统采用和利时公司PLC控制器和触摸屏人机界面，可进行各种故障自动识别，自动声光报警，自动停机保护。

　　2.2工位选择工艺原理

　　完整的双面轴承加脂加盖生产流水线依次要进行送料、加脂、脂检、空操作、A面加盖、空操作、A面盖检、A面压盖、翻身、空操作、B面加盖、空操作、B面盖检、B面压盖、删除和均脂等16个工位动作，其工序过程如图2所示。只有前一个动作检测执行成功，后面才能执行，如果前面动作执行不成功，则对应此产品的后面工位均不执行，并且执行不成功的这个不良产品将一直移到删除工位进行删除。例如：产品脂检不合格，则后面工位均不动作，移至删除位删除不良品。

图2 工序流程图

　　各工位开或关选择有两种模式：

　　（1） 触摸屏内手动选择

    各工位开或关可在触摸屏内修改。比如，在触摸屏内设定‘是否需要加脂’这个条件，设定为加脂则执行加脂程序，设定不加脂则加脂程序不执行，依次类推，直至均脂。

　　（2） 自动循环过程自动选择

　　自动循环过程各工位除了要根据触摸屏内设定的工位选择条件执行外，还要依赖脂检、盖检的结果自动选择后续工位是否执行。譬如，如果某产品做A面盖检后发现不合格，则此不良品移至后续的工位时，动作都不执行，在删除工位进行不良品删除。

　　3 监控系统方案设计

　　3．1  PLC介绍

　　3.1.1  PLC工作原理

　　PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：

　　（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。

　　（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。

　　（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。

　　（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。

　　（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。

　　中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而进一步提高了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。

　　3.1.2  PLC特点

　　（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。

　　（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。

　　（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，® LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）和连续功能图（SFC）。给编写程序带来很大方便。

　　3．2  监控系统方案

　　16工位双面轴承加脂加盖机器的电气控制系统是整机系统的一个重要组成部分，其中各工位的开或关选择是保证控制系统整体性能的关键所在。根据各工位的具体控制要求，本文采用可编程控制器和触摸屏相结合的控制方案。其中PLC完成对各工位接近开关、传感器信号的采集和逻辑运算，实现对各电磁阀、步进电机等输出装置的动作控制；触摸屏实现各种参数的设置、显示以及故障报警。

　　3．3  控制系统硬件设计

图3 控制系统结构

　　分析设备工艺要求，系统需要36路数字量输入，25路数字量输出和2路模拟量输入，同时需要一点高速脉冲输出实现步进电机运动控制。系统选用和利时公司的LM 系列可编程控制器LM3106A、LM3210、LM3212、LM3221和LM3310实现控制。 控制系统结构如图3所示。

　　LM3106A本体集成14通道24VDC输入， 10通道晶体管输出，可连接4个扩展模块。具有2点100KHz高速脉冲输出，一个RS-232串行通讯接口，支持Modbus RTU从站协议，可与和利时触摸屏进行串口通讯。

　　LM3210是8通道数字量输入扩展模块，LM3212是16通道数字量输入扩展模块，M端为模块各自的外接DI公共端，可接24VDC传感器电源的正端或负端，以适应源型\漏型的DI。

　　LM3221是16通道晶体管输出扩展模块，输出额定负载电压为24VDC。

　　LM3310是4通道的模拟量输入扩展模块，4个通道可独立配置为0-10V标准电压信号输入或者0-20mA、4-20mA可选标准电流信号输入。

　　触摸屏选用和利时公司5.7″彩色显示屏。

　　4 程序设计

　　4.1  主站程序设计

　　触摸屏主要实现人机交互，对轴承加脂加盖机器进行工位开或关选择，负责系统的在线监视、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作保护三类功能，可分为以下几个方面：

　　（1）参数设定、实时数据的收集处理和显示及命令控制界面，如图4所示。

　　（2）为保证监控系统的安全性，对于某些特殊的控制参数设有多级密码保护功能，以确保控制参数及系统的安全性。

　　（3）实现系统手、自动控制，即达到系统的自动控制，又便于设备的调试与维护。

　　（4）具有报警和故障显示功能，对系统达到预警提示及安全控制的功能。如图4-图7。

4.2  PLC程序设计

4.2.1  PLC应用程序

　　根据多工位双面轴承加脂加盖机工作过程对控制系统提出的要求，整个PLC应用程序分公共程序、手动模式程序、自动模式程序、工位控制程序和报警程序。

　　（1）公共程序主要对系统工作参数进行设定，实现良品和不良品的计数统计。

　　（2）手动模式程序可单独进行各工位的开或关选择设定，并可以单独对各工位进行动作测试，全部为点动。在自动模式运行前，需要先在手动模式下进行设备初始化操作。

　　（3）在自动循环模式下，按启动按钮，每次检测到有送料信号时，产品在流水线上的每个工位进行移位传递，完成要求的工位动作和检测，如此循环。

　　（4）工位控制程序是整个系统的核心，根据触摸屏上工位开或关的设定和自动过程中脂检和盖检的结果，控制各工位16位操作数相应位置1或0，执行循环移位，以实现对各工位动作的控制。

　　（5）报警程序进行包括设备运行不到位超时、产品在流水线积压、缺料等各种故障自动识别，自动声光报警，触摸屏显示，必要时进行自动停机保护。

　　4.2.2  工位选择控制编程思路

　　此生产线一共有16个工位，可以对应定义16个16位的word型掉电保持区操作数%MW300-%MW330，分别对应各工位的控制位：1号%MX300.0,2号%MX302.1,3号%MX304.2，4号%MX305.3……15号%MX329.6,16号%MX331.7。1号送料工位装有光电传感器，通过该传感器对16个操作数进行移位控制，每次1号工位检测到新送过来一个产品，做一次移位，把工件位置确定下来。在需要检测工作的位置也就是3、7和13号位置装有检测传感器，产品检测到不合格时，将各操作数对应此检测位置的控制位置0，那么当移位到各工位控制位时，就不执行工位操作。

　　例如：0000，0000，0000，0001表示个产品刚进来，当这个产品走到工位4，操作数是0000，0000，0000，1111，此时若脂检工位(工位3)有不合格检测信号则将各操作数的第3控制位%MXm.2均置0，操作数是0000，0000，0000，1011，下一个新产品送到移位后操作数是0000，0000，0001，0111，此时%MXm.3位（4号工位控制位）是0，则4号工位不执行工位动作。依次类推，直至此不合格产品终在删除工位进行删除。

　　5 结语

　　将PLC和触摸屏应用于16工位双面轴承加脂加盖机控制系统，可集中处理工艺要求的复杂逻辑，能实现加脂加盖可选、单双面可选、工位可选以及设备运行中故障报警及时停机，控制灵活，极大提高了系统的抗干扰能力和控制精度，从而使轴承成品的质量也随之提高。系统在实际生产中，得到了较好的验证，有较好的市场前景