6ES7214-2AS23-0XB8实体经营

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物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件[1]组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
2  系统介绍
包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、
18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处


2  PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机         分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
(1) 中央控制单元
中央控制单元选用 CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
(2) 电源单元
电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。

(3) 输入输出单元
   系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块
16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V
(4)通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常(距离约300米)，在本系统选用了CP 342-5通迅模块。
通过PROFIBUS 进行配置和编程。
2.2 变量分配
控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
 

                                  
3 包装输送控制程序设计思想
3．1 系统控制方式
包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。
3．2控制程序设计
该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。 （2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。
本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、
 

总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图4给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。
3.3控制设计思想
(1) 回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
(2) 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
(3) 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
(4) 上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。
4  WINCC组态软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表[4]、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在bbbbbbs2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图5是监控软件的结构。WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
    
5 监控系统主要实现的功能
(1) 显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
(2) 报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
(3)历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
(4) 画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
(5) 管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
(6)  操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。
6 结束语
本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。

发电站的空间存在极强的电磁场，发电机的电压高达数千，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十干伏或数百千伏。由于现场条件的限制(例如老设备的改造)，有时上百米长的强电电缆和FLc的信号电缆不能有效的分隔开，甚至只能敷设在同一电缆沟内。高电压、大电流接通和断开时产生的强电干扰可能会在PLc输入线上产生很强的感应电压和感应电流，足以使PLC输入端的光电锅台器中的发光二极管发光，使光电耦台器的抗干扰作用失效，导致PLC产生误动作。如某水电站中的PLC在站内无发电机运行时工作正常，发电机起动运行后经常出现误动作，可以观察到在没有输入信号时PLC输入点的发光二极管有时也会闪动。
     干扰信号除了经PLC的输入端侵入PLC外，也可能经PLC的电源侵入PLC。
      与一般的工业环境不同，发电站的继电器控制系统中的继电器和执行机构(如断路器、接触器和电磁阀等)使用的是直流220V电源，在设计PLC的输出电路时，应充分考虑这一特点。

2抗干扰的隔离措施
    PLc内部用光电锅台器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLc的模拟量I／0模块一般也采取了光电锅台的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没有必要在PLc外部再设置干扰隔离器件。
    如果PLc输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰，可以用小型继电器来隔离发电站中用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二极管的工作电流仅数毫安，而小型继电器的线圈吸合电压为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。有的系统需要使用外部信号的多对触点，例如一对触点用来给PLC提供输入信号，一对触点用来给上位计算机提供开关量信号，一对触点用于指示灯，使用继电器转接输入信号既能提供多对触点，又实现了对强电干扰信号的隔离。PLC来自开关柜内的输入信号和距开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。
    为了提高抗干扰能力，PLc的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信线路也可以用光纤或带光电耦合器的通信接口来隔离，在要求防火、防爆的环境更适于采用这种方法。
3对电源的处理
    电源是干扰进PLc的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。
    如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLc的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器(见图1)，隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠地接地。

图1电源的抗干扰措施确
    低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的Ll和12用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的Cl和C2用来滤除共模干扰电压，c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压略高于电源正常工作时的高电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
    高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
    也可以直接选用电源滤波器产品，如北京中石公司的电源滤波器具有良好的共模滤波、差模滤波性能和高频干扰抑制性能，能有效抑制线与线之间和线与地之间的干扰，其产品可用于交流单相，三相电源和直流电源。
    在电力系统中，如果使用220v的直流电源(蓄电池)给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证FLC的正常工作。某些PLC(如三菱公司的FX系列PLC)的电源输入端内有一个直接对220v交流电源整流的二极管整流桥，整流滤波后的直流电压送给PLc内的开关电源。开关电源的输入电压范围很宽，这种PLc也可以使用220v直流电源。使用交流电源时，整流桥的每只二极管只承受一半的负载电流，使用直流电源时，有2只二极管承受全部负载电流。考虑到PLc的电源输入电流很小，在设计时整流二极管一般都留有较大的裕量，这种PLc如使用直流220v电源电压不会有什么问题。经过长期的工业运行，证明上述方案是可行的。
4 PLC输出端的可靠性措施
继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。PLc输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC220v电路中，必须用PLc驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。
    断开直流电路要求较大的继电器触点，接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时，应仔细分析是用PLc来控制接通还是断开外部回路。例如水电站中用得较多的DC220v电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，可以选用触点较小的小型继电器来转接PLc的输出信号。

5安装与布线的注意事项
    开关量信号(如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号)一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般的电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高，有的通信电缆的信号频率很高(如上兆赫)，一般应选用PLc生产厂家提供的专用电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。
    PLc应远离强干扰源。如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLc不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLc应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联Rc消弧电路。
    PLC的I／0线与大功率线应分开走线，如必须要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I／0线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
    如果模拟量输人／输出信号距离PLC较远，应采用4—20mA或0.10mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式。
    传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的1／10，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。不同的信号线好不用同一个插接件转接，如必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开。以减少相互干扰。
6结束语
    我们在水电站微机综合自动化控制系统中广泛使用了PLc，由于采用了上述的可靠性措施。在常年连续运行的情况下，PLC都能长期可靠工作。

一、钳型吊全数字改造方案

　　1、总体规划

　　舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊原为6KV/170V通过固定整流成220V直流,引上滑道,再送往钳型吊控制柜。各机构通过串接电阻分段调速，电机正反向及各段速度通过司机室的主令控制器驱动各段主接触器及中继来实现。该方法接触器多，电阻多，且接触器频繁操作故障率高，能耗大，已经严重影响生产。全数字改造的整体思想是：在钳型吊上直接安装直流调速装置，所有逻辑控制由PLC完成。具体总规划如下：

　　（1）、将整流变压器更换为6KV/380V整流变压器，容量通过计算采用1000KVA，与原相同用两台一用一备。

　　（2）、滑道由原来的两条增加一条为三条，通过控制柜内的总开关将三相380V电源送到控制柜母排。

　　（3）、取消原所有的接触器，调速电阻，制动电阻。通过调节全数字直流调速装置输出电压调速。

　　（4）、司机室的各机构的主令控制器开关信号全部直接送入PLC，再由PLC综合编程通过PLC输出点直接控制直流装置。

　　（5）、主钩设置紧急提升功能。当主钩控制器故障或主电源断电时，由司机室启动紧急提升开关，紧急提升装置将主钩提起，紧急提升装置由辅助滑电道供电。

　　（6）、装在司机室的主令开关，各种功能开关保留原状，将大车事故行走改为主钩紧急提升。其余开关全部进PLC。

　　2、数字直流调速装置的选型

　　由于钳型吊在均热炉上方吊装冷热钢坯，温度高、金属粉尘大、负载重、震动大。因而对电控设备的要求高，我们选用了英国Control Techniques （简称CT）公司的Mentor II全数字直流调速装置，它采用微处理器核心，操作指令及运行参数可由面板或串型口输入，设定及修改，并受三级保密字保护，所有模拟输入及大多数数字量输入用户可自编程。串行口采用RS485，易于多机联网，与上位机及其它设备形成自动化网络，还提供各种选件加强系统功能，如带自动弱磁的磁场控制模块，用于恒功率应用时的弱磁控制，有BASIC语言编程的单片机处理模块及智能多文字用户接口等，结构紧凑，可靠性高。

　　这里选用的是英国Control Techniques公司的全数字式直流电机驱动器M550R，输出电流范围25A～1850A。其分单象和四象限两种配置。单向驱动器仅能实现正向运行，四象限驱动器是完全可逆的。这两种配置的驱动器均能对电机的速度和转矩进行全面控制，四象限驱动器可对正反向运行进行全面控制。它的基本工作原理还是控制电枢的端电压从而控制送入电机的电流，从而达到调速的目的。

　　3、PLC的选型

　　PLC在性能上比继电控制逻辑优异，PLC可靠性高,抗干扰能力强，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，其平均无故障时间达到（3～5） ×104 h 以上;PLC编程直观、简单，采用了一种面向控制过程的梯形图语言;PLC适应性好，它是通过程序实现控制的。

　　在本设计方案中，采用三菱微型可编程控制器—FX2N-128MR。

二、控制方法

　　由于钳型吊的工作部件比较复杂，包括主钩、副钩、大车、小车、夹钳回转及开闭等，对这些电机都要求有4级速度变换和正反向切换。现在以主钩系统为例，说明实现上述要求的控制方法。

　　图1是直流调速装置Mentor II的速度给定选择图，图1中，01.17 为速度给定1; 01.18 为速度给定2; 01.19 为速度给定3;01.20为 速度给定4（4个给定速度在Mentor II菜单上设定）;01.12为正反向选择。

图1：Mentor II的速度给定选择图

　　我们用PLC的输出控制，如图2所示

图2：PLC的输出控制

　　在图2中， Y20为正反向切换，Y21、Y22为速度切换，其速度表如表1：

　　表1 主钩速度表

　　图2中的M26、M27、M28分别对应直流调速装置Mentor II的TB3-26、TB3-27、TB3-28接线端，而TB3-26、TB3-27、TB3-28分别对应数字量输入端 08.16;08.17;08.18，我们只要令08.16=01.12;08.17=01.14;08.18=01.15，就可以实现用PLC的输出来控制电机的正反向和速度切换。

　　另外，当主钩控制器故障或主电源断电时，由司机室启动紧急提升开关，紧急提升装置将主钩提起，紧急提升装置由辅助滑电道供电。

三、变压器的选择

　　表2 舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊所用到的动力设备

　　一台钳型吊电机总容量Pe为565KW，由供电手册查得轧钢厂吊车需要系数为Kx=0.35， =0.5; =1.73，大有功计算负荷P30为197.8kW，由此可得大视在计算负荷S30为395.6kV﹒A，按2.5倍过载考虑我们选用1000kV﹒A的变压器两台，一备一用。变压器为整流变压器6KV/380V。两个高压开关不变，变压器安装在原变压器位置。

结论：

　　经过近一年的设备运行，到目前为止达到了预期的目的。本系统为数字系统;硬件结构简单;性能稳定;抗高温、抗粉尘、抗震动;平滑调节运行稳定;基于该技术所研制的设备正在申请国家专利。

　　本文作者创新点：该系统节约能源;提高作业率。其直接经济效益可观，该技术不仅可以在全国钳型吊上应用，还可以推广至其他大型吊车，其市场前景十分广阔。