驻马店西门子PLC总代理商

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1 引言
　　当前，随着计算机技术的飞速发展，水泥工业自动化系统也日新夜异。先进的数字控制技术逐渐取代了传统的模拟控制，自动化设备在设备总投资中的比重已成为工业现代化水平的重要标志。2002年冀东水泥厂在沈阳新建粉磨站工程中，采用了德国西门子公司的PLC控制系统。虽然PLC控制系统已在水泥工业中应用广泛，笔者在文中介绍了一种优良的适合水泥粉磨系统硬件配置的自动化系统，同时把现场出现的问题及解决方案进行了分析。
2 要求
　　该工程项目由南京水泥设计研究院设计，整个生产系统分成以下几个子系统：
　　（1） 储存及输送，矿渣储存，水泥磨配料站
　　（2） 矿渣烘干
　　（3） 熟料储存及输送
　　（4） 水泥粉磨及输送
　　（5） 水泥储存及输送（库顶）
　　（6） 水泥储存及输送（库底），包装及成品库，汽车散装站
　　其中水泥粉磨及输送系统为两条四米磨，分两期建成投产。根据设计要求，生产现场不设岗位工，只设几个巡检工。这就要求自动化水平相当高。中控室不仅可以启停设备，而且可以监视设备运行状态及工艺参数，对生产现场发生的异常情况，中控室操作员能够及时发现并处理，以提高设备运转率，这样才能控制产品的产量和质量。自动化系统构成如下：


　　操作员通过人机界面将控制命令发出，该命令信号通过网络系统快速传送到PLC的CPU.CPU将该命令信号与现场设备状态信号相结合，经过逻辑运算将命令发出，使现场设备产生动作。同时，CPU也可将其检测到的设备状态，通过网络快速传送到人机界面。这样操作员可以监视到所有设备的运行状态及所有工艺参数，对现场发生的异常现象做出快速反应，做到及时处理，以提高设备运转率，降低生产成本。
3 硬件配置
　　3.1 PLC选型
　　根据南京设计院的设计，整个生产系统由中空室控制的设备数量如下：


　　二期工程有水泥磨、水泥库及包装，加上二期工程所有设备所需的I/O点，然后再将每一类型的点加10%—20%的备用点。因此，该工程I/O点统计如下：


　　因此，CPU必须选用S7—400，我们选用的是CPU414—2DP，由于S7—400的I/O摸板价格比较昂贵，采用了ET200M工作站，通过PROFIBUS—DP网与S7—400的CPU进行数据交换。根据以上统计的点数，选用I/O板类型及数量如下：


　　以上这些模块共组成22个ET200M工作站，除第22个工作站外，每个站配8块I/O磨板，每两个ET200站公用一个工作电源PS307，并且每个站配一个PROFIBUS网卡—IM153-2DP。
　　3.2系统配置


4 程序设计
　　4.1 各设备信号在各网络中的编址
　　在以太网上，CPU编址为2，工程师站编址为1，两个操作站编址分别为0（一期工程）和3（二期工程）。
　　在PROFIBUS—DP网上，CPU编址为2，ET200M编址依次为3、4、……、24。对于开关量来讲，要占用CPU的I╱O映像区来读写数据，为了生产维修、维护方便，设备点号与CPU内存编址一一对应，即编址要反应出站号，板号及点号，如：DI181.0对应输入点I181.0即18号站第1块DI板的第0个点;又如：DO187.2对应输出点Q187.2，即18号站第7块DO板的第2个点。而对于模拟量来讲，通过A╱D或D╱A转换占用16位的字，但不占用I╱O映像区，编址从500开始连续编址，不反映站号、板号和点号，维护和维修时必须查看硬件组态和点号表方可确定某个模拟量的操作地址。
　　4.2 软件说明
　　该项目的人机界面由WINCC编写，操作界面由多幅控制流程图组成，可自行切换、搬移，操作十分简便。任意画面的即开窗口功能使得各项操作控制任务的完成十分便捷，并且有很好的实时性，使各项操作简化到鼠标的移动和点击即可完成。另外，系统内的在线帮助系统对操作员的各项控制操作起到指导作用，系统内的多种报表的组态、自动记录和随机打印能满足车间内正常的报表统计、交接班记录等一系列车间生产管理任务。为了满足生产的需要，我们在该系统中还开发了系统各控制量的动态曲线分析模块、报警记录自动弹出窗口及随时查询模块，对车间生产控制过程的分析起到了积极的指导作用。
5 调试中遇到的问题及处理方法
　　5.1 PLC接地问题及处理
　　PLC要求单独接地，要与动力地分开。PLC单独接地不仅仅是为了避雷，而且是为了提高系统的抗干扰能力。由于本项目调试时PLC接地与动力地没有分开，在下载程序时系统提示PLC容量不够，检查PLC的CPU占用率，结果为20%左右，因此CPU并不忙。并且每隔一段时间CPU内存程序丢失。将PLC单独接地以后，以上两种异常现象消失。
　　5.2 模拟量处理
　　该工程项目中的所有模拟量普遍采用4—20mA的电流信号，并且传输电缆的屏蔽层在PLC侧接地，具有较强的抗干扰能力，但在实际中，用FC105处理这些模拟量时，有时仍由于干扰而使FC105报错，有以下处理方法
　　5.2.1 将四线制的电流信号与二进制的电流信号分开，即不要把这两种信号同放在一个AI板上。
　　5.2.2 对于四线制4—20mA的电流信号，将其所在AI板的9号和10号端子短封，再与电流信号的负断短封。
　　5.2.3 对于二进制4—20mA的电流信号，将其所在AI板的11号端子与20号端子短封。
　　5.2.4 加隔离器，将信号隔离。

一、工艺描述
安徽省六安市第二自来水厂座落在该项市南郊的淠河旁边，因自来水厂已经停用，所以该厂目前成为六安市唯一的供水厂。该厂原设计供水能力10万吨/天，通过扩建改造达到14万吨/天。
同大部分水厂一样，其工艺流程图如下图所示：
　　


●源水泵房：用来将源水送到预处理的沉淀池中
●加药：将配好的矾液添加到源水中进行混合
●平流沉淀池：添加矾液经混合后，用于将水中絮凝物沉淀出来的池子
●滤池：池内的主要物质为石英砂，对从沉淀池来的水进行过滤，加氯之后，流入清水池
●加氯：将水中通入氯，主要作用是杀菌、消毒
●送水泵房：将清水池的水通过恒压供水装置送入自来水管网
二、控制任务
为提高供水系统的安全性、可靠性，采用了以下的改造方案
●加药系统，使其具有自动加药的功能
●通过对滤池反冲洗的改造，使其具有自动反冲洗的功能，省去繁索的人工操作
●增设了自动加氯机，使其根据出水余氯值，自动控制加氯量
●改造低压配电系统，使之对电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数具有远程监测、记录、报警的功能
●建立水厂中控室，实现三级自动化监控，通过中控室的通讯工作站一方面将数据送到模拟屏上，另一方面通过无线数传电台将数据送到市自来水公司
三、控制方式介绍
　　整个六安二水厂的控制网络如下图
　　


2台上位机监控主站通过5613卡与下面3台PLC分站通讯，通讯方式采用PROFIBUS-FMS总线方式，每个PLC分站选用S7-300，CPU为315-2DP，FMS通讯模块选用的是CP343-5，并且每个分站通过MPI口连接一个TP27-10”的触摸屏。
滤池分站PLC1通过集成的PROFIBUS-DP下面连了16个S7-200滤池子站和1个S7-200反冲洗子站。每个滤池子站通过编程口挂一个TP070触摸屏，每个滤池子站控制每格滤池的运行。反冲洗子站的S7-200通过自由口协议与反冲洗泵变频器MM430进行通讯。
出水泵房分站PLC2通过接口模块IM360和IM361扩展了两个机架，在CPU的MPI口又连了一台工控机，作为泵房的监控站，工控机的通讯卡为CP5611卡。通过集成的PROFIBUS-DP口连了一个ET200M分布式I/O和一个S7-200，ET200M安装在取水泵站，用以对取水泵及进水阀的控制，S7-200为CPU226，通过自由口与出水泵的变频器通讯。CP340模块利用RS485口与配电中心的电量监测仪表HC6000相连，通过Modbus协议进行通讯。将采集的电量参数送给监控计算机。
加药分站PLC3配置了一块CP340、一块CP341及一些I/O模块。CP340与10台电机保护仪通过RS-485口进行通讯，CP341与二台加氯机进行通讯，加氯机的通讯波特率为19200bit/s，而CP340的大速度为9600 bit/s，所以选择了CP341与加氯机通讯。
两台监控主站通过网络交换机与通讯工作站组成以太网，通讯工作站的计算机采集监控计算机的数据。一方面通过串口1与模拟屏（6×2.8米）通讯，将水厂参数实时在模拟屏上显示；另一方面通过串口2与数传电台相连，将数据经电台传送至自来水公司的通讯主机上。
整个水厂的控制方式分三级，现地、分站控制、远程控制。当现地的转换手柄置于现地操作方式时，此时的优先级高，禁止上位对其操作；当转换手柄转换至远程时，此时由中控室的监控主机进行控制，主机可以选择是否让触摸屏操作，也可随时取消触摸屏的操作。
　　


四、控制难点
自动加药一般是水厂控制的一个难点，因为加药控制主要是控制加药量，也就是控制计量泵的转速，本方案采用出水浊度仪的输出信号（4～20mA）作为计泵泵的反馈，但因从加药到出水，中间需要较长的时间，所以在控制方面有较大的滞后，为解决这个问题，通过对过去的加药经验和现实已知的对象状况（原水浊度、温度、流量、PH值等）的分析，推断出目前实际需要的加药量，根据出水浊度对投药量作微调，结合实际水流量将数据送至执行机构，该方案充分利用工控机的运算能力。
中控室两个监控主站的应用软件采用的是WICC组态软件，利用Profibus-FMS与下面3个PLC分站通讯，当运行一台监控主机时，只能读到PLC1和PLC3子站，PLC2的数据读不到，检查线路也没有问题，如果两台上位机同时运行，有一台主机能读到PLC1和PLC3站，另一台主机却只能读到PLC3站。经咨询西门子技术支持和查阅有关资料，判断可能原因是CPU的通讯资源有限，选用的CPU为6ES7 315-2AF03-OABO，我也做过一个试验，如果将PLC2的触摸屏去掉，监控主机就可采集到该站的数据，所以证实上述的分析。
解决的办法：更换新的CPU（6ES7 315-2AG10-OABO）后，并在编程软件STEP7 5.1的硬件配置中更换CPU的配置，随后将CPU的属性打开，在Communication选项中将OP Communication中的默认值1改为4，S7 Standard默认值12改为8即可。后将硬件配置下载到CPU后，下面每个站的数据都能读取，因为新的CPU支持大16个连接点。

　本文介绍的机器是全自动高速穿梭式丝网印刷机,是针对汽车玻璃而打造的一款集连续自动上片、储片、jingque定位、穿梭传输、自动印刷、出料检测、快速烘干、储片、二次jingque定位、二次套印、高效烘干、自动下片为一体的高精度、高效率的新型玻璃印刷机。适合于大批量、高效、多色套印的家私、家电、产业等规则玻璃。特别适合轿车前后档、三角窗、侧窗和平板玻璃的大批量生产。

　　·整机采用触摸屏人机界面，操作机器设备;

　　·多色印刷系统，采用独立多次jingque定位。传输采用jingque伺服系统控制，穿梭传动实现快捷传输。

　　·选择配置自动上片系统，自动储片系统，自动下片系统，UV或IR干燥系统。

　　工艺介绍

　　1. 手动预定位

　　定位气缸上升，人工完成放片，左右定位启动，完成预定位，上升气缸左右定位气缸复位，启动输送至于储片机。

　　2. 储片机

　　玻璃进入储片机，不需储片时，此机作为输送段，储片启动时有两个感应器（大玻璃与小玻璃）大玻璃时，小玻璃感应器不工作，反之大玻璃感应器不工作。储片架每次上升距离为40mm，玻璃输送时储片架不能上升，下降。输送台有玻璃片储片架不能下降，储片架下降完成启动输送至精定位。

　　3. jingque预定位

　　玻璃片进入精定位，感应器感应到玻璃，输送停止。定位托架上升（气缸驱动）此二项动作同时进行，托架上升机头下降完成，伺服电机启动。开始精定位，精定位完成，穿梭输送上升（气缸驱动）上升完成，启动真空泵，完成吸附玻璃，伺服电机复位，定位托架下降，精定位机头上升，穿梭输送启动送至印刷机。

　　4. 印刷主机

　　玻璃进入印刷机，穿梭输送停止，真空吸附关闭，穿梭架下降重新复位到预定位，与此同时台板吸风启动，印刷机头下降，刮刀气缸下降，印刷启动，离网启动，离网距离可自行设定，印刷完成，防滴墨气缸启动，离网复位，机头上升，刮刀上升，回油刀气缸下降启动回油，印刷完成的同时，吸风停止，穿梭架上升，真空泵启动，穿梭架输送开始送至出料擦墨。

　　5. 擦洗网版

　　擦洗网版时，松开锁紧气缸，抽出网版，推入网版时感应开关感应到网版，启动锁紧气缸完成网框定位。

　　6. 出料擦墨

　　玻璃进入出料擦墨机，不需擦墨时此机作为传送带，擦墨启动时，机头锁紧气缸松开，机头输送启动，卷纸启动，输送卷纸完成，吸风启动，（气缸）机头下降，刮刀气缸下降，下降完毕，启动印刷完成擦墨，吸风停止，机头上升，机头输送启动。输送完成，机头锁紧气缸启动，完成机头复位。

　　7. 灯箱检测机

　　玻璃进入灯箱检测机，不需要检测时此机作为输送段，需检测时，斜转架上的气缸升起，斜转架启动，当转动至30°时，检测灯箱开启，转动灯箱，检测玻璃时不影响玻璃输送，检测完成，灯箱启动复位，斜转架下降，斜转架下降时输送台上不能有玻璃片。

二、控制系统构成

　　整个机器多达7处需要jingque的定位控制，有两个轴（印刷轴和离网轴）需要作凸轮盘同步控制，而且根据印刷的玻璃大小，凸轮盘要求很方便的通过人机界面改变凸轮形状。SIMATIC CPU315T-2 DP集成逻辑控制和运动控制功能，它做运动控制多可以控制8个轴、16个凸轮盘，有两个通讯口，其中一个是Profibus DP（DRIVE）口，速度可达12M bits/sec，通讯是采用ISOCHRONE MODE（等时同步）模式。 ISOCHRONE MODE是PROFIBUS DP 通讯的新技术，它可以使PROFIBUS DP 的总线周期保持恒定，从而可以大大提高通讯的稳定性, 提高传动控制系统的稳定性和精度。IM174和ET200均连在此口下，以满足运动控制工艺的要求。另外一个通讯口是标准的MPI/DP口，速度可达12M bits/sec。用于连接到上位机PC、HMI和其他标准的DP 从站。用户可以通过该通讯口，连接标准的ET200进行 S7-300 PLC功能的扩展。

　　在以往我们都会选择FM353或者FM354做定位，而做凸轮盘就要使用FM357-2,但是这种方案成本较高且编程很繁杂，使用、调试的工作难度也很大。如果选用SIMATIC T-CPU通过IM174模块控制第三方伺服，只需要一个CPU315T-2 DP 和2块IM174就够了，还有一个通道可以用来作测量摖墨纸输送长度。这个方案及满足力系统所需要的运动控制功能，又大大的降低了成本并且大大的简化了编程和调试工作，缩短了系统开发周期。

　　硬件配置如下：

　　控制系统结构框图如下图所示：

三、控制系统完成的功能

　　本系统的一个技术难点就是机器在印刷不同规格的玻璃时，印数轴的工作行程要求可以是随意调整的，例如：印刷轴的大工作行程时0～1800mm，离网的大工作行程是0～40mm，他的同步关系如下图黑色线所示，但在印刷小玻璃时，为了提高效率，可能需要将印刷工作行程改为300～1500mm，离网同步的关系改成下图红色线所示
　　

　　可见该系统需要一个可以在HMI就可以改变形状的凸轮盘，在SIMATIC T-CPU凸轮盘清除和生成功能正好可以非常容易地解决这个技术难题。

四、项目的实施与运行

　　该系统从设计到调试，一共花了一个多月的时间，实现了客户要求的所有功能，整机印刷速度达到12片/分钟

五、应用体会

　　1.之前我使用过西门子的SIMOTION D425运动控制器，这次选用的西门子SIMATIC T-CPU运动控制器。这两个控制器的运动控制功能都是一样的，因为它们都是采用西门子SIMOTION Kernel 软件内核，但在使用上却有很大的区别。

　　2.SIMOTION采用专门的编程语言MCC、SCL、等，需要很长一段时间去适应和学习。SIMATIC T-CPU 是一个标准的 S7-300 CPU，简单地通过集成在STEP7 环境下的工艺软件包（S7 Technology）来配置和编程，是工程师所熟悉的 S7-300 PLC的编程语言环境，例如：梯形图LAD, STL，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH。工程师初次应用时，不用经过技术培训，上手使用就非常迅捷。

　　3.SIMATIC T-CPU可以很方便的同上位机通讯，跟以往用S7-300 PLC一样，非常轻松就可以把位于 SIMOTION Kernel 内核的各个伺服轴数据显示上来。当逻辑控制需要轴的数据时，可以直接从轴的数据块DB中找到，非常方便。在 SIMATIC T-CPU中轴的配置和SIMOTION是一样的，运动控制的程序编写只是简单的调用相应的功能就可以实现。

　　4.因为SIMATIC T-CPU是一个标准的S7-300 PLC逻辑控制器，所以在拥有了运动控制功能的同时，依然保留了强大的PLC逻辑控制功能，SIMATIC NET通讯功能，而且非常容易实现。而采用SIMOTION D作为控制器时，编写逻辑控制程序时非常复杂难以实现。例如，做一个定时功能，在PLC中仅仅调用一个指令就可以实现了。但是，在SIMOTION中做一个定时功能，需要调用一个复杂的功能块。当想用SIMOTION来编写一些标准块时，更是难以实现。

　　5.当定位要求不是很jingque、动态响应很迅捷的时候，使用SIMATIC T-CPU通过控制变频器，就可以完成定位功能。这样，更是大大降低了OEM厂家的设备开发成本。