西门子模块6ES7307-1EA01-0AA0安装调试

近年来，国际市场上石化产品的竞争日趋激烈。与国外同类产品相比，我国的石化产品无论在生产工艺上，还是产品质量上，都存在着相当大的差距。为改变我国石化产品发展严重滞后的局面，国内石化行业的很多厂家已开始向产品的多样化、添加剂材料和配方的高科技化迈进。我们应盛马化工厂家提出的技术要求，针对石化产品生产工艺复杂、添加剂配比要求严格、品种多样、互换性差的特点，开发研制了计算机与PLC集成控制系统。该系统控制可靠、操纵简便、开放性强、性能价格比高，在盛马化工厂推广应用后，受到取得了很好的效果,为企业创造较高的经济效益。

         1 系统组成

         　　计算机与PLC集成控制系统由生产系统和非生产系统二部分组成（如图1）。生产系统主要由微型机、适配器、PLC、执行机构及现场仪表等部分组成。非生产系统主要由工艺流程模拟显示屏、电视监视设备、现场通话设备、质量检查系统、治理信息系统等部分组成。中心控制室负责处理来自生产系统和非生产系统的大量信息。通过计算机与PLC集成控制系统，将润滑油厂的各生产车间、附属部分以及总厂厂部联成了密不可分的整体，从而*大限度地利用了信息资源。

图1计算机集成控制系统的组成

         2 系统功能

         　　为满足用户提出的技术要求和现场的工况，此控制系统的设计具有以下功能：

         　　1.根据用户提出的技术要求，按照添加剂配方的比例**地配制生产各种型号的石化产品，并且通过微型机和现场PLC控制系统实现整个生产过程的自动化。

         　　2.通过自行开发的计算机软件，实现生产现场的动态监控。良好的人机界面、清楚的组态图形，使得操纵职员通过计算机屏幕，对于现场的各种工况变化一目了然。

         　　3.在现场生产中，为进步整个控制系统的**性，在搅拌器、电动机、电动阀、电磁阀等设备上均设计了局部反馈功能，这些相互独立系统的局部反馈功能构成了对总系统反馈控制的有力支持。

         　　4.当系统出现压力报警或油面报警时，一方面通过PLC程序实现自动停车，另一方面借助于语音卡，在控制间的操纵职员可以立即听到报警信号，及时采取相应措施。

         　　5.考虑到生产现场某些部位属于高温、有害气体残留处，技术职员不宜靠近，在现场设置了电视监视设备，让技术职员实现远程监控。为便于治理，还安装了现场通话设备。

         　　6.在中心控制室设置了1个大屏幕模拟显示屏，在屏幕上不仅可以显示总厂所有管道线路，而且能够动态显示油的液位、流向，让高层治理职员从宏观上把握全厂的生产状况。

         　　7.通过微机联网，质量检查部分可以直接得到产业现场的信息，各治理部分之间也可以实现数据通讯与数据共享。

         3 硬件与软件设计

         　　3.1硬件设计

         　　在本系统中，产业现场控制是核心，而产业现场控制主要由PLC系统完成，所以如何公道有效地使用PLC技术就成了设计的关键。PLC的特点是控制可靠，编程简单，但程序内存不大，不能进行复杂的编程;而石化产品的特点是生产工艺复杂，产品型号繁多，往往1条生产线就能够生产几十种型号的产品。这就形成了一对矛盾。假如设计时采用常规的PLC控制系统，那么1条生产线就需要20几台PLC基本模块和A/D转换模块。投资巨大，而且按照现代控制理论，在1个控制系统中配置的控制模块越多，控制越不可靠。为了减少投资和增强控制的可靠性，在PLC控制系统的硬件配置上进行了多项创新。

         　　以润滑油生产线为例，在润滑油生产车间，有搅拌温度、添加剂温度、输油泵压力、油罐的液面等共计32路模拟信号需要检测。假如按常规设计，需要8块FX-4AD模块。为减少投资，设计了多路开关切换电路，只用2块FX-4AD模块就完成了全部功能。图2为FX-4AD模块的多路开关切换示意图。

图2 FX-4AD模块的多路开关切换示意图

         　　图2中，FX-4AD模块为12位4通道模拟量输进模块，Y0、Y1、Y2、Y3为PLC的任意输出触点。FX-4AD模块的多路开关切换电路的设计实质上是通过1个多路开关控制FX-4AD模块分别往完成搅拌温度检测、添加剂温度检测、输油泵压力检测及油罐液面检测4项功能，其中多路开关的4个转换触点接PLC的输出触点，由PLC编程控制。这个多路开关切换电路简单实用，而且节省了大量投资，实践证实，该电路在控制精度上完全满足用户的需要。

         　　3.2 软件设计

         　　在计算机与PLC集成控制系统的软件设计中，也采用了很多新的设计思想。

         　　仍以润滑油生产车间为例，按照用户提出的60种润滑油的生产工艺和技术要求，假如用常规方法编程，需要12台PLC基本模块。为节约投资，我们充分利用PLC的文件寄存器（2000点），用逐项查表的方法编写了1个60种润滑油的通用程序，用1台PLC基本模块带2台PLC扩展模块的方式完成了过往需要12台PLC才能实现的功能。

         　　我们选用了三菱公司生产的FX系列的可编程序控制器，文件寄存器共计2000点（D1000～D2999）。为节约程序内存，充分利用PLC本身提供的指令资源，我们选用了字传送方式，用1个16bit的字来控制PLC触点的16个输出触点，而不必像过往那样，1条指令只能控制1个输出触点。例如在图3中，首先X0导通，十进制数K6送进数据寄存器D0，接着X1导通，数据寄存器D0的数值K6转化为二进制数“0000　0000　0000　0110”送进K4Y0，控制输出Y0～Y17共计16个触点的动作，其开关动作和数据寄存器D0的数值K6逐一对应。如图4所示，“1”控制输出触点导通，“0”控制输出触点关断。在此例中，Y1、Y2触点导通，其余输出触点关断。

图3 字传送方式控制输出触点示意图

图4 数据寄存器DO的值与16个触点的对应关系

         　　通过字传送方式，我们用1条指令就可控制16个电动阀及输油泵的动作，大大节省了程序空间。在这种设计思想下，我们把72种润滑油的工艺流程全部用字方式编写，然后输进文件寄存器，并在此基础上，编制了72种润滑油的通用程序。在通用程序运行时，根据某一润滑油的型号，通过查表的方式，在文件寄存器中调出对应的数据段（这些数据段也就是该种润滑油的工艺流程），然后该数据自动输进PLC的控制程序，使得PLC按照规定的工艺流程控制整个执行机构工作。如图5所示之例，润滑油品种LSO-1的工艺状态字存于文件寄存器D1050～D1060 10个字节中。程序运行时，首先根据润滑油型号在文件寄存器中寻址，查到正确的地址后，调出D1050～D1060 10个字节的数据，然后输进到通用程序的相应寄存器，参与产业控制。

图5文件寄存器示意图

         4 计算机与PLC的通讯技术

         　　在计算机与PLC集成控制系统中，一个关键的技术题目是计算机与PLC的通讯。若在整个系统设计中全部采用进口器件，软件也选用相应的进口产品，那么，整个工程造价惊人。针对这种情况，自行开发了计算机与PLC的串行通讯技术。该技术设计思想先进，软硬件简单实用，可靠性高，性能价格比好，兼容性强，可适用于市场上多种型号的计算机与PLC。

         　　从硬件上讲，现在中国市场上使用的PLC，在通讯接口上多采用RS422接口或RS485接口;而微型机多采用RS232接口。这样在计算机与PLC通讯时就不可避免地要选用RS422-RS232转换模块，同时考虑到恶劣工况下的抗干扰要求，这个转换模块必须具有良好的隔离功能和放大功能，而选用高性能进口模块，必定进步工程造价。

         　　针对这种情况，为降低工程造价，在硬件上用1根普通的通讯电缆代替进口的通讯模块，在电缆的接口处采用先进的电路设计技术和单片机技术，以完成信号的隔离和放大功能。实践证实，通讯的可靠性完全可以和国外的进口模块媲美，而且造价极低。

         　　从软件上讲，计算机和PLC的通讯技术属于保密技术，长期为国外公司垄断。这就使得我们只要选用了该厂家生产的PLC，就必须选用它开发的工控软件，进步工程造价。针对这种情况，开发了针对三菱公司生产的FX系列可编程序控制器自己的工控软件。

         　　下面为例，介绍软件设计。

         　　FX系列可编程序控制器命令格式如表1所示。

         　　表1　FX系列可编程序控制器的命令格式

         　　每一个字符都以ASCII码形式串行传输，传输格式如图6。

图6字符传输格式

         　　例如，字符‘F’（ASCII码是46H）的传输格式如图7。

图7字符“F”的传输格式

         　　一般文本数据的传输格式如图8。

图8文件数据传输格式

         　　图8中，STX为文本的开始，其ASCII码定为02H;ETX为文本的结束，其ASCII码定为03H;CMD为命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。

         　　在STX之后，被传送数据的ASCII之和，也被作为2个字符码发送。

         　　例如，实现从地址10F6（10F6为寄存器D123的地址）处读取4个字节数据，执行传输格式如图9。

         　　求和：

         　　30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H=74H

图9传输格式之例

         　　通过改变命令号和地址号，就可以实现计算机与PLC之间的读、写、强制开关等基本功能，用户可以使用我们研制的通讯软件，也可以在该软件基础上，根据实际情况灵活地用C语言开发自己的通讯程序，这正体现了该软件的开放性特点

注塑机是目前广泛应用的高分子材料加工机械，目前在国内大量使用的注塑机基本上是采用机械或液压驱动的，控制系统大多采用触点继电器逻辑控制电路，这种控制系统的*大的弊端是控制系统自动化程度不高、精度较低、生产效率较低。采用硬件PLC的控制系统虽然能够实现各种控制功能，由于每个厂家的硬件专有性，封闭性使的用户升级和改造困难。随着自动化和计算机技术的发展，利用计算机的软硬件资源，通过软件可以实现硬件PLC的功能，并能实现**的电子齿轮和电子凸轮的高精度同步运动控制，即软件PLC技术。它遵循IEC61131-3的****。

　　采用软PLC的典型的系统结构是工控机加I/O接口加软PLC软件包。软PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转化成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。通过采用软PLC和高精度控制性能的伺服电机作为驱动系统的全电动注塑机能极大的提高设备的易操作性，产品的质量和生产效率。

2 全电动注塑机结构及工作原理

　　2.1全电动注塑机的结构

　　全电动注塑机主要由注射装置、合模装置和电气控制系统组成。如图1所示，和通用的注射机相比，采用了高精度控制性能的伺服电机和滚珠丝杠实现圆周运动到直线运动的转换。注射装置的作用是将塑料均匀地塑化,并注射到模具型腔中。注射装置由塑化部件（螺杆,料筒,加热装置,喷嘴）,料斗、计量装置、传动装置、注射电机及基座电机等组成。合模装置实现模具的开闭,在注射时应保证模具可靠地合紧。合模装置主要由前后固定模板,移动模板,连接拉杆,连杆机构,调模装置,合模伺服电机,脱模伺服电机组成。电气控制系统提供动力并使注射机按预定的工艺过程要求（压力,速度,时间,温度）和动作顺序工作。

图1 注塑机系统组成示意图

　　2.2 工作原理

　　注塑机生产一件产品的过程一般要经过合模、注射、保压、冷却（塑化）、开模、顶出制品工序

　　操作方式：

　　（1）手动操作 利用手动操作可以进行单步的调试，包括手动设置开合模，手动模高调整，螺杆的手动操作，注射座的前后移动的手动调节等。

　　（2）半自动操作 按下半自动操作按钮，注塑机开始合模、注射等工作，直到产品加工完成，然后处于等待状态，当再次按下半自动操作按钮时，将开始下一次循环。

　　（3）自动操作 完成一个注射和计量周期后，程序自动进入下一个循环周期。

3 系统设计

　　全电动注塑机控制系统设计中需要解决三大问题：一是采用了伺服电机后如何保证高精度的运动控制，如何在程序中实现位置控制、速度控制、力矩控制以及这几种控制之间进行切换的问题。二是如何实现温度、压力模拟量的**控制，来确保每个注射周期都能保证塑胶原料充分加热至合适的温度和确保注射压力、保压压力的**控制。三是如何设计人机界面来实时状态的监控、在线数据的修改、出错报警的处理、对错误进行及时的诊断及消除。

　　3.1 系统的硬件设计

　　控制系统的硬件由工控机、SERCOS IO模块、博士力士乐公司数字伺服驱动器以及伺服电动机组成，控制系统的结构示意图如图2：工控机作为上位机构成控制系统的核心，通过软PLC和SERCOS光缆环控制锁模伺服电机、注射伺服电机、塑化伺服电机、脱模伺服电机按照编写的程序运动，可以实现注塑过程中高精度的运动控制，以及位置、速度、力矩以及这几种控制之间切换的问题。输入按钮、行程开关等外部数字量输入信号通过IO模块采集到PLC程序中，经过程序处理变成逻辑关系，得到所需要的输出状态来控制现场设备，指示灯和报警灯显示当前设备运行状况和错误报警信息。温度传感器、压力传感器模拟量信号通过SERCOS IO模块转换为软PLC可以识别的数字量信号，通过在编程系统中编写的PID模块程序可以实现注塑过程中的**温度和压力PID调节。

　　SERCOS运动控制总线符合开放式数控系统的标准，可以根据系统需要灵活添加设备，有利于智能数控设备的集散控制，节省了设计和调试周期，同时使系统的可靠性大大提高。

　　3.2系统的软件设计

　　3S公司的CoDeSys与其它软PLC产品如SIEMENSE公司的SIMATIC WinAC、SOFTPLC公司的SoftPLC等相比。*大优点在于它集成了逻辑控制、运动控制和可视化于一体。

　　CoDeSys是符合IEC61131-3标准的编程工具。只要在计算机上安装了CoDeSys SP RTE软件，就可以成为一台先进的高性能可编程控制器（PLC），另外用CoDeSys不需要其它的组态软件就可以轻松实现实现可视化。可以用CoDeSys SoftMotion实现运动控制编程，包括单轴运动到复杂的多轴插补运动。

图2 控制系统结构示意图

　　本控制系统的程序设计采用模块化的设计方法，包括了运动主程序、手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序、IO控制程序、温度控制程序的设计

　　（1）任务设置

　　在程序任务中设置四个任务 MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask

　　如图3所示：四个程序任务是并行的，根据设置的优先级和周期扫描的时间，这样就能保证逻辑控制和运动控制的不互相干扰。

图3 任务配置图

　　（2）运动主程序设计

　　运动主程序中主要由参数初始化、轴组上使能、电机回零位、操作模式选择、轴组状态处理模块组成，在操作模式选择下，选择相应的操作模式（手动、半自动、自动），主程序将调用相应的处理程序（手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序）程序模块简图如图4所示：

图4 程序模块简图

4 结束语

　　本文作者创新点为该控制系统的设计采用了软PLC技术和SERCOS运动控制总线技术，简化了硬件结构，使得开发的控制系统符合开发式体系结构的要求，系统的可扩展性、可靠性、可维护性大大提高，*重要的是实现了注射的高速高精度以及短周期循环。经过实践检验，本控制方案达到了预期的效果，具有十分广阔的应用前景。