西门子PLC模块6ES7313-5BG04-0AB0

近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。 

作为国内*大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。 

2 系统结构 

本系统结构图如下：

其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。 

由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。 

在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。 

触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。 

3 软件设计 

3．1 给纸设计 

印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：

在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。 

3．2离合压设计 

离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使*后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。 
在设计中，离压，合压的程序流程如图所示： 

印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。 

3．3 人机界面设计 

在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示：

4． 结束语 

印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏]监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。

西部涂装车间（简称西涂）电气控制系统的网络分为两层构架，上层控制系统通过以太网EtherNet连接，下层受控系统通过设备网（DeviceNet）连接。 

1. 上层控制系统（见图1）

 
图1 上层控制系统结构图

上层控制系统设备包括四大上位系统及AB的Logix5561系列PLC。四大上位系统分别为：PMC（生产监视控制系统）服务器，用于监控机运设备情况及车间区域车数等；AVI（自动车体识别系统）服务器，用于跟踪车体及向机器人交换数据等；QAS（暗灯系统） 服务器，用来帮助流水线上的工人在一定生产节拍内、完成质量可靠的汽车装配任务；PHS（工艺监控系统）服务器，用于监控车间的工艺设备，如前处理、直流源等。 

中央控制室的电脑和现场触摸屏组成网络，通过以太网传送数据，监控、管理生产线。 

2. 下层受控系统（见图2）

 
图2 下层控制系统结构图

下层受控系统的方案相对简单，结构简洁，维修方便。其主要设备包括：信号采集装置（AB公司的1794FlexI/O、Turck公司的FDNL8点输入模块等）；变频器（SEW公司MFD系列变频器），采用分散控制，具有运行可靠、维护方便安全的优点；网桥（Turck公司FDN系列），用于搭建两台PLC构架的设备网交换数据的平台。 

下层控制系统采用DEVICENET现场总线技术，具有良好的开放性和完整性，拥有周密的网络协议；通过设备网线将基站和现场各站点连接成一个整体，保证PLC与子站间的数据读取和写入，实现数据信息的共享，从而保证了全线自动化生产、顺序启动和顺序停车。 
3. 网络构架 

AB公司设计的车间网络构架通常有三层。上层系统通过以太网EtherNet通信；中间层系统通过控制网ControlNet通信。这里的中间层控制设备通常指的是各子系统的PLC；下层控制系统通过设备网DeviceNet通信。在西涂项目中只用到了以太网和设备网，而据有关人士介绍，北美通用已经有工厂全部采用以太网来控制电控设备。 

安全生产第一位 

公司时刻把安全生产放在首位，考虑到机运输送系统的危险性，车间配置了安全门控制系统、光幕控制系统，现场运行停止按钮、现场急停按钮、双通道安全继电器（Pilz品牌PNOX系列产品）、接触器构成回路。这些安全防护措施有力地保证了安全有效的生产。 

在此，我们以面涂喷房出口升降机的区域为例，简要介绍一下主控柜的现场安全保护回路。 

主控制柜的安全保护回路逻辑图由三部分组成，见图3。当现场的紧急停止按钮或光幕、安全门动作时，现场的380V动力电和24V直流安全电自动断开；当现场的运行停止按钮动作时，现场的24V直流安全电断开。以E800安全继电器为例，E800的复位回路串联了两个接触器（E828、E832）的常闭点，当现场的紧急停止按钮拍下时，E800输出断开，E828、E832也断开；恢复紧急停止按钮，E800有了输入后检测复位回路，这时E828、E832必须断开E800才能复位，以此来检测E828、E832是否工作正常。

 
图3 主控制柜的安全保护回路逻辑图

满足柔性化生产需求 

由于产销量持续走高，公司新开发的加长车型在市场上供不应求。在公司东部工厂产能有限这一背景之下，我们在西涂进行了加长车的通过性试验。 

西涂的机运系统是通过滑橇输送线将车体进行转接，完成车身的涂装工艺。在车间通过加长车的过程中我们发现，在车身橇（BDC橇）与电泳橇交接的地方——叉式移栽机（HYZ-1）的叉子与加长车的底座弹簧存在干涉。为此，需要将加长车的位置向辊床工艺方向多移动315mm，见图4。

 
图4 西涂的机运系统，加长车的位置需向辊床工艺方向多移动315mm

为此，需要在辊床上增加新的夹紧装置，采用电机进行驱动。加长车的运行步骤具体如下：当加长车在旋转辊床HXG_18到位时，通过光电检测开关的检测判断是加长车后，将加长车送到图4中的位置，新的夹紧装置动作，将橇体夹紧，然后进行车身转移。 

这里，我们采用SEW变频器现场分布式控制电机来驱动夹紧装置。SEW变频器（MFD系列）由底座、维修开关、变频器模块、总线接口模块构成。 

SEW变频器由24V直流控制，电缆有4芯线。其中，2芯24V直流电用来供给感应开关用电，另外2芯是直流24V安全电。在主控柜安全保护回路的介绍中我们已经提到，如果安全电消失，变频器就停止输出。车间内使用的电机抱闸均为220V直流抱闸线圈，电机中不需要整流块，因此，从变频器到电机线缆中的抱闸线已经为直流电。 

SEW变频器的模块参数直接在模块上进行调整。本项目调整的参数有*高频率、*低频率、加减速时间、允许设备网控制、允许超额功率运行、允许抱闸线圈单独打开、允许电机快速启动并通过TH进行热保护。由于通过设备网控制，需要在总线接口模块的背面设置该设备的站点。 

将变频器的参数和现场线路接好后，现场的工作就完成了。接下来还需要使用AB公司的软件RSNetWork对新增设备进行配置。上面的配置完成后，SEW变频器就可以通过总线与CPU联系，再更改程序即可投入使用。 

标准化的应用软件 

西涂的机运程序是根据北美的通用标准模板而生成的，程序中的每一种设备都对应有标准的模板。 

机运程序的生成需要在Excel表格中输入各机运设备的名称、顺序、区域等，设备的数据类型选用用户自定义数据类型中已经定义好的数据类型，然后将填好的Excel表导入到Logix5000编程软件，自动生成程序。对于自动生成的程度，编程人员只需要稍做修改即可投入使用。以加长车改造项目为例，BSG－3（见图4）的数据类型为用户自定义数据类型ac－LWP（带辅助升降台的辊床），依照标准模版对ac-LWP进行定义。使用时，我们只需要打开Logix5000编程软件，在User－Defined菜单中调用ac-LWP模块，自动生成的程度只需稍做改动