西门子PLC模块6ES7215-1HG40-0XB0

1 前言

　　我国的水力资源在地域分布上极不平衡，总体来看，西部多、东部少，水力资源相对集中在西南地区，而经济发达、能源需求量大的东部地区水力资源量极小，因此，西部水力资源开发除了西部电力市场自身需求以外，更重要的是要考虑东部市场，实行水电的"西电东送"战略。但是在水力资源开发尤其是内河河坝控制系统方面，仍然普遍存在设备落后、功能差和老化严重等问题，相应的系统能耗大，效率低，且面临技术改造和维修问题。很多河坝的闸门控制系统设备落后，自动化水平低，甚至存在相当大比例的人工操作，效率低，亟需系统的升级改进以满足更高更安全的控制需求。

　　作为通用工业控制计算机, 可编程控制器近40年来从无到有,其功能从弱到强,其应用领域从小到大。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。本文基于大型拦河坝闸门控制的具体情况，提出一个基于PLC和现场总线控制的整体设计方案。

　　该拦河坝由17孔启闭式闸门组成。其跨度约为300m，闸门的*大开度可达1.7m。闸门控制房距离大坝迎水面40m。由于地理跨度较大，本闸门控制系统采用总线分布式分级控制方式进行设计。

2　系统组成

　　系统采用总线分布式的控制方式，分为现场控制和集中控制两级。总线采用OMRON公司的CompoBus／S现场总线协议，见图1。

图1 系统总体示意图

　　现场级是由在每个闸门现场都安装的闸门控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)组成，共17台。其功能是实现在现场对闸门的手动控制，对水位、闸门开度、闸门运行状态和错误信息的现场采集与监视，并且完成与集中控制级的实时通信，包括：接收控制信息，完成闸门控制动作，发送用于远程监控的闸门运行状态、错误信息到主站。

　　集中控制级是由设置于闸门控制房内的一个控制柜(CPU采用OMRON公司的CJ1G 系列PLC)。其主要功能是：通过CompoBus／S与下级系统进行通信，处理相关数据，向监控主机发送闸门的运行状态、错误等信息以及接收监控主机的指令后向下转发。

　　监控主机通过监控软件(本系统采用的是组态王)接收并显示闸门开度、状态等信息，对错误信息进行报警，并且可以发出指令，控制闸门的运行，同时生成报表。UPS电源用来在停电时为两级控制系统供电，保证系统不间断工作。

3　系统配置及硬件接线

　　现场级单个闸门控制柜的输入输出点个数为：DI=16，DO=6，AI=2(第一孔)。本系统现场控制级CPU采用具有40个输入输出点的OMRON公司的CP1H系列PLC。由于一号控制柜将进行水位的采集，所以采用自带有模拟输入输出模块的CP1H—XA40D，此型号的PLC有4点的模拟量输入，2点的模拟量输出，其功能对于水位采集已经够用。其余控制柜采用不带模入／模出模块的CP1H—X40D。通信是通过CP1H扩展的一块通讯从单元SRT21完成，此通讯从单元节点号为O。根据PLC地址分配规则，输入地址为ClO2，输出地址为ClO102。

　　集中控制级的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC扩展两块SRM21主站单元组成，其单元号分别为0和2。根据CJ1G的地址分配规则，其地址分别为CfO2O00与CfO202O。两块主站单元分别与下边的8个和9个从站单元进行数据交换，并与监控主机进行通信。监控主机与CJ1G通过RS232线缆连接。两级系统之间的通信采用的OMRON的现场总线协议CompoBus／S完成。

　　CompoBus／S通信模式可分为远距离通信和高速通信两种。当工作模式为远距离通信模式时，传输速率为83．75Kbps，传输距离可达500m； 当为高速通信模式时，传输速率为750Kbps，传输距离为100m。通信模式通过I／O连接单元的DIP开关设定。本系统选择远距离通信模式。

　　由于集中控制级的实现比较简单，这里只是介绍现场级控制柜PLC(第一孔)的接线图与软件实现。现场级控制柜的接线原理图如图2。

　　PLC 由UPS电源提供220VC 电源。PLC的0CH和1CH为输入通道，100CH和101CH为输出通道。其0CH通道的低8位I：0.00～I：0.07接旋转编码器，进行闸门开度状态的采集。0CH通道高4位进行现场闸门控制操作以及系统其他一些状态的采集。在1CH(输入)通道中I：1.08进行现场／集中控制的选择。I：1.09是为了清除错误报警位设立，当错误排出后，对I：1.09的输入使得错误信息复位，系统可以运行。1CH后两位提供了闸门运行的一种保护。

　　输出通道100CH的输出为闸门的控制信号以及提示、报警信息。图中的IN1+、IN1一为模拟量输入通道。它与水位仪连接。由于CP1H系列PLC提供了一个24VDC的电源输出，所以可以直接作为水位仪的电源。

图2 PLC现场接线原理图

4　软件设计

　　现场一号控制柜的软件编写如下：系统的自动控制功能可分为现场级控制、集中开／闭环控制。其控制的程序流程图如图3。现场控制级具有*高的优先级，这是由于对闸门的控制要求有较高的安全性和可靠性。当选择现场级控制后，集中开／闭环控制都被屏蔽。PLC采集现场控制柜的升、降、停控制输入状态，对闸门进行升降停操作。此时闸门的开度信息、运行状态可以在现地控制柜上的文本显示屏进行显示输出，并同时上传到监控主机显示。如发生错误，则发出报警并停止闸门运行。

图3 系统软件控制流程图

　　当W2．05复位时，进行集中开环控制。远程开环控制可以在监控主机上点击操作界面(本系统采用的是组态王)上的升、降、停按钮，完成对闸门的远程控制。当升、降、停按钮被点击时，主机会置位集中控制级PLC 的存储位，并通过CompoBus／S总线将置位信息传送给分散控制级PLC，其内存地址为W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根据此三个开关量的状态进行闸门操作。考虑到升、降、停的快速切换可能会导致出错，所以要全都采用了互锁。当有错误发生时不管闸门的运行在何种状态都必须马上停止闸门，并发出报警，直到错误排出后，通过CP1H的故障复位按钮(CIO1.09)清除故障报警，并重新运行。

　　闸位的采集通过8位增量式旋转编码器输入得到。其输入通道为CIO0.00～CIO0.07。由于编码器输入的是格雷码，所以需要采用格雷码转换指令(GRY)将其转化为BIN(-进制化16进制)数据(存储与D20)。由于编码器的位数仅8位，因此还要对编码器所转过的圈数(D70)进行软件的采集计算。*后根据编码器的圈数D70和此时编码器的值D20计算闸门的运行距离(D250)。其计算公式为：D250=D70*单圈高度+D20。其流程图如图4。

图4 闸门开度采集子程序

　　系统水位采集时采用的水位传感器是压力式水位变送器，输出信号是4～20mA电流信号。由于PLC 自带有模拟信号输入通道，使得标准电流信号可直接输入PLC(本系统采用CIO200、CIO201分别为闸前、闸后水位输入通道)，不需要再扩展A／D模块。模拟信号在PLC模拟输入通道中自动完成A／D变换。这里的A／D变换全部采用的是线性变换，分辨率为1／6000或者1／12000，分辨率的选择通过PLC设定。闸门运行时的错误信息主要包括：闸门卡滞，闸门运行失速， 以及闸门开度过大引起的上升越限和下降过度引起的下越陷等。这些错误信息的采集比较简单，这里就不详细介绍。

5 　总结

　　系统自投运以来，取得了显著的效益，体现在以下几个方面：

　　（1）提高了设备的使用效率。本方案通过对闸门控制的综合自动化，排除以往靠人工观察和经验进行操作，实现河坝闸门的优化运行，降低了主体设备的损坏率，延长其使用寿命和维护周期，每年节省备件消耗可达百万元同时本方案采用了实时负荷控制，提高设备的利用率，减少了设备的空转率，实现节能3%~5%。

　　（2）增强了可靠性和安全性。本设计方案实现了主体设备的联锁控制和异常报警和及时关停。工程师站设立授权以对有关参数进行修改，主控站以授权方式操作，避免了人为误操作等可能造成的设备损坏，增强了系统运行的安全性、可靠性。

　　（3）减轻了职工的劳动强度。本设计方案实现集控室的远程监视并相应进行相应操作即可，现场只需不定期巡视，减少了职工的所需数量和劳动强度，达到减员增效的目的。

1  引言
        压力机是汽车行业冲压车间的关键设备，主要用于生产汽车白车身各种冲压零部件。压力机与模具配合完成汽车冲压件的拉延、修边的过程中，需要调整滑块高度，适应不同高度的模具，其调整精度和稳定性直接影响汽车冲压件的质量。

2  系统设计
        目前，奇瑞公司冲压四车间使用的小吨位压力机的滑块调整显示表是机械式的，精度和稳定性差，操作人员目视机械式显示表不方便，容易读出错误数据，从而造成设备过载，引起设备故障和设备事故。而且压力机上安装有滑块调整上下限位，如果压力机单次运行或寸动，容易将限位开关打坏，上下限位开关起不到保护作用，容易引发安全事故。
2.1 系统分析
        为解决上述问题，汽车行业普遍采用编码器解决方案。此方案利用旋转编码器记录滑块高度，将信号送给欧姆龙plc高速计数模块，经过欧姆龙plc处理转化为十进制数值，然后显示滑块高度。编码器方案的程序框图如图1所示。

图1  编码器方案的程序框图

        但是对比接近开关方案，编码器方案的成本投入大，同时要求plc能支持高速计数模块，对现场的环境要求高。两种方案的比较参见附表所示。

        从上面的比较可以看出，接近开关方案比编码器方案节省近7000元，而且安装比较方便，对plc系统的要求也低，还能达到规定的精度和稳定性。
        目前，我们采用的是接近开关方案。此方案通过接近开关检测压力机机械传动轴旋转的圈数，将信号送到欧姆龙plc，经过内部程序处理，输出到欧姆龙plc数字量输出模块，在bcd码显示器上显示滑块高度。接近开关方案的程序框图如图2所示。

图2  接近开关方案程序框图

2.2 系统实现
         (1) 利用压力机设备上现有的接近开关，检测滑块调整机构丝杆旋转的圈数，将检测到的圈数送入欧姆龙plc。我们运用欧姆龙plc的特殊指令inc和dec，通过bcd递增和递减功能来实现传动轴正转和反转时，检测圈数的加减。程序如下：

        (2) 利用游标卡尺测量传动轴旋转一圈时滑块实际移动的距离，得出传动系数。反复测量几次后求平均值，提高传动系数的计算精度。
        (3) 经过程序的运算，将传动圈数乘以传动系数，就可以得出滑块调整高度的当前值，再通过欧姆龙plc将数值以bcd码的形式，在欧姆龙plc的输出模块(oc222)， 以继电器形式输出。程序如下：

        在现场压力机滑块调整需要显示四位数，我们在欧姆龙plc(型号：c)后面再加一个16点的输出模块(oc222)，用四个输出点来显示一位数字，就可以正常显示这四位数。
        (4) 为了提高检测精度，需要在程序里做采取一些措施，防止错误信号的输入影响plc的正常检测，程序如下：

        (5) 同时需要在程序里设置上下软限位来控制滑块调整的行程，防止硬件限位不起作用而发生超行程现象。程序如下：

3  结束语
        此方案在奇瑞公司冲压四车间应用成功之后，迅速向冲压二车间推广，同样也取得了成功，不仅解决了滑块高度显示的问题，也节省了改造成本。在奇瑞公司新建的冲压生产线，此方案可以作为标准解决方案应用，从源头解决类似问题