西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8功能介绍

西门子模块6es7221-1bf22-0xa8功能介绍

　在石膏板生产线中，石膏板切断难度在于切断时飞剪速度水平分量与主线速度(石膏板运行速度)的一致性及飞剪速度均匀变化的控制，只有将这两个关键变量控制好，才能保证切断质量。石膏板的切断质量直接影响后续工序的生产，并且高精度切断更可以减少浪费，给企业带来更多的效益。

　　1切断控制系统的组成

　　石膏板生产线切断控制系统主要由micr01500plc，lenze伺服9326ek，测长轮及旋转编码器组成。microl500的高速计数模块(hsc)将检测到的编码器脉冲信号转换成速度信号，并且将速度信号通过模拟量输出模块(ao)输出至lenze伺服控制器，伺服控制器直接控制lenze伺服电机完成切断过程。通过改变ao输出值实现飞剪速度的快慢调节。测长轮编码器是石膏板实际长度及主线速度的检测元件，旋转编码器是飞剪位置检测及速度控制的检测元件。切断系统简图如图l所示。

　　2切断控制的数学模型

　　为了提高剪切断面质量，不划伤板材表面，要求切断过程飞剪在石膏板前进方向上的速度分量同主线速度一致。为了解决这一问题，在一次剪切周期中，将飞剪的运动分成几个工作速度段来考虑。飞剪加速(图l中gb：加速区)，同步剪切(图1中bc：同步区)，减速及g点等待(图l中cg：减速区)。飞剪工作速度区间是以旋转编码器计数脉冲数量来划分。本系统中采用lec-s1系列旋转编码器，并且旋转编码器与飞剪机械同步，旋转编码器每转输出5000脉冲，为了提高剪切精度，程序中进行了4倍频处理，即旋转编码器每转一周，plc程序中按20000脉冲计算。当旋转编码器脉冲数在0-14000时，飞剪处于加速区l当脉冲数时，飞剪处于同步区，当脉冲数16000—20000时，飞剪处于减速区。切断系统数学模型主要以下3个公式。

　　l：设定剪切长度的等效脉冲数

　　a：已经走过的带板脉冲数

　　b0：飞剪一周脉冲数

　　b：飞剪已经走过的脉冲数

　　vl：主线速度

　　vr：飞剪速度

　　公式(1)计算出石膏板实际检测的等值板长与飞剪检测的等值板长差值，当飞剪运行至剪切点b时，保证△p=0，使实际切断板长等于设定长度，实际生产过程中的切断误差在±3mm以内。

　　公式(2)计算出飞剪加速时的飞剪线速度(mm/s)。

　　公式(3)计算出飞剪减速时的飞剪线速度(ram/s)。

　　3控制系统的软件设计

　　在软件编制的过程中，充分利用了编程软件的模块化功能，各功能均以子程序方式调用方式实现。程序设计时还使用了该软件的中断功能，准确的计算出主线速度。主线速度是根据单位中断时间内测长轮编码器读取的脉冲数计算得出。图2是生产过程中测长轮编码器脉冲波形图。

飞剪速度以主线速度为基准完成加速、同步切断及减速停止等待过程。图3是生产过程中旋转编码器脉冲波形图。

　　同时程序里设计手动切断和采样切断功能，可以满足不同生产情况下的切断要求。

　　4结束语

　　本石膏板生产线切断控制系统设计紧凑，简单合理，设备检测点及输出点少，因此可靠性很高，故障率降低，并且生产要求的主要功能都是通过软件逻辑与计算实现，减少了硬件维护成本。自投产使用以来系统非常稳定，得到用户的好评。了解更多plc技术、资讯、分析报告文章，请点击查看 https://plc.jlck.cn/ 2011年plc企业“爆”团，新鲜技术全接触

0 前言

　　大同煤业集团马脊梁集运站以前主要使用电机振动给煤机、输送带把洗煤厂精洗过的煤送至装车系统，电机振动给煤机存在煤块破碎率高、易堵塞、噪声大、给煤量小、给煤量无法调节等缺点，为了减少装车时间、**控制装车量，设计了基于plc控制的新型远控液压给煤机，主控计算机安装在集控室，距现场plc的距离大于300m，在组态王组态的人机控制界面上可控制给煤要求的闸门开关、破拱、振动等动作;通过旋转编码器**控制闸门旋转的角度，从而**地控制给煤量;并能直观地在控制界面上动态显示。主控计算机与plc之间采用mpi通讯协议，实现了数据的远距离传输。可直接触摸屏幕进行控制、也可用鼠标点击控制，操作简单、灵敏，能够实现就地控制，也可实现远距离(>300m)控制。

　　该给煤机运行1 a 多以来，改善了现场工作环境，减少了操作人员的装车时间，运行安全可靠，使用状况良好，更好地满足了生产要求。

　　1液压系统的工作原理

　　给煤机具有液压破拱、振动给料、弧形闸门转动等控制，液压控制系统原理如图1 所示。

　　液压系统中，换向控制集成块4、6 通过液压缸5 的活塞杆控制弧形闸门的转动， 换向控制集成块10 通过液压缸9的活塞杆实现破拱动作。在电磁溢流阀12 卸荷情况下，电动机空载起动。旋转编码器为autonics e40s-1000 型，每转发出1000 个脉冲，通过平行四边形机构与闸门转轴相连接，能保证两者旋转的角度相等。

　　液压泵1 启动后， 液压油通过单向节流阀2 流入蓄能器3，当蓄能器中的压力达到压力继电器11的调定压力后，11 发出信号，电磁溢流阀12 失电，液压泵卸荷。液压泵1 正常工作时，当换向控制集成块6 中的a 口与c 口、b 口与d 口相通时，弧形闸门开启;当换向控制集成块6 中的a 口与b 口、c口与d 口相通时，液压缸5 活塞伸出，弧形闸门关闭。突然停电时，液压泵1停止供油，换向控制集成块4 的a1口与b1口、c1口与d1口相通， 在蓄能器3中的高压油的作用下，弧形闸门关闭，避免煤仓中煤继续落到输送带上， 造成输送带无法启动现象。

　　2远控系统结构与工作原理

　　该远程控制系统可控制6 台液压给煤机。其组成：elo 触摸屏;610h 型研华工控制机;cp5611 通讯卡、西门子s7-200226 型plc;em221 扩展模块;em223 扩展模块。如图2 所示。

　　工控机上装了组态王5.2 和step 7 -micro/win v4.0 sp4。使用组态王组态控制界面。控制界面之一如图3所示。

　　在工控机中加装了西门子cp5611 通讯卡，工控机与s7 之间采用mpi 通讯协议， 实现信号的远距离传输，本控制系统中信号的实际传输距离为300 m。由于需要控制6 台给煤机， 控制的动作较多，所以输入输出点数较多：输入48 点、输出32点共80 个i/o 点， 而s7-200 226cpu 只有24 个输入点、16 个输出点共40 个i/o 点，不能满足实际i/o点的需要，加装了em221、em223 两个扩展模块。

　　3远控系统的主要功能

　　根据实际给煤作业的要求，该控制系统有远控及就地控制2种功能，为了方便设备的日常保养与维护，就地控制主要实现闸门开关手动、破拱手动、振动点击手动等控制功能。为了能在装车集控室远程控制给煤机，方便、高效地完成煤炭装车任务，远控系统主要实现如下的控制功能：

　　(1)闸门旋转角度的**控制

　　为了**控制给煤量的大小，就需要**控制闸门的旋转角度。所开发的高精度远控液压给煤机闸门旋转角度的理论误差小于0.2°，在实际应用中，由于机械摩擦、机械刚度及液压油弹性的影响， 在旋转角度为0~78°内，实际误差小于1.2°。旋转角度的控制过程：在控制界面中，按下“闸门开度输入”按钮，输入要求的闸门转角，根据旋转编码器的型号转换为一定数量的脉冲数，plc中高速计数器测得旋转编码器的实际脉冲数，当输入脉冲数与实际脉冲数相等时，闸门停止转动，保持在要求的位置。本研究所用autonicse40s-1000 型，每转发出1 000 个脉冲，脉冲数n 与旋转角度φ 的关系为

　　因为脉冲数应该为整数，所以n 值应该取为整数。

(2)破拱控制

　　当给煤机的上方出现煤拱，需要破拱时，可按下“破拱”按钮，控制破拱活塞杆的升降。通过plc内的时间继电器的合理设置，点动破拱按钮一次，可以实现如下的破拱动作：破拱活塞杆上升3s，到达破拱高位置;为了减少液压冲击，同时也给电磁换向阀一定的换向时间，在此停留1 s，随后破拱活塞杆下降4.2s，到达破拱低位置，完成一次破拱循环。

　　(3)振动电机控制

　　在开始给煤之处， 煤仓中的煤处于静止状态，为了加快其流动，开机时，在plc 中设置振动电机自动振动30s。在工作过程中，当出现煤拱或者下煤不畅时，按下控制界面上的“电机振动”按钮，2个振动电机同时振动，要停止振动，再次点击该按钮即可。

　　4远控给煤机的特点及应用情况

　　远控给煤机与其它型式给煤机相比具有如下特点：

　　(1)给煤量调节方便、准确在触摸屏控制界面上，输入闸门的旋转角度，传输至plc，plc通过旋转编码器能够**控制弧形闸门旋转至该角度，从而**控制给煤量;

　　(2)噪声小，低于63 db，比原来使用的电机振动给煤机降低了31db，在给煤过程中抛洒少，减轻了现场清理的工作量，极大地改善了职工的劳动环境;

　　(3)运行稳定可靠，不论是数据的远距离通讯还是液压系统均运行稳定可靠。能耗低，维修量小，运行费用低;

　　(4)输送量大，单台给煤机可达2 400 t/h，输送效率高， 装车时间由原来的3 h 减少到不足2h，减少了装车集控人员的工作时间，明显地提高了装车作业效率。

　　0 引言

　　小袋包装机属于轻工机械装备制造行业，是包装生产线干包部分的主要设备之一。主要功能是将包装生产线的成品自动进行开箱、装箱、封箱，产品入库前的后一道工序。根据需求，我单位开发试制了一款适应国情的光机电一体化的智能产品。应用于枕形袋包装的食品、食盐、白糖、乳品等，根据产品规格和纸箱规格将物品分多层装入。小袋包装机采用了plc控制，人机界面，伺服驱动技术，是典型的光机电一体化设备。机械结构采用固定的运动轨迹，结合伺服电机的闭环控制和人机界面的参数修改和编程技术，总线技术，解决了装箱过程可重复多层装箱的技术问题，克服了现有装箱机对于同1个箱子只能装1次的缺点，减轻工人劳动强度，提高工作效率。

　　1 工艺自动化分析

　　小袋包装机主要核心部件有开箱机和装箱机。其中开箱机主要运行电机选用施耐德bsh型伺服电机，其余主要动作由7个气缸通过电磁阀分别进行勾中缝、扶箱、推箱、打底、送纸箱1、送纸箱2和吸盘的动作控制。此外利用光电开关进行推箱到位及纸箱不足的检测;利用磁性开关进行推箱原位的检测;利用接近开关作开箱电机的原位和软限位点。

　　装箱机主要运行电机选用施耐德bsh型伺服电机，除主电机外，输袋电机和输箱电机分别选用atv31变频器控制。其余主要动作由7个气缸通过电磁阀分别进行真空吸盘、挡箱1、挡箱2、夹箱、袋距等动作的控制。使用光电开关进行缺袋及进箱检测;使用接近开关作主电机的原位和软限位点。

　　2工艺流程分析

　　1)开箱机工艺流程。如图l。

　　2)装箱机工艺流程，如图2。

　　3系统原理设计

　　开箱机的控制以施耐德的twido型可编程控制器为技术平台，选用触摸屏为操作界面，所有参数的设置和修改均可以在操作界面上进行实时操作，lxm05a伺服驱动器作为执行构件。触摸屏通过com2口与twidoplc的串行口1相连，采用modbus协议，plc加配了twd型串口适配器，通过485口控制lxm05a伺服驱动器，支持modbus协议，伺服驱动器驱动开箱过程伺服电机。

　　modbus总线使用了rs232c兼容串行接口，通信使用主从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)，其他设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

　　装箱机的控制同样选用twido型可编程控制器为技术平台，选用触摸屏为操作界面，所有参数的设置和修改均可以在操作界面上进行实时操作，选用2台lxm05a伺服驱动器以及3台atv31变频器作为执行构件。触摸屏通过com2口与twidoplc的串行口相连，采用modbus协议，plc扩展了canopen模块，使其具有canopen总线能力，plc通过canopen模块控制lxm05a伺服驱动器和atv31变频器，支持canopen协议，伺服驱动器与变频器之间使用三通相互连接，2个伺服驱动器分别驱动进袋和装箱过程伺服电机。

　　canopen总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。由于采用了许多新技术及独特的设计，can总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点如下：

　　1)多主站依据优先权进行总线访问;

　　2)无破坏的基于优先权的仲裁;

　　3)借助接受滤波的多地址帧传送;

　　4)配置灵活性;

　　5)直接通信距离远可达10 km(速率5 kb/s以下)，通信速率高可达l mh/s(此时通信距离长为40 m);

　　6)每帧信息都有crc校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。

　　4plc在控制过程中应用

　　1)开箱机

　　从原点开始进行抓箱、勾中缝、打底到推箱到位，再返回原点，整个过程称之为一个开箱周期。伺服电机运动到每一个检测位置，都会有相应的检测装置进行到位检测，将检测到的数据通过相应的通信总线传送到plc中，plc就会根据程序做出相应的动作指令，通过总线再传达到各个执行机构，完成相应的实际动作，从而顺利完成整个开箱过程。

　　2)装箱机

　　装箱机实现了重复多层装箱，用户可以通过触摸屏自行设置需要装箱的层数，从原点开始进行抓袋到放入箱内，再返回继续进行装箱过程，直到完成用户所设定的层数后，返回原点，整个过程称之为一个装箱周期。

　　进袋和装箱过程伺服电机运动到每一个检测位置，都会有相应的检测装置进行到位检测，将检测到的数据通过相应的通信总线传送到plc中，plc就会根据程序做出相应的动作指令，通过总线再传达到各个执行机构，完成相应的实际动作，从而jl顷利完成整个装箱过程。

5系统硬件选型

　　整条生产线的电气部分主要选用施耐德低压电气产品，其中开箱机和装箱机的硬件选型如表l，开箱机的框架如图3所示，装箱机的框架如图4所示。在小袋包装生产线中，触摸屏、伺服驱动器、变频器都是由twidoplc进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，实现手自动控制、开停机和故障检测。twidoplc属于施耐德小型自动化产品家族中的一员，本系统选用的plc型号为twdlcaa40drf，其功能和特点如下：

　　1)信号的采集和处理功能;

　　2)逻辑功能;

　　3)控制输出;

　　4)体积小，功能强大，内置浮点运算、pid自整定功能;

　　5)模块化结构，接口丰富;

　　6)抗干扰好。

　　bsh伺服电机是高动态的低惯量伺服电机，额定转速可达6 000 r/rain，额定转矩为0.46—28.2n·m，匹配了高分辨率(17位)的正余弦编码器。

　　lexium05伺服驱动器采用正余弦hiperfuce编码器，电机转速更高，可达8 000r/min，且兼容通用现场总线。

　　6系统软件设计

　　开箱机和装箱机均采用触摸屏和控制面板作为人机交互界面，其中触摸屏通过r485数据接口与plc进行通讯，为操作人员提供方便的在线监控、设备的启动、停止、运行、参数输入与修改以及手动调试、故障报警等功能。编程平台为vijeodesigner，界面如下图5。

　　同时采用施耐德公司开发的twidosuit软件对plc进行编程和对plc设备配置进行维护。编程的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计。twidosuit提供了具有生成标准导出功能块库或fc库能力的编程功能，能够在应用程序内一再调用。在本系统中，这种功能得到了广泛的应用，fc功能块的使用节约了大量的程序空间和故障查询时间。降低了程序编写的复杂程度，使程序结构更条理清晰。fc模块的使用提高了程序的运行速度并且更加方便了软件的移植性和可扩展性。

　　小袋包装机的电气控制分为手动和自动2种模式。可以在控制面板或触摸屏上进行2种模式的只有切换。手动工作模式主要用来设备调试。检测各机械部分的运动协调状况，在触摸屏上分别为每个运动机构设置了启动按钮，直接操作这些按钮就可以实现对应部位的点动动作。自动模式是机器的正常工作模式，也是程序设计的关键所在。在设计这一工作模式时，我们将系统的整个自动工作过程划分为若干阶段，每个阶段都独立完成一部分工作，然后plc再将各个阶段按照一定的顺序有机的结合起来，构成完成的自动程序，这样的目的;一是有利于程序的编制，增加程序的可读性，尤其是将来设备调试和维护提供方便;二是确保各个工作环节更加安全、更加可靠。整机的核心调试工作就是电气、气动与机械工作之间的相互匹配。

　　7.结束语

　　小袋包装机械使控制系统能够更好的相互结合，实现无缝化通信。充分利用xbtg触摸屏内部大量的内存空间来存放用户工艺参数，简化了twidoplc的编程工作，使plc系统更容易。可以读取伺服驱动及变频器内部许多参数，如电机实际位置，电机转速等等，用于机器的故障报警，更好地维护保养设备。伺服驱动器可以实现控制与给定分开，这样可以保证系统在发生故障时及时停车。该机具有高可靠性，抗干扰能力强;灵活性强，控制系统具有良好的柔性;编程简单，使用和日常维护方便。