6ES7235-0KD22-0XA8代理订购

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一、引言

随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（plc）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。

在电缆自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。关于整个系统的设计与实现另文介绍，本文主要介绍该系统中用作下位机的可编程控制器的作用、与计算机的通讯及程序设计方法。

二、可编程控制器的性能特点

用于控制系统中的可编程控制器是以循环扫描的方式工作，它不断读取输入点的状态，然后按照既定的控制方式进行逻辑运算，将结果从输出端送出，从而达到控制的目的。它是由工业专用微型计算机、输入/输出继电器、保护及抗干扰隔离电路等组成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特性。由于它具有可编程的功能，且其基本输入/输出点全部使用开关量，因而完全可以替代继电器控制系统和由分立元件构成的控制系统。从应用角度来看，可编程控制器具有如下特点：

1、可靠性高：可编程控制器的输入/ 输出端口均采用继电器或光耦合器件，即基本输入/输出点均为开关量，同时附加有隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在比较恶劣的环境下可靠工作。

2、体积小：在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程替代了硬连线，达到了小型化，便于安装。

3、通用性好：可编程控制器采用了模式化结构，一般有cpu模块、电源模块、通讯模块、pid模块、模拟输入/输出模块等。用这些模块可以灵活地组成各种不同的控制系统。对不同的控制系统，只需选取不同的模块设计相应的程序即可。

4、使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当控制对象及输入/输出硬件结构选定后，若要改变控制方式或对控制对象作一些改动，只需修改相应程序即可，无须对系统连线作较大的修改。从而减少了现场调试的工作量，tigao了工作效率。

三、用作下位机的可编程控制器

由于可编程控制器具有上述特点，因而在检测和控制系统中得到广泛应用。但因其专用性太强以及受输入/输出节点数的限制，在由可编程控制器构成的系统中，可编程控制器主要用来完成组合逻辑与时序逻辑的输入/输出控制。另外，由于可编程控制器无法以比较灵活的方式显示当前各个输入/输出点的状态，不能以多种方式提供整个系统的运行情况，因而，在用可编程控制器构成比较大的检测控制系统时，一般用可编程控制器完成信号的采集和控制，比较复杂的数据处理、图形显示、人机界面等由计算机来完成。

在电缆自动生产线检控系统中，可编程控制器作为下位机用来控制各种电机、风机的启、停，调速器的投切，读取各控制点的状态，然后将各点的状态输入到上位机——计算机。计算机处理可编程控制器和其他设备的信息，以图表的方式显示，使操作者对生产线的工作状态一目了然。计算机和可编程控制器的硬件连接及可编程控制器与各控制端、状态点的连接如图1所示。

图1 可编程控制器接线示意图

图1中，输入到可编程控制器的检测点可分为按键类和光电开关类。按键类主要有：启动、停止、帮助、诊断、查询、复位按键等。光电开关类主要有：张力轮位置、张力杆位置、左右托位置、左右盘位置、抓勾位置、左右防护位置、排线位置、排架位置、光电开关等。可编程控制器的输出用来控制循环水、退火水、吹干风机及各种电机的启停等。

可编程控制器不断读取输入端，按既定的控制方式对输入端的状态进行逻辑运算，然后将运算结果经输出端输出（即进行控制），从而保证生产线的可靠、连续运行，同时将本系统的状态按某种协议反映给上位机，上位机处理可编程控制器和其它设备的信息，作出响应，并以图表的方式显示，使操作者能随时掌握生产线的工作状态，以便在需要时进行调试。

四、通讯连接及程序设计

上位机和下位机进行数据交换的方式有很多，如网络方式、485方式、rs232方式等。由于在电缆生产线中，上、下位机之间距离较近，因而我们选用了rs232方式，其硬件连接如图2所示。

图2 可编程控制器与计算机连接示意图

图2是我们使用三菱公司的fx2可编程控制器与计算机的连接方法。可编程控制器端使用了fx -232adp串行通讯模块，即可编程控制器与计算机之间以rs232方式进行数据交换。当可编程控制器与计算机的距离比较远时，也可以485方式进行数据交换，只要在计算机中插一个485接口板，并将可编程控制器的adp- 232模块换成485模块即可。

1、可编程控制器通讯程序设计

在可编程控制器与计算机通讯之前，必须设置相互认可的参数，这些参数有：波特率、停止位和奇偶校验位等。可编程控制器通讯参数通过寄存器d8120的位组合方式来选择，其各位定义如下：

b0 数据长度：= 0 ，7位； = 1， 8位
b2b1 校验： = 00，无校验； = 01，奇校验； = 10， 偶校验
b3 停止位： = 0， 1位； = 1， 2位
b7b6b5b4 波特率；
= 0011， 300 bps； = 0100， 600 bps；
= 0101， 1200 bps； = 0110， 2400 bps；
= 0111， 4800 bps； = 1000， 9600 bps；
= 1001， 19200 bps；

可编程控制器通讯适配器fx - 232adp的命令为ram òn，其中s设定了传送数据的缓冲区首址，m为从首地址开始的第m个顺序单元，d为接收数据的缓冲区首址，n为接收数据的n个顺序单元。可编程控制器完成一次传送的程序流程如图3所示。

图3 可编程控制器发送数据流程

m8000是当plc运行时，处于接通状态的特殊辅助继电器。

可编程控制器是以循环扫描的方式工作（如图4(b)所示），即按顺序反复地执行一条一条指令。如图4(b)所示，in为一组输入指令，即一组将接点状态读入可编程控制器的指令，mem为一组记录接点状态的指令，cal为若干条完成控制所需的计算、处理指令，out为执行控制和一组输出指令，trn为若干条向串行口发送数据的指令，依次反复执行in、men、cal、out、trn，从而完成控制和数据交换的任务。由此可见，可编程控制器从串行口送出的数据是一个分段连续的数据流，如图4(a)所示。

(a) 可编程控制器发送的数据流

(b) 可编程控制的工作流程
图4

图中dn（n=1,2……n）为连续从串行口输出的n个数据，在trn之外的时间里串行口并不工作。这样，当计算机在接收可编程控制器的数据时，就需作如下考虑：

1)首先应找到数据流的首部，因为计算机对可编程控制器的访问具有很大的随机性，当计算机在读串行口时，有可能读到的是数据流中的任何一个数据，因而，只有找到数据流的首部，然后读到的数据才是正确的、完整的数据。

2)计算机读串行口时，应有足够的等待时间，如果计算机读串行口时，恰好读到的是数据2（d2），由于本次读到的数据不是完整的，因此计算机大约需要等可编程控制器的一个扫描周期才能读到一组完整的数据。

2、计算机通讯程序设计

在设计电缆自动生产线检测控制系统时，我们已明确了可编程控制器向计算机发哪些数据，即计算机读可编程控制器数据的个数m已知，因此可以用该数据个数m来判断所读数据是否完整。初始化串行口就是将可编程控制器和计算机串行口的波特率、停止位、校验位、数据位等设置为相同。为了使计算机能够准确找到数据流的首部，我们根据该数据流的特点和可能出现的情况，定义了03ffff为数据流的首部，即可编程控制器发送的个数据为03，第二个数据为ff，第三个数据为ff，然后依次发送可编程控制器的数据。计算机读取数据时，首先检查读到的是不是03，如果是03，再读下一个数据并检查是否为ff，若是，再读下一个数据并检查是不是ff，若是，则认为读到了数据流的首部，接着读取数据，如果上述任意一项检查不符，则认为没有读到数据流的首部，再重复上述检查，直至读到数据流的首部为止。这样既保证了数据交换的正确性，也保证了数据交换的完整性。

，我们在分析了可编程控制器的工作流程、串行口工作方式和系统工作情况的基础上，设计了数据流的首标志，设定了传送数据的个数，以此来判断计算机所读取数据的位置及数据的完整性，并以这种方式设计了通讯程序，实际证明效果良好。

五、结论

本文简要介绍了可编程控制器的性能、特点，在电缆自动生产线中将可编程控制器与计算机以rs -232的方式连接，并设计了相应程序。按照这种连接和设计，我们完成了计算机与可编程控制器的通讯，实现了电缆生产线的检测控制系统，实际运行良好

图1 混捏机控制及辅助装置的系统控制图

3、plc控制系统设计

一个设计良好、性能优越的控制系统，必须有高质量、高性能的硬件配置才能保障佳控制目的实现。由于混捏机控制系统的实际控制量较少，采集的参数种类较多的特点，采用s7-200plc能完全满足其控制要求。另外s7-200plc是以profibus-dp为通讯模式，其高速（数据传输率高达12mbps）且优化的通讯方式，适合现场级控制系统与分布式i/o及其它设备之间的主从通信。其plc的主要配置分别为：处理器选用cpu315-2dp；数字输入模块6es7321-1fh00-0aa0 6块；模拟输入模块6es7 331-7nf00-0ab0 2块；数字输出模块6es7322-1fh00-0aa0 4块；模拟输出模块6es7 332-5hd01-0ab0 1块；模块前连接器6es7392-1bj00-0aa0 13块；im365本地扩展模块（6es7 365-0bj01-0aa0）1块；电源模块ps307 51块；dp总线连接器（6es7972-0bb50-0xa0）2块；监控装置为触摸屏tp270（10寸带profibus接口）。其原理如图2所示。

图2 plc控制混捏机及其辅助系统原理图

由于数字输入模块具有各组之间、组与数据总线间均设为相互隔离，其输入信号可直接接至模块上，也可用继电器隔离后接入模块，其输入模块内部原理如图3所示。

图3 plc数字信号输入模板接线图

另外，由于模拟输入模块各通道之间、通道与数据总线间随具有隔离功能，但因混捏机调速系统、辅助控制系统以及现场各信号采样传感器电源回路、电压高低不同，为使plc系统工作安全、可靠，一般要求其各输入信号必须隔离。此外对于远程采样信号，为tigao测量准确性，其输入信号均采用电流信号输送。对于无源输入信号，而且传输距离短的传感器信号，可直接输入。其模拟输入模块的内部原理如图4所示。

图4 plc模拟量输入模板接线图

在模拟模块输入接线中，要考虑实际采用的传感器的引线根数，对于多数4芯传感器接线，则采用图5接线方式；对于2芯传感器接线，则采用图6接线方式。

图5 热敏电阻与模拟输入模块的四线连接

图6 热敏电阻与模拟输入模块的两线连接

3.1 混捏机控制及保护系统的设计

在混捏机调速控制系统中，除调速系统硬件设有过压、过流、限速、短路、可控硅击穿等保护措施外，还设置了多个plc软件保护功能。如速度给定大速率限制（设置以5r/s变化；防止升、降速过快问题），高、低速度限制设置，紧急停车机及失误操作等其它不正常操作。通过严密的逻辑关系和软件监测，实现了混捏机操作互锁、运行监控及故障报警功能；特别是对混捏机瞬间过电流的监控，解决了混捏料中因金属硬质物混入导致的搅刀被打断的问题，避免了混捏机的重大故障的发生或故障扩大的问题。

保护系统是设备应具备的基本功能，尤其是重大关键设备，其这方面的要求更加重要。在实际中，根据设备的运行安全的要求、现场复杂性以及对操作人员产生的可能伤害等要求，采取可靠的保护措施和防止手段，是设备控制必须的性能。为此，在混捏机电控系统中，应用plc实现如下保护措施，完全满足了混捏机实际运行要求。

（1）电枢电流的上限设置。根据混捏机的实际工作要求，对其电机电枢电流的上限设置为两种保护功能：对于较小范围的过流（如负载扰动引起的过流），设置电枢电流达到设定的电流值360a（相对于混捏量为16t/h而言。由于混捏料量多少不同，其电机电枢电流相应的也不等，应根据实际混捏料量确定；如混捏量为17.2t/h，其工作电流上限设为380a较为适合），允许过流时间设定为45秒（可在10～300秒内选择），超过设定时间，电枢电流仍然处于过载范围，则plc给混捏机调速装置发出故障信号，系统立即封锁主整流可控硅触发脉冲，使电枢主电路输出中断，并启动报警器工作；第二种保护设置是防止混捏机突发故障，引起主电机电枢电流超过一定值（如410a对应的混捏量为16t/h；若混捏量为17.2t/h，则动作电流值设为435a才能满足实际要求）的特殊情况，则设置立即启动保护功能（由于plc扫描周期为100ms，故系统实际会延时100ms后才动作）。在实际中，导致这种大电流出现的原因一般有以下几种情况；如电机电枢绕组绝缘损坏、可控硅击穿、闭环控制系统出现大的振荡、电机集电器或炭刷等处短路、混捏机传动机构工作异常、混捏筒体内有螺栓或金属硬质物混入等异常故障，引起混捏机瞬间大电流出现。由于这类突发故障会造成混捏机整体机构严重的破坏和损害，故其控制系统要有灵敏的、高可靠的保护措施。例如2005年6月1#混捏机发生的11付动、静搅刀被混入混捏料中的螺栓打断的故障，造成数百万元的经济损失。另外又必须避开混捏机正常实际生产中小负载波动的情况。

（2）自动爬行速度和高速度的设置。混捏机属重负载设备，其启动后必须设置自动爬行速度功能。即混捏机启动后，其调速系统自动进入速度从零加速到一定的转速运行状态。另外对于减速操作，换设置了当进行减速操作时，电机速度下降到爬行速度时，会自动停止速度递减，保持低速度运行，直到停止按钮按下后系统才会停车，这种设置是为了防止混捏机工作在堵转大电流异常状态。

高转速限制。混捏机在进行升速操作过程中，有时因操作失误、或其它原因，会使调速系统给定无限增大，导致电机转子实际转速超过电机的额定值。为防止这种异常情况发生而设置的一种控制功能，当升速操作使电机转速达到额定值98%时，升速操作则失效。

（3）超速保护。混捏机拖动电机转子额定转速为1500r/min。而直流电机实际运行中，由于各种原因（如负载突然降低、弱励磁、失磁等异常）其转速有时会超过额定转速，在设备安全要求下，必须采取一定的措施。为此混捏机主电机设置有超速保护功能，当实际转子转速超过额定值的105%时，plc采样到的实际转速信号与设定值比较，监测超速后立即向调速装置发出超速保护信号，系统立即封锁可控硅触发脉冲，使其输出（输出电压和电流）降为零，plc同时启动报警系统工作。另外，混捏机还设置了第二级机械式超速保护措施，其转速离心保护器与主电机转子轴相连，当其转速达到1500r/min时，离心开关动作，断开系统主电源，实现超速保护功能。

（4）励磁欠磁保护。直流电机励磁工作电流一般不允许低于规定的值。较低和波动较大的励磁电流会引起电机失速，甚至飞车现象，故须采取可靠的欠磁保护装置。混捏机直流主电机励磁额定电流为7.8a，低于5.6a属弱磁(欠磁)运行状态。虽然主调速系统采用了欠磁继电器（其释放电流在40%—90%范围内可调）保护。当励磁电流低于设定值时，其欠磁继电器会释放，断开系统控制电源，达到欠磁保护目的。但欠磁继电器灵敏度低，误差大。为此在plc控制设计中，应用可编程控制器的软件程序，实现励磁电流的检测、比较、异常报警等监控功能，tigao了欠磁保护的准确性和灵敏度。

（5）热交换器控制及保护设置。中、大容量直流电动机均设有独立的自冷却系统，是一种封闭的、自循环冷却装置，采用plc实现启、停及运行状态监控，使冷却装置工作更加安全、可靠。当plc检测到机构工作状态异常（如冷却水断流、过滤网堵塞或循环风机停机等异常）时，立即向操作室工作人员发出声光报警，工作人员可及时采取必要的处理措施，报警状态持续180秒后（故障还未排除），则plc自动使混捏机降速至停机。

3.2 辅助设备的控制设计

连续混捏机的辅助设备减速机冷却油给定、各润滑点的周期性喷油以及液压系统等控制均采用plc控制和实现，解决了原系统因采用时间继电器、延时器等控制器实现的控制中存在的多故障、保护不完善，润滑不到位、工作不稳定的问题，增加了润滑系统工作的可靠性和保护系统的安全性，也是其电路简单，便于参数调整和维修。

（1）润滑装置的监控设置。混捏机润滑装置、减速机冷却机构的可靠工作，对于混捏机正常运行至关重要，每一处的润滑异常都会引起混捏机的机械装置重大损坏，甚至导致重大事故发生。因此其各个润滑点的喷油时间、间歇时间设定适当，工作可靠、稳定。由于润滑参数的设置与工作环境、设备运行状况等有关，环境温度越高、粉尘浓度越高等环境越恶劣，机械磨损程度越严重，则其润滑周期应越短，喷油量要多些（但过多又会出现设备漏油和润滑油浪费问题）。其润滑时序如图7所示。

图7 混捏机各润滑点喷油时序图
注：1.tn-1为喷油时间 tn-2为间歇时间；

由于润滑装置的给油量一定，同时只允许多两个喷油嘴供油。

混捏机主轴上设有5个润滑点，其采用间歇、周期性、自动喷油方式润滑。在混捏机运行中，润滑机构工作异常（如每一喷油量不足，或间隔时间设定不合理），会使润滑点润滑不良，引起局部过热现象，plc检测到该处温度超过设定值时（一般设定为55℃），则发出故障报警，故障持续6分钟后，plc会自动降速并停机。

（2）冷却装置的监控设置。混捏机减速机冷却装置也是重点监控的重点之一，由于混捏机的工作制是连续长期运行方式（每个生产周期均达到50多天），其减速机承担着两种运行方式（大轴自转和前后移动）的减速和转换工作，且负载非常重，其发热量十分大，故要求冷却装置的工作必须可靠、运行良好，监控及时、准确。为此在应用plc实现其控制中，对6个冷却点的油路liuliang、压力进行测量，监测有断流（断流时间不允许超过180秒）、或供油不足，则发出报警。由于冷却系统工作不正常会引起机械部件局部高温，导致齿轮、轴承等部件退火，加速机械磨损等现象。故其供油装置的油泵运行、各管路内油liuliang、减速机温度（6处）均要求设置监控点。

4、结束语

根据三个生产周期的（6个月）运行，并对混捏效果、电机参数、工艺条件等指标长期测量和监控，以及对阳极混捏料质量测定、比较，其结果证明改造效果良好。每个生产周期内混捏机的电控系统故障平均降到1.2%（改造前每个生产周期平均为11.6～19.2%）；其次，应用plc实现了混捏机可靠调速操作和的多级保护功能，电机主电流两级保护的设置，解决了混捏料中因混入的金属物，而使多组搅刀被打断的重大设备事故的发生；此外，plc的应用，tigao了润滑、冷却等辅助装置的工作可靠性，改进了原控制系统的缺点和多故障问题。该厂连续混捏机控制系统应用plc完成改造后，取得了显著的效益。达到了高质量、低成本、稳定可靠的设备运行目的