西门子6GK7343-1EX30-0XE0功能参数

1 引言

　　染色工序在纺织品生产中占有重要地位，染色质量直接决定了纺织品的色泽、外观，甚至还影响纺织品的生产成本。在染色工序中，影响染色的因素主要有染液浓度、温度、液位等，其中温度控制是很重要而又复杂的控制过程。染色过程实际上是执行由工艺人员针对不同织物的一条温度曲线，每个工艺对染色的温度、升降温过程都有严格的要求，否则，容易使织物产生色差、缸差、条痕等疵点，造成复染率上升，生产成本的增加。针对染色过程温度控制的复杂性，设计了基于PLC 的染色机温度控制系统，实现对染色过程温度的控制，从而减少织物疵点，提高生产效率，降低生产成本。

2 系统控制要求

　　1）温度曲线存储要求对于不同的染色品种，其对温度的要求是不同的，因此对应的温度工艺曲线也是不同的，若将所有染色品种的温度工艺曲线都存入现场温度控制器中，则对该控制器的内存要求非常高，导致系统臃肿，因此本系统设计通过一台中控机，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在中控机上输入后经PROFIBUS—DP 现场总线下传给现场控制器，现场控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制，同时现场控制器可以随时向中控机申请修改温度工 艺曲线的参数。在网络中断时，现场控制器可以保存当前的温度工艺曲线，并且具有断电长期保存当前温度曲线的功能。

　　2）温度控制要求

染色工艺可以分为多个曲线段，不同的曲线段对应不同的温度。对染色过程的温度控制主要是对染槽升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温分为直接升温到指定温度和按斜率准确地升温到指定温度；同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地降温到指定温度。因此温度控制分为五个子程序：直接升温、按斜率升温、保温、直接降温、按斜率降温。直接升温还是斜率升温、直接降温还是斜率降温根据实际需要通过中控机设定，而后由现场控制器PLC 的主程序调用相应子程序。

　　3）报警及显示功能

　　为系统设置了一个 TD 200 文本显示器，显示染色过程中的一些操作和报警信息，该显示器适用于所有西门子S7-200 系列的PLC。

　　4）中控机监控要求

　　采用西门子公司的WINCC 实现中控机对现场PLC 的监控，主要实现当前温度显示、动态温度曲线显示、温度等参数设置、报警记录和打印报表等功能。

3 系统的硬件构成

　　本系统采用西门子公司推出的 S7-200PLC 作为现场控制器，选用CPU226 主机模块；通过CP5613 卡完成现场控制器同中控机之间的通信。现场控制器S7-200 扩展了一块智能温度数据采集模块EM231，该模块带有4 个模拟输入点，集成有16 位/转换器，分辨率达0.1℃，能自动进行线性化处理，有冷端补偿功能，不再需要外部变送器，一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。系统的温度信号的检测采用铂电阻PT100，铂电阻具有测量精度高、性能稳定可靠的特点，在工业上广泛用于-200℃~+500℃之间的温度测量。由于现场控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 现场总线相连，因而为S7-200 外扩了PROFIBUSDP 模块EM277。

　　对于不同的染色品种，对应的温度工艺曲线也是不同的，若将所有可能用到的温度曲线存入现场控制器中，则对现场控制器的内存要求很高，因此本系统设计通过中控机，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在中控机上输入后经PROFIBUS—DP 现场总线下传给现场控制器，现场控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制，同时现场控制器可以随时向中控机申请修改温度工艺曲线的参数。在网络中断时，现场控制器可以保存当前的温度工艺曲线，并且具有断电长期保存当前温度曲线的功能，同时可以将现场的温度等信号上传至中控机，形成监控界面，如果需要可以通过网卡将中控机同工厂信息网以及Internet 网相连，实现底层到高层的信息共享。

4 系统的软件设计

　　染色工艺可以分为几个曲线段，不同的曲线段对应不同的目的温度、升降温时间、保温时间。对染色过程的温度控制主要是对染槽升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温分为直接升温到指定温度和按斜率准确地升温到指定温度；同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地降温到指定温度。因此温度控制分为五个子程序：直接升温、按斜率升温、保温、直接降温、按斜率降温。直接升温还是斜率升温、直接降温还是斜率降温根据实际需要通过中控机设定，而后由现场控制器PLC 的主程序调用相应子程序。由于间歇式染色机的染缸体积较大，加热管道与冷水管道相对较小，造成比较大的温度惯性，一般可将其认为是一种具有纯滞后大惯性的被控对象，因而在升/降温段采用趋势判断补偿法，如果是升温，则在温度到达T 目标温度-△Ti 时停止升温；若是降温，则在温度到达T 目标温度+△Tj 时，停止降温，其中△Ti、△Tj 为补偿温度。由于温度控制的程序都在现场控制器PLC中，但是染色工艺参数是从中控机下传给PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根据接收到的来自中控机的数据进行判别，再执行相应的子程序。在下传的数据中包括目标温度、斜率、保温时间等，因而PLC 可以根据这些数值判断升温、保温、还是降温。但是判断升温、降温、保温，光凭目标温度、斜率、保温时间不能得到jingque的判断，因而使用前一曲线段的目标温度辅助进行判断。（说明：T*为本曲线段的目标温度，T*′为前一曲线段的目标温度）

下面以斜率降温为例，说明 PLC 的温控过程。首先在主程序中判断当前目标温度是否小于上一步目标温度，再判断斜率不等于零，若满足这两个条件，就按照指定斜率降温。在斜率降温时，将降温段曲线按时间分成若干个相等的小间隔，对每一小间隔计算出相应的温度作为这 一小段的温度给定值，因而工艺曲线的降温段可以用阶梯性表示，如图3 所示，又因为染机的大惯性，因而降温曲线段可由图4 表示。只要每一间隔的时间足够小，则计算的每一间隔的温度给定值与理想值的偏差就可忽略。本系统采用采样时间将降温段曲线分成相
两次目标温度比较斜率K 保温时间t 当前动作图示

　　K≠0 t="0" 按斜率升温
　　T*-T*′>0 K≠0 t≠0 按斜率升温后保温
　　K=0 t="0" 直接升温
　　K=0 t≠0 直接升温后保温
　　K≠0 t="0" ERROR
　　T*-T*′=0 K≠0 t≠0 保温
　　K=0 t="0" ERROR
　　K=0 t≠0 保温
　　K≠0 t="0" 按斜率降温
　　T*-T*′<0 K≠0 t≠0 按斜率降温后保温
　　K=0 t="0" 直接降温
　　K=0 t≠0 直接降温后保温

  在斜率降温时，为了能准确的控制温度值，设定了差温报警值Te 和控制输出域值Tc，根据温差△T 与它们的比较，得出以下控制规律：

　　a． △T＞0
　　1． △T≥Te，则全开冷却阀并显示“降温太慢”，同时报警。
　　2． Tc＜△T＜Te，则开始PID 控制，得出控制量U 作为冷却阀开启时间。
　　3． △T＜Tc，自然动作，当前采样周期数加1。
　　b． △T ＜0
　　1．|△T|≥Te，全开加热阀并显示“降温太快”，同时报警。
　　2．|△T|＜Te, 关闭冷却阀，并将当前采样周期数加1。

5 结束语

　　本系统结构灵活，通过PROFIBUS-DP 总线将现场控制器互连成网，用户可以在中控机上编辑各种条件下的温度曲线，通过总线快速下传给现场的控制器，使其依据接收到的温度曲线控制染色过程中的温度，同时可通过PROFIBUS—DP 控制网络实现现场数据的上载。

　　本系统不但可以实现温度控制，而且根据需要还可扩展其他染色工艺过程的控制如水位、液位等参数的控制，具有良好的发展前景。

　　本文作者创新点:采用S7-200PLC 作为生产现场的控制器，完成温度控制，本系统能及时准确地控制染色产品的质量，将产品的质量隐患消灭在现场，保证染色一致性和一次准确化；通过PROFIBUS—DP 总线实现快速响应、高效率、低成本生产，大大提高染整设备的自动化、连续化、智能化水平，同时，应用网络通信技术可为间歇式染色机与染色厂企业信息管理层、互连网的连网提供了基础，使设备的控制系统具有开放性的体系结构。

1 引言

　　西门子S7-200PLC由于其体积小，可靠性高，通讯功能强大等特点，在工业控制领域得到广泛的应用，使用S7-200PLC高性价比的自由口通讯协议实现人机界面灵活方便。目前S7-200PLC接收计算机指令数据主要有两种方法：种方法是使用PLC自带的RCV指令来接收计算机数据；第二种方法采用PLC提供的“接收字符中断”方式，将SMB2(自由口接收字符缓冲区)定义指针，使用指针接收数据。

　　使用“RCV"指令接收数据的方法虽然简单，但在接收大量数据的时候每次都要依次接收，大大降低了数据传输效率。在本实验室的一套机电一体化控制系统中，人机界面设计要求是：界面可以向PLC写入QB0、QB1、QB2、传感器采样周期、一个判断指令、AQ0、AQ1等不同指令数据。若一次上位机写指令仅仅是控制QB0.3的启动，为了写入QB0则需要将9 B的数据全部发送，由于PLC内接收数据是用“RCV”指令，必须将9 B的数据依次存储，这样会造成数据传输线路中的时间过长产生延时，降低数据传输的效率，甚至导致误码出现，显然这种使用“RCV”接收大量数据的方法不太适合。

　　使用PLC提供的“接收字符中断”方式，将SMB2(自由口接收字符缓冲区)定义指针，使用指针接收数据。此方法若仅仅定义一个指针，其效果和“RCV”指令是一样的。但此方法由于其使用起来比较灵活，故本文设计了一种多地址指针接收数据的方法，即在计算机向PLC写入数据时，仅写入指针判别的代号和对应数据就可完成上位机对下位机的写指令，不同的代号对应不同的地址，与以往使用“RCV”指令相比，有效地减少了写指令的数据，提高了通讯效率。本文在设计PLC与上位机的串口通讯中设计了此种方案，尚未见其他同类文章使用。

2 指针判别

　　在PLC与计算机的自由口通讯中，为消除“RCV”或单指针接收计算机数据带来的大数据流，本文在计算机每次向PLC发送指令时，个字节总是模式的代号，从第二个字节开始才是指令数据的内容。在PLC接收数据时，个数据进入“自由口接收字符缓冲区”SMB2时，PLC通过“选择指针”先接收的是指针判别的代号，通过接收代号的数值比较来判断该指令数据对应的是哪种数据，判断完成后定义一个地址指针接收并存储这种数据的内容。不同的指针判别代号对应不同的地址指针，因此计算机每次写入PLC指令时发送的指令数据都是由两部分构成：部分为指针判别代号，第二部分为指令数据的内容。指针判别过程是PLC内接收到判别代号后进行数值比较。指针判别的意义就是通过一个总指针接收模式代号，用不同模式代号再定义多个指针完成不同种类的指令数据的接收与存储。

3 具体应用方案

　　在设计本实验室的一套电液伺服控制系统中，上位机的人机界面使用VB 6.0编程，下位机的通讯模式为自由口通讯。人机界面设计要求：界面可以向PLC写入QB0、QB1、QB2、传感器采样周期、AQW0、AQW2等不同指令数据，PLC在定时中断内使用XMT指令周期地向上位机发送变量存储器VB1～VB21中的待监视数据(包含PLC中的数字量与模拟量)。由于在设计中上位机写入PLC指令数据种类较多，其中包括定时中断的时间设置、状态位值的写入、模拟量扩展模块的输出等，故本文的模式选择可以将种类不同的指令数据用多个指针接收并存储。以便结合PLC程序来说明多地址指针方案的具体实现方法。

4 注意要点

　　由于在本设计中PLC每次接收数据，个字节“指针代号”进入SMB2时，在一次中断事件内，指针代号的数值也存储在每个指针对应的个存储地址中，因此每个指针接收数据时从第2个字节起才是指令数据的信息内容，个字节都是对应该指针的代号，否则会出现数据传输错误。在PLC程序设计时需要为每个指针预留个存储地址来存储该指针的代号。

　　故上位机每次向PLC写指令时，个数据内容是指针代号，通过上位机程序中直接赋值即可实现；从第2个数据开始为上位机的控制指令。

5 结 语

　　本设计方案已在实验室机电一体化控制系统的人机界面中成功地应用。系统运行稳定，大大减少了与上位机操作指令无关的数据传输，可jingque高效地将上位机指令数据写入目标地址，有效解决了串口通讯中出现因大量数据传输而造成的延时。