6ES7216-2BD23-0XB8质量保障
应用摘要
制药行业是受政府管制为严格的行业之一，因为不合格的药品会威胁人的生命和健康。各国相应的管理机构都建立了相关的法规和标准，用于药品的生产和控制，药业企业也需强制遵守相关的法规与标准。GMP(药品生产质量管理规范)认证是一个建立规定文档的过程，这些文档提供了一种保证，即某个生产过程可以稳定的生产出符合规范和质量的产品,严格按照GMP进行规范管理和组织生产。目前，美国食品与药品管理局和各国响应的管理机构都越来越多地强调计算机系统的作用，相应的标准也在不断的提高，制剂车间监控系统就是要满足计算机系统认证新标准的要求。杭州某药厂为了提升产品生产的管理和控制水平，计划在新建的制剂车间采用计算机联网方式集中监控制药机具和车间的安全生产，以满足国际和国内对中药生产质量控制的要求。
应用领域
医药
方案内容
方案背景：
杭州某药厂制剂车间是一座4层楼建筑，每层面积约2500平方米。每层分别安装相应制药机械，包括：5台制粒机、5台压片机、3台包衣机、2台胶囊机及2条包装流水线。
在该建筑内规划设计内部局域网络，视频监控系统、制药机械的监控等均基于局域网建设。在每楼层上安装一台工业控制主机(带触摸屏，简称上位机)，用于控制该楼层的每台制药机的PLC系统，并负责与总监控室的服务器通信。在各车间安装24个摄像机用于安全监视，其中16台可控摄像机、8台固定摄像机。
根据规划在一楼设立总监控室，安装24台监视器用于各车间的实时监视，安装一套大屏幕投影用于将计算机内容显示，安装三套控制台用于放置总监室的计算机。
根据项目需要开发一套软件系统用于固体制剂车间的信息反馈记录、生产跟踪、相应报表打印、生产工艺控制、视频监视等需求。
上位机(车间内的PC)可分别连接和监控各类制药机械的运行操作和工作状态参数,打印相应报表，并在授权级别允许情况下更改特定的设备运行参数。
生产过程中的数据(参数和视频数据)上传到总监控室，集中监管，实时显示，可按照用户自定义要求保存重要的历史数据，并产生相应历史报表。
可以通过设备的PLC、前台PC(上位机)和管理工作站(PC)进行参数设置，设置参数要有级别区分，别用户的设置不能由低级别用户更改。
在设备停止状态下,可利用计算机模拟设备的运转和生产流程,有动画显示界面,相应的参数可查询。
方案功能：
制药机械的联网监控是本方案的重点，主要内容包括：
1.设备监视部分：包括设备运行状态，设备操作状态的所有状态参数可上传到信息中心显示并保存到数据库，供查询和统计分析，实时处理相应设备的异常信息，提醒管理人员及时排除故障。这些保留的历史信息参数可作为模拟运转的基础数据。
2.设备控制：分级别的控制参数(如速度参数)设定,别用户的设置不能由低级别用户更改，具体级别授权由登录用户的身份确定。可以在网络的任何一台工作站(通过授权)，也可以通过设备的PLC、上位机进行参数设置(同样通过授权)。
3.车间的各个设备运行于生产线的各相应位置，在同类设备相对集中的区域安置一台PC机(上位机)，通过RS232线路与设备之间相联;各台PC机之间通过IP网络连接，并通过局域网连接服务器，各设备的上传参数集中存放到中心的数据库服务器中。
4.任何联网的PC可作为工作站，任何工作站都可以实时监控车间各工位的操作情况和设备运行情况，并根据实际需要对部分设备的运转参数进行远程控制。
5.PC机上运行的系统由以下几个部分组成：
工位视频监控：显示操作现场的实际画面
设备运行监控：现实设备运行状况
报表产生和打印：通过自动统计设备的工作能力和时间，计算出日报单，也可以随意统计各时间段的工作量，通过配置的打印机打印
设备运行控制：部分设备的参数设置和控制
系统模拟显示：根据工艺流程通过动画显示运行状况和流程
统计分析：根据各种指标对于日常工作进行多方位的统计分析，供管理层参考。
技术路线
网络是本系统实现的基础，不仅要考虑系统的合理性，更要考虑系统的可靠性和可扩展性。在设计贵公司网络系统时要综合分析多种网络系统和产品各自的特点，保证建成的综合布线系统的合理、稳定、可扩展性，又有好的性能价格比。
网络连接拓朴图如下：
网络连接拓朴图
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我们选用华为的S3526三层交换机(24口)作为本系统的主干交换机，选用S3026二层交换机(24口)作为终端设备接入设备，提供100M到桌面的网络带宽。
S3526安装在1层总监控室的机房中，2-4层各安装一台S3026交换机，3台S3026与S3526直接连接;在1层的所有系统服务器、网络视频服务器设备、管理机、上位机等直接连接在S3526交换机。2-4层的上位机、网络视频服务器设备连接到各层的24口交换机上。
制药机联网示意图如下：
制药机联网示意图
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制剂车间各层制药机械通过由设置在各层的上位机与其PLC控制器连接，每层中各种类型制药机械统一由该层的上位机控制，并通过网络与总控室的服务器连接。
目前设备远程控制在远程数据采集、安防、设备监控等领域得到广泛应用。本文以三菱PLC的远程控制为例讲述卓岚联网产品在设备远程控制方面的应用。提出了域名系统、NAT技术、断网恢复机制是实现设备远程控制的三大关键技术。
在该应用案例中，用户具有分布于世界各地的PLC，用户想通过任何一台能够连接到Internet的计算机对PLC的工作状态进行访问和修改。远程控制技术，避免了用户需要到现场诊断的麻烦，节省了人力物力。
上海卓岚科技的联网产品包括：嵌入式设备联网模块、串口服务器等。使用卓岚联网设备进行设备远程监控的示意图如下图所示。
如图所示假如用户设备是一个类似PLC的带串口（DB9）的设备，则可以通过卓岚串口服务器连接到网络；如果用户设备电路板是可以重新设计的，则可以选用卓岚联网模块，并将其集成到用户电路板。两种方案在原理上是相同的。
在远程计算机端，卓岚科技提供了3种方式方便用户和联网产品通信：
1．卓岚设备管理DLL+VB等程序。提供的DLL设备管理函数库，可以被用户程序所调用，用户只需使用提供的open、close、send、recv
函数，即可实现通信。
2．串口程序+虚拟串口驱动。例如三菱PLC需要通过MELSOFT开发环境和PLC通信，某些Modbus设备则通过三维力控软件和设备通信，它们
都是现成的串口程序。使用卓岚虚拟串口驱动，可以在网络化升级后，仍然使用这些串口程序。
3．Socket网络程序：对于用户，可以选择通过TCP/IP直接和联网产品通信。
2.域名（DNS）系统
域名系统的支持是远程控制的关键技术。目前网络接入以ADSL接入网络占绝大多数，若远程计算机通过ADSL联网，每次的IP是不同，必须解决设备如何知道远程计算机IP的问题，解决的方法是动态域名系统。
在卓岚远程控制技术中，远程计算机通过动态域名服务在每次联网时都可以获得全球唯一的域名，例如yourname.gicp.com。卓岚联网产品支持域名，可以用域名指定通信的的目的地址，例如将其设置为yourname.gicp.com。
这样，无论远程计算机在何时何地通过ADSL接入网络，卓岚联网产品都可以在时间和其建立TCP连接。
3.网络地址映射（NAT）技术
NAT技术是解决两个内网之间计算机如何互联的技术。对于初次接触TCP/IP的用户，可能对于内网IP（例如192.168.0.200）、外网IP（例如114.123.223.12）、外网计算机如何访问内网计算机比较迷惑。外网计算机连接内网计算机时，不能简单地向该计算机的内网IP发起连接。这里关系到网络地址映射NAT技术。NAT技术可以在ADSL路由器上做一个NAT映射，将用户的内网IP映射为外网IP和端口。
在卓岚的设备远程控制应用案例中，提供了如何使用网络地址映射（NAT）技术实现网络连接的操作步骤，由于篇幅所限这里不详述。
4.创新的断网恢复机制
TCP连接的不正常中断在设备远程监控中比在局域网中更加常见，因为在Internet环境下，中间的任何一台路由器出现问题都可以导致连接中断。
断网在远程监控中产生如下问题：假如客户端和服务端建立TCP连接后，服务端由于掉电等原因重新启动，那么客户端将不再能够和服务端建立连接。原因很简单，因为客户端认为连接已经建立，这导致了服务端无法向客户端发送数据。
心跳包技术是目前常见的断网恢复机制，该方案并没有写入TCP/IP规范，原始是心跳包技术存在很多争议的负影响，例如增加了网络负担等。
卓岚的设备管理DLL库和虚拟串口驱动内部集成了创新的断网恢复机制，采用优于心跳包的技术，可以在服务端、客户端、中间路由器任何一方断网情况下，迅速恢复连接。
5.
域名系统、NAT技术、断网恢复等关键技术保证了使用卓岚产品在实现PLC的远程监控方面的方便性、稳定性。
摘要：本文就某印*机械生产厂家印*机目前存在的问题，提出了基于OMRON系统的印*机整体解决方案，并详细的分析了原系统的缺点和改造后的系统的优点。实践证明，印*机采用OMRON系统改造后稳定可靠，成本低廉，先进实用，具有极高的
市场推广价值！
关键词：可编程控制器（PLC），变频器，伺服系统，触摸屏，旋转编码器，无协议通讯，功能块等。
1.引言
*据印*机是印*机行业中一种常用的机型，对机器的控制精度，伺服的响应时间都有很高的要求，以前主要靠进口，成本投资比较大。近年来，随着可编程控制器（PLC）在通讯功能和高速计数以及脉冲输出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋变频器＋触摸屏组成的整个系统在印*机上应用成为可能。国内众多的厂家都相继开发出各自的*据印*机械，繁荣了国内的印*机市场，有力的抵制了国外品牌的入侵，巩固了国产印*机的市场地位，并在性能上日益得到完善。烟台某印*机械生产厂家委托上海某厂家开发的基于西门子S7-200可编程控制器＋松下伺服＋海泰克触摸屏＋台安变频器的系统解决方案以其低廉的成本，稳定的系统配置赢得了客户的青睐，取得了良好的业绩，但也存在诸多的问题，如系统调试周期时间长，印*速度低，改变转速必须停机断电等缺陷，在此不一一细表，后文有叙。应客户要求，经过本人分析探讨，后确立了基于OMRON系统的整体解决方案，以减少和改进原系统的缺陷，提升机器的性能。
2.控制过程及存在问题
2.1 原先*据印*机的控制过程
原先*据印*机的控制过程是这样的：由一台主电机拖动印*机的两个滚筒（两个滚筒可印*两种颜色）单方向旋转，主电机采用变频器进行宽范围调速，主电机轴上装有旋转编码器用来测算主轴电机的速度；由一个电磁铁来控制滚筒的离压和合压。在合压情况下，滚筒压紧*据进行印*；采用伺服控制进给纸速度，以便使伺服电机的线速度和主轴电机的线速度保持一致，由于是两个滚筒，它们之间可能存在速度上的差别，采用两套伺服。当伺服电机的速度大于主轴电机的速度时，合压后将会在滚筒和伺服电机之间堆纸，当伺服电机的速度小于主轴电机的速度时，合压后纸张将被扯断，以上两种情况在系统正常工作过程中都是不允许的，即伺服电机的速度必须保持和主轴电机高度一致。系统工作之前启动变频器，待变频器速度稳定后按下印*按钮，伺服电机开始旋转，此时合压电磁阀不合压，等旋转编码器的个Z相信号到来，立即合压，开始印*。印*过程如下：在触摸屏上设定纸张的尺寸，在每一个Z相信号到来之后，伺服立即正向旋转设定尺寸＋2英寸的距离，随后反向旋转2英寸，以保证纸张长度和张力平衡。要想停机，按下停止按钮，本张纸走完立即停止伺服电机的运转。
还要求：一、在走纸过程中突然停电，来电后要能继续走完这张纸。二、由于是印*机械，对印*精度要求很高，两张纸的印*起点必须一致，即PLC必须用中断来控制伺服系统，否则可导致两张纸的印*起点不同，原因是PLC循环扫描时间造成的。三、系统还要求能在走纸过程中（伺服系统运转中）能实现纸张的前后移动，即稍微变化一下纸张的位置，以使印*更完美。选择伺服系统电机的线数：由于印*的纸张可以设定为浮点数，单位是英寸，为保证精度，必须固定伺服系统，即固定伺服系统的每转给定脉冲数，通过比较判断，我确定伺服系统每转脉冲数为4000个，原因如下：因为伺服系统每转是4英寸，0.001英寸则是1个脉冲，在每转设定4000个脉冲时，系统能**到0.001英寸，如设定为0.0005，则每进给一张纸差0.5个脉冲，会严重影响纸张的印*精度，走纸越多差别越大。如设定每转脉冲为10000，虽可以更**，但PLC需要更高的脉冲输出频率。由于固定了伺服系统的线数，要想提高系统的速度，只能提高PLC脉冲输出的频率，否则纸张设定精度就会变低，这是不允许的。
整个系统要有手动、自动、点动以及报警功能，要便于维护，触摸屏界面要求美观实用。
2.2 西门子S7-200 PLC主要存在的问题
原先采用西门子S7-200 PLC主要存在以下问题：（1）S7-200PLC脉冲输出速率低，大频率不到30kHz，使得印*机的效率低，每小时只能达到五六千张。因为西门子PLC速度太低，导致伺服系统不能有更高的分辨率（松下伺服为每转2000个脉冲），导致纸张印*精度只有0.005，比改造后系统的高设定纸张精度差了5倍。（2）在正常印*过程中，调整变频器速度必须停机，再改变变频器的速度，断电重新上电后方可正常运行。（3）系统速度计算误差较大，使得单机调试时间拉长，影响设备的出厂时间。（4）停机不够人性化，即停机之前印*的那一张因为可能没有进给完成造成纸张废掉。
3.改造选型
接手这个项目后，立即展开工作，在分析了原系统的特点并且为以后升级留下一定的余地的前提下，决定选用OMRON高性价比的CP1H-X40CDT机型。该PLC配备了40个I/O点，其中24输入，16点输出，拥有2路双向100kHz的高速计数器输入，2路双向30KHZ的高速计数器输入，4路双向100kHz的高速脉冲输出，不仅能满足当前伺服电机的要求，还为以后四色印*机的开发留下了足够的空间，使后续开发工作变得简单。
（1）确立了PLC的型号后，根据主轴电机的要求选择伺服系统，比较了多家的伺服系统，后选择了OMRON的SMARTSTEPW伺服系统。该伺服系统简便易调，特别是在线自动调整功能，方便调试，重要的是启动时间短，响应快。
（2）主轴电机由于需要调速，是三相异步电动机，从节能和可靠及经济性说只能通过变频调速，选用OMRON的3G3MV系列1.5kW变频器。该变频器具有通讯功能，支持OMRON的功能块和MODBUS-RTU功能，具有PID调节功能，性价比比较高。
（3）印*机原先用按钮指示灯和触摸屏进行操作，直观性差，不美观，应用户要求，我们为其配备了OMRON的NT5Z的黑白触摸屏作为人机界面。这样，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋触摸屏（NT5Z）＋变频器（3G3MV）的整个系统解决方案出台。
4.系统特点
OMRON的这个系统解决方案克服了西门子S7-200的上述缺点：
（1）OMRONPLC的脉冲输出速率达到100kHz，速度是西门子S7-200的10倍，完全满足了用户提速的要求，极大的提高了印*机的速度;
（2）OMRON的变频调速是用PLC功能块通过通讯做的，不需要停机后再开机，解决了上述的第二个问题。也可以通过MODBUS-RTU功能，亦可方便的进行通信;
（3）整个系统全部采用OMRON的控制产品，调试简便,硬件和软件的兼容性好; （4）OMRONPLC的高速计数器当前值的读取是直接读取的，在程序中直接利用高速计数器PV中断编程，来控制纸张的进给，完全可以准确定位并在按下停机按钮后走完后一张再停机，使设计更加人性化;
（5）在线纸张自动调整功能的实现。因为整个走纸过程是先正转，并且多转2英寸，可以通过减少反转的脉冲个数实现在线位置调整，每次反转后，都把反转尺寸重新设定会原值。
5.系统结构、电路图及编程
（1）系统利用CP1H作为主控制器，CP1H上面安装两个通讯接口，一个是RS232,另一个是RS485,PLC通过232端口与触摸屏进行通讯，通过485与变频器进行通讯，PLC上还有一个USB接口，用作编程和监控用，PLC的脉冲输出直接给伺服驱动器，控制伺服电机。
（2）地址分配
地址分配如附表所示，电路图省略。
说明：程序中用到三路高速计数器，高速计数器0用来测量主轴的速度，高速计数器1用来测量主轴的Z相信号并产生中断的，高速计数器2用来显示主轴的位置，用来调整机械滚筒的位置，为厂家用。其他文章中没有介绍的信号和输出为一般开关量，比较简单，不再进行描述。附表地址分配表
（3）PLC编程
PLC编程包括：速度转换、功能块通讯、PLC端口的设置：PLC端口1设为NTbbbb、以便与触摸屏通讯，端口2设为串行通讯，以与变频器通讯。图2示出PLC编程界面，图3示出速度转换梯形图，图4示出通讯梯形图。
6.调试概要
印*机调试主要是进给纸速度调试以及触摸屏各种显示信息的调试，理论上计算的速度并不一定完全适合现实生产，需要对速度进行现场调节，以便使机器达到佳性能。PLC方面的主要调试是功能块的通讯，使其能够满足实时性的要求。
7.结束语
实践证明：采用OMRONPLC+触摸屏＋伺服系统＋变频器的印*机系统解决方案是完全可行的，该方案造价低廉，系统稳定可靠，界面美观友好，功能齐全，通过触摸屏的操作即可在生产过程中加减速，以及查看报警，便于维护设备，增加了系统的灵活性，该系统开发成功后，受到了客户的，具有较大的市场推广价值。