西门子6ES7216-2BD23-0XB8型号含义
1 前言
斗轮堆取料机，是大型散装物料装卸机械，广泛用于港口、矿山、钢厂、电厂等大宗散料如矿石、煤、砂石等在存储料场的堆放、提取作业，其工作连续性强，操作频繁。斗轮堆取料机传统的开关量顺序控制，是采用继电器和接触器构成的逻辑控制装置,这种传统的控制装置能在一定的范围内满足自动控制的需要，但因需要大量的触点装置和电缆使其控制线路过于繁复、可靠性差和维修难度大。PLC以其稳定的性能、低廉的成本、强大的功能及方便的编程等特点广泛应用于工业控制领域。
本文采用西门子触摸屏TP270 ，西门子 S7-300 可编程控制器，Profibus-DP (分布式I/O) 控制机上的各执行机构。控制网络简单，系统优化，完全满足机上的各执行机构的控制要求。
2TP270触摸屏组态
SimaticTP270具有价格低廉、坚固耐用、结构紧凑、显示清晰、组态简单高效等优点，TP270的引入能够大大减少司机室内的仪表盘、指示灯、数码管等从而减少设备间的布线，使运行更加可靠，使设计人员能够根据实际情况灵活改变显示内容与方式，大大提高了整机的控制性能和水平。
本文采用ProtoolV6.0进行触摸屏画面组态，根据斗轮机设备需要及特性，画面设计总体分为一个主画面、六个子画面，其逻辑关系如图1所示：
图1 组态画面逻辑关系图
子画面共分为四大类：一是画面操作部分（在触摸屏上操作设备的运行、停止、堆料、取料等）；二是各设备状态显示（显示各设备到位位置及运行状态）及数据显示部分（显示机上各电机运行电流、行车、回转、变幅位置数值）；三是故障显示及故障报警列表、历史报警列表（显示各设备故障指示及故障查询）等；四是系统设定，在不退出程序的提提下，以方便对触摸屏本身各参数的设置。
部分PT画面如图2、图3所示:
图2 组态画面 故障报警
图3 组态画面 单动控制
组态程序编写完毕，用编程器为TP270下载程序时，要注意设定TP270的传送通道及传送波特率，考虑到下载速度，本例中波特率设置为115200。
3 系统组成及通讯
3.1 系统硬件配置
根据斗轮堆取料机的控制要求，结合目前运用成熟的总线技术，系统采用Profibus总线技术。系统由Profibus-DP网络和MPI网络共同组成。Profibus是一种开放式异步通信标准，可以实现各种自动化设备之间的数据交换，由3个兼容部分组成，即Prof ibus-DP、Profibus-PA和Prof ibus-FMS。Profibus-DP是一种开放式现场总线系统，实现快速响应和高速数据通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。Profibus-DP主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，除周期性用户数据传输外，提供职能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。采用RS485传输技术，物理传输介质为双绞线、双线电缆或光缆，波特率从9.6k～12Mbit/s。主战间为令牌方式传送，主战与从站为主－从传送，支持单主或多主系统。
MPI是一个多点接口通讯网络，多可连接125个MPI节点，通讯速率为187.5kbit/s。可以在不同的控制器之间传输数据，还可以作为一个Profibus-DP接口使用，操作员控制和监视设备HMI及编程设备PG可通过两种接口（MPI、Profibus-DP）连接。
根据斗轮堆取料机电气控制系统的特点，分别在上部电气室和下部电气室配备Profibus-DP主站和从站，触摸屏设置在司机室，以方便司机操作及故障查询。上部电气室选用西门子S7-300CPU315-2DP可编程控制器作为主站，CPU315-2DP本机具有1个MPI接口和1个DP接口，从站设在下部电气室，从站I/O模块选用ET200M，选用IM153-1通讯接口模块。大车行走、悬臂变幅及回转机构通过变频器来控制，变频器作为从站通过CBP2通讯板(Profibus通讯模块)连接在系统总线上。系统硬件配置如图4所示：
图4 Profibus系统组成
2.1.2 变频器选型及应用
由于PLC选用FX1N-40MR，为达到更好的工作性能，变频器也选择三菱FR-E500型。FR-E500型变频器是一款小型高性能通用型变频器，采用磁通矢量控制可以实现1Hz运行150％转矩输出，内置RS-485通信接口，柔性PWM实现低噪音运行。
变频器运行频率的设置方式有两种，种是固定变频器端口频率法，即选通不同端口输出不同频率的方式使用变频器，这样使用的好处是连线简单，无须使用复杂的软件，但缺点却是无法任意更改设置，灵活性差。第二种是应用FR-E500自带支持USS协议(通用串行接口协议)的通讯模块，使用USS协议，可以在上位机中通过软件设置变频器的输出频率，实时地在线更新设置，改变输出频率，其相应缺点是导致PLC程序十分复杂，通过USS协议设置频率的速度比种方法慢(种方法消耗时间少于10ms，第二种方法消耗时间在20-30之间)，考虑到在本文设计的系统中PLC的输出点相对较少，连线数目不多，从系统稳定性和实时性的角度考虑，采用种方式更合理。
根据变频器(FR—E500)的技术规格，以定长模块为例，其端口分配如表3所示。
表3 定长模块用变频器端口分配表
2.1.3同步控制器选型及应用
市面上供应同步控制器的厂商较少，在这其中，以台湾台达的同步控制器性价比较高。在本设备中选用台达同步控制器SCD-B系列的产品，型号为SCD0882lA：每台同步控制器可对8个单元的速度链进行控翩，每组速度链由反馈信号和单元输出两部分构成。在反馈信号端应输入传感器测量的钢板松紧情况的信号，以模拟量的形式输入给同步控制器，单元输出端口接变频器的频率设定器端口。
同步控制器工作时以一个模块电动机的转速为基准(主电机)，将其它电动机的转速与之匹配(从电机)。在本剪板机中以定长模块的电动机为基准，故在反馈信号输入端应对应的在单元二和单元三接入反馈信号。三个变频器的频率设定器端口均要连接到同步控制器的单元输出端口，通过控制器内部运算，达到同步控制的目的。根据同步控制器(SCD08821A)的技术规格，设计其端口分配如表4所示。
表4 同步控制器端口分配表
2.1.4自动剪切机控制系统接线原理图
图3 PLC控制系统接线原理图
图3所示为自动剪切机PLC控制线路接线原理图。由于PLC内部能产生24V的直流电，可以直接对外部编码器和位移传感器进行供电。编码器采用OMRON公司的产品，型号为E6A2-CWZ5B1000P／R0.5M。编码器的输出A、B两相分别接到PLC的X0、X1两端(PLC内部高速记数端)，通过内部2相输入(A-B相)计数器进行计数。同步控制器的输入端分别为单元二(校平模块)和单元三(送料模块)接入的两只非接触式位移传感器，为GEFRAN公司的IKlA型号的产品(模拟输出)，它们是同步控制器用来检测钢板松紧情况输入的信号。
.2 控制系统软件设计
针对典型剪板工艺过程，编写了相对应的PLC控制程序，具有手动操作、自动运行等功能。
2.2.1初始化梯形图
所谓程序初始化就是设置控制程序的初始化参数。初始化程序是在开始时执行一次，其结果存在元件映象寄存器中，这些元件的状态在程序执行过程中大部分都不再变化。图4为控制系统初始化梯形图程序，M8044作为原点条件，初始状态检测原点条件，并作为自动运行的开始条件；M8000为运行监控用，PLC运行时M8000接通；RUN监视M8000驱动状态初始化指令IST执行后，下列元件被自动切换控制：S0，手动操作的初始状态；S1，原点复位的初始状态；S2，自动运行的初始状态。
图4 初始化梯形图
2.2.2手动操作SFC图
图5为手动操作SFC图。状态转移图的大特点是由某一状态转移到下一状态后，前一状态自动复位。将两位旋钮开关选择到手动操作功能位置(X20)，则可进行剪板机的手动操作，可以实现电动机的点动(正转与反转)、闸门的点动(点动升与点动降)等手动操作。
图5 手动操作SFC图
2.2.3自动运行SFC图
图6 自动运行SFC图
图6为自动运行SFC图。自动运行程序可执行循环和单周期命令，以达到不同的控制要求。自动模式中又分为循环方式和单周期方式。循环方式是在生产中使用多的一种方式，按下自动启动按钮后，剪板机应能够实现连续的自动送料、剪切。单周期方式是剪板机实现自动送料、剪切，每次仅循环一次，即一个周期。这种方式较自动循环方式效率低，主要是用于调试时使用，以便操作者能够方便调试出满意的剪切效果。
3 结论
通过现场应用证明，将先进的PLC、变频器、同步控制器等相关技术应用于自动剪板机的控制系统，设备的电气性能、自动化水平有了极大的改善，大大提高产品了的质量，降低了工作人员的劳动强度，并能满足产品品种变化的柔性需求。该自动剪切机经投入生产运行，性能良好，取得满意效果，对于该产品的扩大市场有着巨大的促进作用，真正体现出技术革新价值所在。