西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8常备现货

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前言

本文主要介绍CAN-bus 总线技术在工程机械中的应用。重点以工程起重机为例，介绍如何将 iCAN系列功能模块、ZLG系列、CAN-bus接口卡、组建成一个可靠控制、易于开发的CAN-bus应用网络，以及在工程机车控制网络中快速应用的方法。

CAN-bus总线简介

CAN-bus 总线是国际上应用广泛的现场总线之一，初被设计用作汽车电子控制单元（ECU：Electric ControlUnit）的串行数据传输网络，现已被广泛应用于欧洲的中汽车中。近几年来，由于CAN-bus 总线极高的可靠性、实时性，CAN-bus总线开始进入中国各个行业的数据通讯应用，并于2002 年被确定为电力通讯产品领域的国家标准。

CAN-bus 网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路至少可连接110个节点，当通讯距离不超过40米时，数据传输速率可达1Mbps，远通讯距离可达10公里(使用标准CAN 收发器PCA82C250/251芯片)。

CAN-bus网络为多主结构网络，根据信息帧优先级进行总线访问，大大提高了系统的性能；CAN总线采用短帧报文结构，实时性好，并具有完善的数据校验、错误处理以及检错机制，CAN总线节点在严重错误下会自动脱离总线，对总线通讯没有影响。CAN-bus网络中，数据收发、硬件检错均由CAN 控制器硬件完成，大大增强了CAN-bus 网络的抗电磁干扰能力。

CAN-bus 总线的适用范围：可适用于节点数目很多，传输距离在10公里以内，安全性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。

目前，国内的汽车、电梯行业已是CAN-bus 应用的典型领域，工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也得到了广泛的应用。

工程机械行业的发展

由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动控制等先进技术的日渐广泛应用，工程机械控制系统的性能和集成度已经有了很大的提高，工程机械的操作便利性、安全性都得到了大幅度提高。

在基于集中控制方式的工程机械中，一方面由于多个ECU单元的使用，各ECU之间的通讯越来越复杂，必然导致了更多的信号连接线，使控制系统安装、维护手续繁琐，运行的可靠性、应用的灵活性有所降低，维修难度增大；另一方面，为提高系统中信号的利用率，要求有大量的数据信息可以在不同的控制单元中共享，大量的控制信号也需要实时交换。传统的集中式控制系统已落后于工程机械中现代通讯功能的需求。

传统的控制系统结构示意图如下：

如何提高系统的性能，开发通讯应用的灵活性和方便性，降低使用和维护的成本是必须解决的问题，而CAN-bus总线在工程机械控制系统中的应用也能够有效解决这些问题。

CAN-bus总线在工程机械中的应用

无论是在欧洲、美洲，还是在亚洲，CAN-bus总线技术在工程机械领域都已经存在着广泛的产品实例，也有着良好的发展前景

CAN-bus总线在工程机械中应用现状

CAN-bus由于良好性能，特别适合于工程机械中各电子单元之间的互连通讯。随着CAN-bus总线技术的引入，工程机械中基于CAN-bus总线的分布式控制系统取代原有的集中式控制系统，传统的复杂的线束被CAN-bus总线所代替：系统中各种控制器、执行器以及传感器之间通过CAN-bus总线连接，线缆少、易敷设，实现成本低，系统设计更加灵活，信号传输可靠性高，抗干扰能力强。

目前CAN-bus总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN-bus总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，提高了智能化水平。而在国内，CAN-bus总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

工程机械控制系统中CAN-bus网络

工程机械的控制系统需要完成对系统中各种传感器、执行器、发动机、变速器等的控制及监测。不同的工程机械产品，其控制系统的组成并不完全一致，但其控制系统的构成方式基本上类似。

以汽车起重机为例，其基于CAN-bus总线的典型控制系统基本结构如下图所示, 系统组成为：

图1.2 基于CAN-bus总线的汽车起重机控制系统结构示意图

CAN-bus总线的应用使工程机械控制系统功能具有良好的可扩展性，易于实现对各分系统得集中监测和管理。CAN-bus总线的应用使用户的使用、维护、故障诊断更加灵活和方便，例如起重机在出厂调试时，工厂计算机系统可以通过CAN-bus总线访问其控制系统，记录保存调试数据，以作为在故障时维修的原始参考数据。

随着CAN-bus总线在工程机械中的不断应用，必将大大提高工程机械的可靠性、可检测、可维修性以及智能化水平。

依靠强大的开发团队、PHILIPS半导体的技术，我们始终执着于工程机械行业中CAN-bus总线的应用推广，为客户提供更多的优质的解决方案。

该系统运用SIEMENS的S7—300PLC通过PROFIBUS—DP总线实现变频器网络控制．从而实现了中厚板精整系统的a动化生产。系统调试，维护方便，运行可靠。

近几年，随着生产自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍。其原因之一是现场总线系统实现了数字和模拟输入／输出模块、智能信号装置、过程调节装置、可编程序控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把I／O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到小，从而使成本费用大大节省。原因之二是标准化的现场总线具有“开放”的通信接I：1，允许用户选用不同制造商生产的分散I／O装置和现场设备，也可以方便地实现二级及三级网络的连接。济钢中厚板三期工程精整区域由于设备数量较多，又分散在较大的范围内，特别适合采用现场总线方式实现生产过程的自动化控制。

系统简介

中厚板精整区域的主要设备有：冷床输入辊道、输入提升链、滚盘、输出提升链及输出辊道、润滑站及冷床冷却风机，还有火焰切割系统、运输辊道、翻板机、电磁起重机等。中厚板厂的原有自动化设备，绝大多数采用SIEMENS公司的产品。为了便于维护和网络连接，精整区域的自动化控制设备也以SIEMENS的产品为主，PLC选用s7—300，其中CPU型号为315—2DP。传动系统全部为SIMOVERTMASTERDRIVERS矢量控制型变频器。

其中，l#冷床及精整区域PROFIBUS—DP系统中，2#站s7—300为主站，本站的模块均为冷床系统输入输出点。

3样站，17样站为远程ET一200，其中3样站ET一200是精整系统的远程I／O，17样站ET一200则作为冷床操作台远程I／O。4～8#站是输入输出系统传动变频器，9～16#站是1#冷床系统传动变频器，18～2l样站则是2样冷床系统传动变频器。

总线连接

PROFIBUS—DP系统是一个两端有源终端器的线性总线结构，亦称为RS485总线段，在一个总线段上多可连接32个站。使用9针D型连接器用于总线站与总线的相互连接。

D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。

与总线连接的每一个站，无论是主站还是从站，都表现为一个RS485电流负载。有源总线终端接有终端电阻，在数据传输时防止反射，并且当总线上无站活动时，它确保在数据线上有一个确定的空闲状态电位。本系统中，在一个总线段上共有20个站，2样站和l样站作为总线的2个终端接有终端电阻，终端电阻可以由位于中线插头的开关来实现连接和断开之间的转换。

PROHBUS—DP协议是为自动化制造工厂中分散I／O和现场设备所需的高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构，DP主站与DP从站间的通信基于主一从原理，也就是说，只有当主站请求时，总线上的DP从站才可能活动。

DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。中厚板1#冷床及精整区域就是采用这种典型结构，如图1所示。

变频器的设置

（1）变频器与主站S7—300的通信是通过在SIMOVERT MASTERDRIVERS上安装CBP通信板来实现的

装机装柜型变频器有6个槽可用来安装可选板，cBP通信板可以安装在任何一个槽位。通信板安装完毕后就可以起动进行配置，要确定站地址，这是通过变频器参数设置完成的。其过程如图2所示。CBP通信板有3个指示灯显示通信状态。这3个指示灯分别是：红色为运行灯；黄色为与变频器进行数据交换灯；绿色为与PROFIBUSDP进行数据传输灯。只有当这3个指示灯闪烁时，系统通信才正常。

（2）PROFIBUS—DP的数据通过报文的形式交换

每个报文传输的数据可分为两组，需要用STEP7进行硬件配置时设定。这两组数据分别是参数PKW和过程数据PZD。PKW数据段是读写变频器参数值以及读参数的全部特性。PZD数据段传输的是变频器的控制信息，也就是变频器的控制参数，由主站的S7—300向变频器发出控制字和设定点，变频器则返回状态字和实际值。PKW和PZD的数据长度可根据需要设定，可设定数据传输的速率。本系统中，PKW和PZD分别设定为4个字和2个字，通信数据传输波特率为1．5Mbit／s。

（3）变频器通信控制参数的设置

变频器参数设置的基本过程如下：变频器送电后，将参数恢复为工厂设置，进行CBP板的配置，选择P060=5进行系统设置，后进行控制字和状态字的连接设置，将矢量控制开关量和矢量控制连接量与PLC中定义的参数值和控制字连接。本系统的主要连接参数如附表所示。

（4）由于翻板机、辊道等设备需要比较准确的定位，并且生产节奏较快，每台传动变频器都有外置的制动单元和制动电阻

制动单元通过中间回路连接到变频器上，当中间回路电压达到预定值时，制动单元自动接通，阻止中间电压继续升高。与制动有关的参数：P462为从静止加速到参考频率的时间；P463为加速时间的单位；P464为从参考频率减速到静置的时间；P465为减速时间的单位。根据工艺要求的不同，每台变频器设置不同的加减速时间。

PROFIBUS—DP的电磁干扰问题

安装PROFIBUS—DP的标准方法是：有接地基准电位，即必须把所有模块机架和负载电流回路与公共的基准电位（地）相连接，从而确保由于不合理的PROFIBUS—DP电缆敷设或设备安装不当而产生的干扰电流能被尽快分流掉。采用这种安装方法时，将各个部件的接地（S7—300、ET200、SIMOVERTMASTERDRIVERS）连接到控制柜的公共接地点。在这种方式下，总线插头连接器将PR0F1BUS—DP电缆的屏蔽与网络中所有的总线站相连接，干扰电流通过连接的地线分流掉，从而防止了由干扰引起的故障。

由于传动系统需要较大的电功率，动力电缆常常输送高电压和电流。如果这种电缆长距离与PROFIBUS—DP电缆并行敷设，则会在PROFIBUS—DP电缆上产生电容性和电感性干扰，从而扰动网络中的数据通信。为避免这种干扰，在敷设PROFIBUS—DP电缆时，要确保PROFIBUS—DP电缆与其他电线电缆之间的距离。在施工中，尽可能地把电力电缆和PROFIBUS电缆分别敷设在相互隔离的电缆桥架上。

该系统投入使用后，取得了较好的效果：

1）系统运行稳定可靠，维护检修工作量较少。

2）变频传动系统响应速度快，定位准确可靠。

3）可方便地与二级系统联网，为全线自动化奠定基础。

4）保证了产品质量，取得了较好的经济效益。

包钢炼铁厂综合料场皮带传送系统采用132KW两台电机（一主一从）进行传动。原有系统采用接触器启动。传送皮带长度大约在500米左右。正常情况下直接启动对系统没有影响，当发生送料过程中有意外故障而造成停机时，系统检修结束后要求再启动时，就会出现启动非常困难，造成接触器过热烧毁甚至发生因过电流造成相间短路的现象。若采用一般常用的降压软启动方式，由于启动力矩与电压的平方成正比，根本无法实现重载启动。为此，我们采用艾默生公司的EV3000系列高转矩、高精度变频器作为电机控制核心，配合EC20系列PLC实现两台变频器的主从控制，实现两台电机同频率或负荷平衡运转。

1、变频控制系统

1.1系统参数：

皮带电机为132KW，电流245A，四极，转速1480 R/MIN

设计采用EV3000-4T132G（高性能）系列变频器。配合EC20系列PLC及模拟量组合模块5AM（四模入、一模出），通过PLC作PID闭环控制。其中主变频器的给定采用数字量设定或模拟量设定均可，将主变频器的输出频率作为PID的给定量，将从变频器的输出频率作为PID反馈环节，PID输出量作为从变频器的给定值，从而实现主、从变频器的频率一致运行。具体原理参见附图一至五

1.2变频参数设置

主变频：

F0.02=4 V/F控制 F0.03=0 数字设定，由面板给出

F0.04=50 主机给定 F0.05=1 端子控制

F0.10=60S 加速时间 F0.11=20 减速时间

由于现场不具备电机调谐运行（接手无法打开），控制方式采用V/F控制，电机参数F1.00-1.08按电机实际参数设置。

F2.09=1 停机方式为自由停车

F6.08=0 AO1输出信号为实际运行频率

F6.09=3 AO2输出信号为实际运行电流

F6.12=20% AO2信号输出偏置为20%

具体原因是：由于AO2信号送入楼上控制站计算机室，控制站PLC要求信号为4-20MA。当变频器输出电流信号为4MA时，对应实际电流为0；即将4MA/20MA=20%，输出偏置即位20%。

从变频：

F0.02=4 V/F控制 F0.03=5 模拟设定，由PLC给出

F0.05=1 端子控制

F0.10=60S 加速时间 F0.11=20 减速时间

F2.09=1 停机方式为自由停车

F6.08=0 AO1输出信号为实际运行频率

F6.09=3 AO2输出信号为实际运行电流

F6.12=20% AO2信号输出偏置为20%

2、PLC控制系统

2.1 PLC硬件配置

由主机EC20-1410BRA、模拟量组合EC20-5AM(四入一出)构成。其中输入的一通道为主变频器的实际运行频率；二通道为从变频器的实际运行频率，输入信号均为4-20MA；输出为从变频器的给定值，信号为0-10V。

2.2变频控制PID程序

LD SM1

TO 0 400 16#1 1 5AM模块初始化

LD SM1

TO 0 600 16#3311 1 输入1、2通道为电流信号3、4通道关闭。

LD SM1

TO 0 650 16#0 1 输出通道为0-10V信号

LD SM1

TO 0 500 16#1 1 通道设置更改允许

LD SM1

TO 0 800 16#1 1 输入通道设置更改确认

LD SM1

TO 0 801 16#1 1 输出通道设置更改确认

LD SM0

FROM 0 100 D100 1 读通道1数值（主变频运行频率）

LD SM0

FROM 0 101 D101 1 读通道2数值（从变频运行频率）

LD SM0

MOV D101 D21 通道2数值作为PID反馈值。

LD SM0

TO 0 0 D22 1 PID输出信号从输出通道输出（作为从变频给定）

LD SM0

CALL PID_EXE 调用PID执行程序

LD SM0

CALL PID_SET 调用PID设置程序

PID子程序

LD SM0

PID D20 D21 D0 D22 //子程序的PID指令生成公式PID S1 S2 S3 D

LD SM0

MOV D100 D20 //设定目标值

MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周期短的时间数值无法执行

MOV 33 D1 //动作方向

MOV 0 D2 //滤波时间常数

MOV 1000 D3 //比例增益(Kp) MOV 1 D4 //积分时间TI MS

MOV 0 D5 //微分增益(KD) MOV 0 D6 //微分时间

MOV 0 D15 //输入变化量MOV 0 D16 //输入变化量

MOV 2000 D17 //输出上限设MOV 0 D18 //输出下限设

2.3实际参数调整设置

后经多次修改和调试，确定比例系数为10，积分时间为100毫秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，主、从皮带平稳启动。

3、连锁控制

连锁控制主要实现如下功能：

一、启动时主、从变频器一起启动，一起停止。

二、任何一台变频器故障，则一台变频器立即停止。

连锁控制的实现通过中间继电器（设计院设计，可以通过PLC实现）

4、实际运行情况：

经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，皮带启动电流为120A左右，主、从变频器启动频率完全一致，启动电流主变频器略大于从变频器，启动平稳可靠，完全能够满足生产要求。EV3000变频器设置面板具有中文显示功能，参数设置非常简单，便于现场的维护；该系列变频器在过载能力方面非常的强。由于变频器在初期调试时，皮带电机的抱闸没有打开，且减速机的油泵电机没有启动，当时的过载电流几乎达到450A，在大电流限幅下运行了十几秒，变频器没有发生任何故障。

目前国内大型注塑机大部分采用PLC或者基于单片机芯片的控制系统。上述2种方法可以完成注塑机的正常运行，该种控制系统存在以下不足：控制精度不高，开发周期长，保养维修升级困难。注塑机正朝着高速、高效、低能耗和高自动化的方向发展，这就要求注塑机具有完善的自动化控制与调节系统，以确保对注射成型过程的工艺参数实行高重复度、高灵敏度的可靠性。运用B&RPCC 对意大利一品牌20 世纪80 年代后期产1 350t大型注塑机的控制系统进行升级改造，取得良好效果，并具备了常规注塑机控制系统难以实现的功能。

1注塑机控制硬件系统组成

控制系统硬件由上、下位机组成。上位机包括工控机、面板及键盘；下位机包括PCC 控制器及扩展模块。上位机采用带486DX2CPU的IPC2001 安装了B&R Automation Runime V2.60操作系统，26.4cm (10.4 时）TFT真彩屏，中英文操作界面，面板附带注塑机专用30 键小键盘；下位机采用高性能可编程计算机控制器B&R PCC 一2003系列CP476 ，该PCC 除了带CPU 外还带有独立的TPU ,用于处理高速输人／输出（I／O）信号，扩展模块DM465，DO435 ，旋人式模块位移采集AI294、压力采集AI351、温度采集AT664 和高速计数模块AIl38 。上、下位机之间的通讯采用CAN 总线或者RS232总线。该控制系统在人机界面上可对全线集中监控，必要时可以外接moderm 实现远程监控；具备I / 0口、加热和压力状态显示；自动故障报警与随机帮助功能。

系统硬件组成框图如图1 。

图1 系统硬件组成框图

系统硬件结构紧凑，无论是旋人式还是扩展模块都采用标准尺寸，利于控制柜设计和安装。系统抗干扰性好，输人／输出模块均带有光偶隔离。输入模块可以将输入的电流信号（0～20mA）和电压信号(0～l0V ）直接转换为0～32767 数字量信号。DO 模块电流可以达到2A ，由于该执行机构电磁阀驱动电流高于2.5A ，DO信号通过扩流驱动板放大驱动执行机构电磁阀。

驶　PCC CP476 内带TPU ，实现高速信号I / ( ) ，能有效实现射胶7 段压力和速度快速切换控制。为了激活TPU，在系统软件设计时需要初始化和设置LTX ( ）函数给TPU 分配通道。

2 软件控制系统

2.1 B&R AS 开发环境

bbbbbbs 下编程环境Automaton Studio 支持标准C 、Basic 、梯形图、指令表、顺序结构图等6种标准的开发语言。根据需要可以在同一个项目中采用多种语言进行编程。编程环境中除了包含丰富的常规函数库和功能块外，还包括注塑机专用函数库plastliba，利用该函数库可以实现下文所述系统特性。

B&R 的PCC控制器采用分时多任务操作系统，具备大型计算机的分析能力。从注塑机控制要求出发，将锁模、温控等过程对实时要求不同的任务设置在循环时间不同的任务等级中（如表1）。

表1 任务设置

2.2 系统软件组织结构

控制系统软件由下位机系统、上位机系统和界面三部分组成，软件采用C 语言编写。

注塑工艺流程（见图2）中熔胶和开模进行，软件结构上包含顺序结构和并行结构。程序中插入挂起和唤醒功能函数，实现程序的顺序和并行动作。组织结构采用金字塔形由上至下4个层次（见图3)，将流程图各过程任务定义为执行层并分布在不同标准任务层。按功能分为通讯、互锁操作、数据操作、温控、报警等。功能上除了可以满足常规顺序动作、多路并行动作之外，还可以实现普通控制系统难以达到的几个特性，可以显著提高注塑机性能，更好地保护液压系统。

图2 注塑工艺流程

图3 主程序功能框图

上位机程序组织结构和下位机相同，功能上分为通讯，数据保存和读写，曲线的绘制，参数输人和输出等。上、下位通讯以上位机为主动，下位机为被动，上位机定时读写下位机的相应变量值。上位机界面设计可以在AS下快速方便实现。

2.3 系统脱机模拟调试

为了实现脱机调试，在程序中添加模拟程序，主要是针对注塑工艺流程各动作的位移和行程开关闭合状态的模拟。从而在脱机状态就几乎可以仿真注塑机动作，大大方便控制系统的调试，是一般注塑机控制系统开发不具有的。

3 系统功能特点

3.1 运动控制特性

如何实现大型注塑机液压系统的平顺运行和保护是控制系统的关键问题。本系统从软件设计上充分优化液压系统的控制，实现低过冲、高精度。

活塞运动加减速段采用RAMP( ）函数斜坡化控制或者用RAMP _ Ql(）函数实现二次曲线控制，每次运动减速位置点实时计算和补偿，如油缸活塞行程末端缓冲减速采用RAMP _ Ql(）函数实现二次曲线处理。液压系统电磁阀开闭进行延时补偿，在人机面板上可以设定延时时长。

3.2 机铰机构线性化

该注塑机的合模机构机铰结构为5 点肘杆式，动模板行程长达2m。动模板运动状态的测量是通过测量合模油缸的活塞杆来获取，从而大大提高测量的精度和可靠性。

将机铰结构参数输人到B&R togclac软件计算出活塞与动模板移动位置一一对应的关系，数据保存并导入到工程生成数据模块，再使用DA _ read( )函数可以从数据模块中读取活塞和动模板位置的关系。

3.3 温度控制系统特性

采用B&R 智能温度PIDxh 和PIDXHOPT 功能块可以计算出PID 参数，使温度控制jingque到士1 ℃。PIDXHOPT 功能块可以优化加热程序。

3.4 熔胶背压闭环优化控制

该系统熔胶背压采用闭环控制。背压反馈值经DI351 模块输人到CP476 的TPU 处理，比较设定值后再经过PIDX(）函数优化。

3.5 过程参数监控

系统具备丰富的曲线辅助监控和分析功能。面板可以显示开合模等阶段的速度、压力、位置等曲线，还可以根据需要对各段温控区和压力进行实时曲线监控，还可以选择射胶、螺杆转动、开锁模和注射等单元的加工过程进行速度／时间、压力／时间、速度／位置和压力／位置的过程监控。

3.6 系统通用扩展性

系统采用C语言编写，结构完整清晰。软件设计大量采用结构变量体系，采用结构变量描述各个部件的状态和动作过程等。如顶出动作结构变量包括了进和退过程的顶出行程，顶出各行程阶段的速度和压力；顶出动作延时、报警标志等变量。

该系统软件通用性强，可以适合同系列不同吨位的注塑机。在日常维护更换零部件时，只需要在面板稍加修改参数而不需要繁琐的调试，如更换顶出油路电磁换向阀时，倏改方向阀打开延时和关断延时时长即可。

3.7 人机界面友好

人机界面图文并茂，可以方便设置各结构变量参数，如液压电磁阀的开启闭合延时；还可以设定动作的各方面参数，包括并行动作、抽芯组合和速度压力设置。

4

采用贝加莱智能控制系统升级液压机械式大型注塑机获得成功，机器的整体性能超过了原有的PLC外加温控表的早期控制系统。不断提高注塑机整体性能是yongbu停止的趋势，在较少的硬件投入的基础上获得较多的产品附加值是产品竞争的关键。采用具有稳定品质的贝加莱智能控制系统，开发传统液压机械式注塑机的控制系统，一方面可以缩短开发周期和减少相应的成本，另一方面可以提升注塑机的品质和档次，从而可以说是为国内注塑机提升产品品质国际竞争力开辟了一条新的道路