6ES7221-1BH22-0XA8使用方式
一、前言
四连杆装箱包装机是一种一次可以装四箱（可以是纸箱）既4×4瓶或者三箱3×4瓶的连续装箱的包装机械设备。在啤酒等瓶装饮料行业中，四连杆装箱包装机主要完成瓶装产品的装箱、卸箱等工作。由于具有性能优良等特点，在包装行业中使用非常普及。
对于四连杆装箱包装机中电气部分的控制，是包装机使用安全、可靠性的重要保证。目前，老型号的四连杆包装机的电气装置大多采用继电器的控制方式。这种控制方式连线复杂、继电器使用数量多，造成电气控制部分可靠性差、故障率高，日常维护量大。设备缺少操作的安全保障措施，容易发生事故。
随着可编程控制器（PLC）技术的发展，把PLC控制技术应用于四连杆包装机的控制中，取代原有的控制线路。是四连杆装箱包装机控制系统发展的必然趋势。
二、系统结构
四连杆装箱包装机控制系统由电气部分和气动执行部分组成。工作过程见流程图（图1）。
电气系统输出控制在电气控制部分的改造中，分析了包装机的工作过程和控制特点；对包装机的控制基本上都是光电开关、接近开关、电磁阀、电机等这类的开关量输入、输出设备。控制过程以连续的逻辑量控制为主的操作方式。PLC的开关逻辑和顺序控制是PLC应用广泛、基本的功能，基于PLC的这一使用功能和特点，决定将原有继电器控制系统全部拆除，采用PLC控制。因为该用户厂家其他自动化设备使用的基本都是日本Omron公司的PLC，再根据采集和控制点数，我们选用Omron公司的SYSMACCPM2A-60CDR-A的 PLC作为系统控制器。
三、系统设计
1．四连杆装箱包装机的电机可以进行点动、正转和反转，以带动夹瓶装置做往复运动装箱。瓶电机和两个箱电机分别用作传输瓶和传输箱。七个电磁阀和与之对应的气缸，分别控制“夹头”，“定位器”，“出箱臂”及“进箱臂”“箱导向”。设“手动”和“自动”操作两个切换开关。
2．在包装机的操作前台和设备后台、侧面加装3只光电检测开关，在操作人员误入设备危险区域时，系统紧急停车，保证安全。
3．在传送带上安装Omron的E6A2旋转编码器，测量传送带的速度。当传送带电机异常停车时，停止包装机工作。
4．系统输入回路中有光电开光和接近等开关，PLC上的DC24V电源容量就不足了，各输入、输出元件均使用DC24V直流稳压电源。PLC控制系统原理图见图（2）。
5．为了使PLC系统安全可靠运行，采取了多种防护措施，如和系统中的强电设备分开接地，接地线的截面积大于2平方毫米。PLC输入和输出的感性负载都并联续流二极管等，以消除输入触点在断开时，感性负载因储能作用而产生电弧高于电源电压数倍甚至于数十倍的反电势对系统产生的干扰。见图（3）
6．系统的输入部分36点，输出19点，一共占用PLC 54点，系统冗余6点，符合自动化系统设计要求。
四、程序设计
PLC程序采用梯形图编写，其自动控制操作流程图见图（4）。
其中，PLC主程序参照原有继电器控制系统的电气控制原理图进行设计，这种程序设计方法简单，有现成的电气控制线路为依据，设计周期短，在旧设备电气系统改造中经常采用。
按照原有电气控制系统输入信号及输出信号做为PLC的I/O点，原来由继电器硬件完成的逻辑控制功能由PLC软件——梯形图替代完成。图（5）为四连杆装箱包装机进箱臂部分电气控制原理图。图（6）为转换后的四连杆装箱包装机进箱臂部分PLC程序梯形图。进箱臂部分主要I/O对照表如下：
五、系统调试
1．调整光电开关SQ1和反射板的安装距离，使光电开关处于工作状态时，调整到“挡光”，PLC输入通道HR0003的指示灯亮。以同样方法调整好光电开关SQ2、SQ3、SQ4……..SQ10。
2．调整接近开关JQ0，使“夹头”在运动轨迹的低点时接近“档块”，并使PLC输入通道HR0012指示灯亮，以同样方法调整好接近开关JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。
3．调试旋转编码器时，A、B、Z相按说明书接线，在PLC编程软件中对编码器的高速计数进行设置，使用Z相加软件复位方法。见图（7）。按下按钮5SA，使传送带电机停车时，四连杆装箱包装机应停止工作。
4．按动相应的按钮，分别控制进箱电机、出箱电机、瓶电机的开、停。关机以后将开关位置置于“关”。1SA和2SA分别控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA，15SA控制“导向”和“变距”。
5．在上述“动作”都已正确时，将“手动”转为“自动”，按下“整机启动”按钮，调试PLC逻辑程序。进行自动装箱包装操作。
六、结束语
经PLC改造后的四连杆装箱包装机电气控制系统，外观上；物理接线量大大减少，控制柜体积缩小，柜内的原器件排列有序。运行效果上；经设备运行证明，自动化程度大大优于原系统控制效果。控制可靠性大大提高，减轻了现场操作人员的劳动强度。由于系统在整个包装流水线和包装机设备的危险位置安装了光电位置检测开关，提高了操作的安全性。总体上提高了企业的经济效益。
1 引言
在科学技术飞速发展的历史进程中，纺织机械电气控制系统的自动化程度发生了巨大的进步。控制系统从早的十几个继电器控制，发展到用单板机、可编程序控制器（plc）、可编程序计算机控制器（pcc）等。这些控制方式各有特点，例如，纯继电器线路可以用在控制简单的纺织设备中，其价格低廉、维护方便，但不易于改变功能；单片机具有一定的编程灵活性、价格又低于一般的plc，但控制点位和编程能力受到一定限制；plc以其方便易掌握的编程指令及可扩展的输入/输出模块、成熟的抗干扰技术而深受工程技术人员欢迎，现在一般的纺机设备，plc是常见的控制器。可编程计算机控制器pcc（奥地利b&r工业自动化公司推出）具有高可靠性、丰富的编程语言、强大的功能、良好的耐恶劣环境的能力，但由于价格问题较难在普通纺机设备中普遍应用；工业控制器的性能完善也与高价格相伴，只有在少数的大型纺织设备中采用。本文对plc逐代应用于纺机的“四代”精梳机等产品加以回顾和介绍。
2 棉精梳机简介
精梳机在纺纱流程中的主要功能是通过对从梳棉机产出的生条棉网的梳理来去除其中的短纤维、杂质、棉结和疵点等，也提高棉纤维的伸直度，使得精梳后的棉条通过后道工艺终能纺制出60支以上的高支纱，由此来满足人们舒适着装或一些特殊的需求），伴随着精梳机不断的升级换代而发展壮大的。由于人们生活水平的不断提高，是在全国棉纺业压锭调整的上世纪80年代，人们对棉精梳设备的需求也丝毫没有削弱过。随着欧洲发达国家的棉精梳机和国内同行的同台竞技，棉精梳设备制造业的市场竞争日益激烈。自动化信息化等新技术驱动精梳机走近现代化纺机时代。
3 可编程序控制器（plc）的发展与流派
1968年美国gm(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了代可编程序控制器，满足了gm公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已经发展到第五代plc产品了。在制造业的发展过程中，除了以连续量为主的反馈控制外，存在着大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作；还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，plc发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的新一代自动化技术平台。
为了使电气工程师使用传统的继电器控制系统的梯形图设计plc应用系统，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器rom中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般plc的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、bcd运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等。plc还提供了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，plc解决复杂离散问题的控制能力远远超过了继电器。
世界上plc产品可按地域分成美国产品，欧洲产品，日本产品。美国和欧洲的plc技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，美国和欧洲的plc产品有明显的差异性。而日本的plc技术是由美国引进的，对美国的plc产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型plc上。日本的小型plc独具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面曾经明显优于欧美的小型机，格外受用户欢迎。日本有许多plc制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型plc市场上，日本产品占重要地位。
4 精梳机伴随plc技术的同步发展
4.1 c60p用于代fa252型棉精梳机
公司在1990年以前三十多年的精梳机研发历史中，电气控制部分都是通过继电器来完成的，其价格低廉，但不易于改变功能。随着控制要求的不断提高，纯继电器的控制线路已显得越来越不能满足，太多的继电器使得电控柜的体积变得越来越大，线路错纵复杂，给设计、制作和维护都带来麻烦。
九十年代初在开发新的棉精梳机fa252、fa253时，正好是plc进入国内自动化领域不久，我们认真对比了当时世界的几个品牌，确定小型机就能满足控制需求，又由于日产plc在编程语言方面更适应东方人的逻辑思维方式，日产plc。
在日本多家plc制造商中，比较下来欧姆龙自动化集团的plc是引领工业自动化产品和应用先进技术的产品，它进入中国市场的时间早、产品性能稳定、编程简易、调试方便（软件还只是基于当时dos平台的“lss”，但已经有较丰富的功能，与其他日产plc软件相比，它的现场监控能力尤为出色），成为当时自动化领域的佼佼者。在中国，欧姆龙有遍布全国的物流、销售和技术支持，可及时提供客户直接的服务。基于以上理由，我们在“代”用plc作为主控制器的棉精梳机时了日本欧姆龙公司的产品——九十年代初期的“c60p型plc”。
“c60p型”可编程序控制器，以现在的目光来看，体积可谓庞大，但该款plc当时比起我们原先计划要在电气箱安装几十个继电器来说体积可大大缩小了，控制逻辑可随时修改，不需动一根电线和任何电气元件就可改变控制功能，这些技术进步对于当时自动化设计的改变简直是革命性的！我们台棉精梳样机成功后就于1993年参加了在日本大阪的国际纺机展，当时国内外的棉精梳机还都在用继电器控制着精梳设备的运转。由于较早地使用了plc，使得我们当时的精梳设备在控制技术上处于水平。紧接着，公司的精梳配套设备—fa355系列条并卷机也同样采用了c60p型plc。
4.2 cqm1用于第二代px2型棉精梳机
九十年代后期，将欧姆龙公司的cqm1型plc用于公司的第二代px2棉精梳机以及为之配套的sr80条并卷机，开发成功后销量累计达几千台。但由于cqm1型plc差不多可以归入中型plc的范畴，从现在来看价格也比较昂贵，目前已被下文提及的cp1h小型plc取代，本文不再作介绍。
4.3 cpm1a用于第三代cj25型棉精梳机
随着时代的发展精梳设备需要不断的更新，要增强功能又不能扩大电气箱空间，这就要依靠plc的进步相辅佐。九十年代后期，随着欧姆龙公司plc的新产品—cpm1a的推出，其比起原来的c60p体积差不多缩小了一倍，在指令种类90多种、指令执行时间ld指令1.72μm、数据存储、定时器/计数器数量128位、中断输入和脉冲输入、高速计数器、模拟量设定、通信距离50m等关键指标比c60p前进了一大步，完全能够满足新一代精梳机的控制要求，采用欧姆龙的cpm1a及显示器mpt002集成第三代棉精梳机（此属于公司一款中档精梳机，与“第二代”精梳机同步生产、销售）的控制及显示单元。开发成功的“第三代”cj25型棉精梳机在众多用户厂经多年使用，运行可靠、反映良好。
4.4 cpm2a用于公司其他产品
cpm2a系列plc是omron公司在cpm1a基础上推出的升级产品。它与cpm1a相比，在程序容量、指令种类、指令执行时间、数据存储、定时器/计数器数量诸方面都有明显进步，并新加了rs232通讯端口，支持各种无协议通讯方式，特别是脉冲输出和同步功能的增加给设备的自动化控制提供了更大的方便。我们在承担高能聚焦超声治疗仪调试台项目时，充分运用了cpm2a的脉冲输出功能和同步功能，使得对于定位精度要求很高的该治疗仪，在制作调试过程中很好把握设备的质量关，满足了用户的订货要求。
5 新款cp1h用于第四代cj60型棉精梳机
欧姆龙公司2006年推出的cp1h系列小型高性能plc，在i/o的扩展能力、程序容量（20k）、指令种类、指令执行时间（ld指令0.1μm）、dm数据区（32k）、定时器/计数器数量多、功能块、复杂的函数运算、浮点运算（st）、内置模拟量输入/输出功能、串行plc的连接功能、modbus-rtu的简易主站功能、三个通讯口等诸方面比cpm2a又有长足进步。这些指标差不多与业内的中型plc所相当，而cp1h的体积和价格又类同于其他小型plc。cp1h的性价比确实是很令人吸引的。cp1h还引进了usb的标准配置接口与个人电脑连接，增加了设备的通用性（该功能在现场调试过程中一旦受到变频器工作的干扰就时有掉线情况发生，这时我们可以通过cp1h自带的rs232串口来实现监控）。与cp1h同步推出的cx-one编程软件也比原来欧姆龙公司的各种软件版本更为人性化。在指令编写、地址搜索、条文注释、软件保护、功能块编制、多种编程语言、调试监控等方面为用户提供了高水平的应用平台。尤其是功能块的调用及多种编程语言的灵活性给方案设计提供了极大的便利。值得一提的是欧姆龙公司居然允许在的cx-one软件上把我们近20年前在计算机的dos操作环境下使用“lss”软件编制的以及win98环境下使用的“sss”软件编制的、还有所有bbbbbbs环境下编制的历史程序，都能通过cx-one的转换而方便的读出或进行老程序的升级。这与有些欧洲大的跨国公司相比确实体现出其优势，后者不同等级的plc甚至是地处不同国家的不同团队开发的，分别使用了两套完全不同的软件开发体系，很难做到像欧姆龙公司那样，一直保持软件开发的延续性，使得每个新软件的推出都考虑到对历史产品具有很好的兼容性，这也是成为老用户长期愿意使用欧姆龙plc产品的理由。
2006年，我们在开发新的“第四代”cj60型高速棉精梳机时，由于设备的自动控制功能比前三代产品都大大增加，系统中包含了模拟量控制、函数运算、modbus通讯、数据高速采集等，如果没有cp1h，我们只能选用中型plc才能满足控制方案的要求。经综合考虑，我们还是选择了欧姆龙的cp1h小型机。
5.1 整体方案
通过欧姆龙的小型机cp1h可编程控器、日本pro-face的触摸屏、德国keb变频器等强强联合，组成了公司“第四代”cj60型棉精梳机的控制方案，其核心技术是分别采用rs232接口和modbus通讯方式连接plc与触摸屏及变频器、运用plc的内置模拟量输入功能直接连接8个模拟量传感器，实现对设备关键部位自停的智能化、数字化的控制、设备历史故障发生与解除时间及次数的记忆、多级密码分层管理等，并可通过触摸屏的以太网接口实现向上通讯的功能，为纺织厂的现代化管理提供必要的保证。
对于plc的软件编程，根据需要将不同功能的程序段分列，每个任务分别用合适的编程语言如梯形图、语言等来完成。
5.2 i/o配置与标志位和变量声明
通过i/o配置、标志位、变量声明表，可方便灵活地查到各个i/o点位、标志、变量等的类型、地址、功能注释等，部分声明如图1所示。
图1 标志位声明
5.3 梯型图设计
系统逻辑量控制基本采用了梯形图法编制。梯形图信号流向清晰、简单、直观、容易看懂，是一种面向对象、实时的、图形化的编程语言。梯型图的结构给程序设计中的逻辑判断和分支操作提供了极大的方便。cx-one软件的特点之一是可在程序段下方同页显示某变量的地址拦，方便观察和调试等。
5.4 st语言的应用
st语言用在具有多个循环和具有函数运算的控制程序中尤其方便，诸如此类的编程方法一般在中型plc机中才具有，但cp1h型小型机也具备了，很有特色。在cj60的整机控制系统中除了逻辑量的控制之外，其他的控制则是运用了灵活的st语言来实现，例如对于功能相同的n个传感器的信号读入和处理等，使用该语言编制控制程序，取得了很好的效果。节选如图2所示。
图2 使用st语言编程
5.5 功能块的编制与调用
功能块编程方式是cp1h型小型机的另一具有特色的功能。在反复出现的相同逻辑的程序编制时，预先做好各种功能块，在主程序需要时随处调用，精简了整个编程语句，使整个控制系统的设计显得更加简洁、易读、易修改、易维护。实例如见图3及图4所示。
图3 功能块编制实例
图4 功能块的调用
6 结束语
迄今为止，除了采用奥地利b&r工业自动化公司推出的可编程计算机控制器pcc系统开发的多轴驱动棉精梳机之外，欧姆龙公司为先进的小型机cp1h作为中央控制器的cj60型棉精梳机电气自动化的控制水平是国内外同类产品中为先进的。cj60型棉精梳机已销售了近200台，深受用户的欢迎，日前，cj60还成功地通过了国家机构的新产品科技成果鉴定和国家专项拨款项目验收工作，整机的鉴定结论是：“cj60型棉精梳机处于国内、国际先进的水平”。欧姆龙的cp1h小型机还用于本公司与cj60配套的cl15条并卷机以及更新换代的cj40、sr80等前纺设备。欧姆龙plc具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久占有市场的根本原因。
在自动化、计算机、数字化、互联网极为普及的，纺机设备的自动化水平只有与时俱进地不断提高，才能在激烈的市场竞争中占有一席之地，才能不断为改善人们的生活水平做出应有的贡献。plc市场潜力很大。调查表明在工业发达的日本plc配套的机电一体化产品的比例占40%左右，采用继电器、接触器控制尚有20%多。说，需要应用plc的场合还很多，在我国就更是如此了。也希望plc的制造商们能不断推出性能越来越优质的工业控制产品，来满足各个领域的自动化控制需求。plc与纺织机械的前途同样都将一片美好。