西门子6ES7216-2AD23-0XB8产品型号
1 引言
电加热控制是工业中十分常见的控制项目。加热控制中以温度控制为多见，一些设备需要调节加热器的功率来满足工艺要求。加热器的输出功率与通过其两端的电流和加热器本身的电阻有关。在许多应用场合，加热器的功率调节采用调节电源电压来实现，常见的有变压器方法控制简单，但增加了成本投入，不方便自动控制，在大量加热器功率需要单独调节的场合就无法完成。采用在运行中通过改变加热器的电阻这种方式来调节功率在硬件上难以实现。
2 热弯炉加热的控制要求
在汽车玻璃深加工设备中，玻璃热弯炉加热控制就是加热器功率调节控制的典型案例。热弯炉为使平板玻璃加热弯曲成有球面的汽车前挡玻璃时，根据不同的需要对玻璃四周的加热功率通常要调得大一些，达到加热器额定功率的60%-，以使玻璃四周弯曲弧度增大；而对玻璃中间的加热功率通常要调得小一些，达到加热器额定功率的0%-65%，使玻璃的中央弯曲弧度过渡变得平滑。
在不使用变压等其它装置的情况下，笔者通过试验，出利用plc晶体管输出通过固态继电器控制加热器的导通时间，来自由地调节加热器的输出功率的新的有效尝试。事实证明，这种方式不但节省了成本，控制简便。下面从理论上分析如何实现用plc对加热功率进行自由调节控制。
3 控制原理
为说明其控制原理，我们先从交流电说起。一个周期内平均值为零的周期电流(或电压)叫做交变电流(或电压)，随时间按正弦函数规律变化的正弦交流电。我国和世界上大多数国家，电力工业的标准频率，即所谓“工频”为50hz。根据正弦的电频率公式f=1/t，可知，它的周期为0.02s，它的角频率为ω=2πf=100π，即工频每秒100次到达正弦量零值(正弦量一个周期内瞬时值两次为零，规定瞬时值由负向正变化之间的一个值叫做它的堆值)。也就是说，在1秒的时间内，相位每增加1πrad(弧度)，正弦量经历了半个周期，占整个1秒时间相位角的1%。这就可把1秒钟时间内经历的周期分为100等份，每半个周期为1份。这样，如果能有一种控制器，以1秒钟作为一个循环周期，在1秒钟的时间内使加热器只导通0.01秒，那么，它输出的功率就占整个加热器额定功率的1%；如果在1秒钟的时间内使加热器只导通0.02秒，那么，它输出的功率就占整个加热器额定功率的2%，依此类推。通过对加热器的导通时间控制，就可达到对加热器功率调节的目的。这种控制器可由plc晶体管高速输出实现。plc晶体管输出单元通过输出周期为1秒的脉冲，改变脉冲状态为1的时间，从而控制固态继电器的导通时间，来实现plc对加热器功率自由调节。
图1 组态“在线操作”界面
4 控制程序
热弯炉的加热分为若干段，某一段的加热丝分布如图1组态“在线操作”界面所示。图中每一矩形条代表一条发热丝，b1(bend1)段发热丝的数量达120余条。矩形条中间的数字为功率设定百分比，矩形条的颜色与设定的功率百分比相对应，越趋向时颜色越接近红色，以使操作员能很直观地查看各功率设定的总体分布。
为使组态界面的加热功率设定能得以实现，必须为plc编写相应的控制程序。这里，我们以三菱q系列plc作为主控制器为例，来说明plc的控制过程。
三菱q系列plc是以大规模系统为对象，有很强的cpu模块处理性能和较大的程序寄存器容量。cpu与网络模块、编程用外围设备之间数据通信的性能优越，支持本地i/o大可达4096点，快指令仅需34纳秒。是适合大量加热器单独进行功率调节控制的理想plc之一。由于plc与加热器之间的电路十分简单，这里不再祥述。需要说明的是，plc输出模块应选用晶体管输出类型的模块，以实现脉冲输出；使用固态继电器(这里不能用接触器代替固态继电器)接在输出模块的端口，控制加热器的导通。单条发热器的plc控制程序如图2所示，其它的程序与此类似。
图2 plc控制程序图
程序中，sm409为0.01秒时钟，d4995对sm409的脉冲进行加1计数处理，当d4995递加到数字为100时，正好为1秒时间，当d4995大于100时即清0；d6000为加热器1的功率设定值，如果设定值大于当前d4995内的数值，且功率设定值大于0，y360(加热器1)即输出为1，否则输出为0。例如当d6000设定值为30(即设为加热器额定功率的30%)，d4995以0.01秒为单位进行递增计数时，当d4995计数值在0－30之间，由于d6000内的数字30大于或等于d4995的当前值，y360输出状态为1；当d4995计数值在31－100之间，由于d6000内的数值30小于d4995内的数值，y360输出状态为0。d6000的取值范围为0－100间的整数，通过调节d6000的数值，即可对加热器1的输出功率进行自由地调节。
2 控制系统构成
每台机组各配一套自控系统，两套zkzhf175机组配置西门子cpu-226+em235+2个em232+em277，四台zkzlfx100机组配置西门子cpu226+em235+em277，另两台zkzhf301机组配置西门子cpu-226+em223+em235+2个em232+em277。每台机组需要与上位机相连。根据要求，将整个系统分为2部分：空调机组就地控制、集中控制部分。
2.1 空调机组就地控制部分
图1 空调机组就地控制部分
如图1所示，空调机组就地控制部分在整个结构中智能的控制空调机组中各部件的运行/停止状态，通过它可以对每台独立的空调机组进行监控，当独立的机组与系统主站通讯出现故障时，可以通过该部分控制每台空调机组独立运行，但对空调的就地控制、操作有一定的权限限制。
图2 系统示意图
在每台空调机组上装有控制柜(共8个)，控制柜中配有触摸屏、plc模块、模拟量输入/输出模块等。空调机组通过各种传感器采集房间的温度、湿度、压力等信号，并将具体信息显示到触摸屏上。通过该控制柜可以对空调机组的运行状态，故障情况进行监控，也可以对各种参数进行设定。
plc配置：机组就地控制部分的plc采用西门子s7-200cn可编程控制器模块。该系列plc适用于各行各业、各种应用场合中的检测、监测及控制的自动化，在中央空调控制领域中得到广泛应用，其强大的功能、高度的可靠性、极高的性价比使其成为该项目合适的选择。
人机界面：采用西门子k-tp178-micro，通过点对点的连接完成和s7-200cn的结合，整个系统具有良好的稳定性和抗干扰性。ktp-178micro触摸屏采用了可靠的电子部件，具有超长的使用寿命，并与高度可靠的西门子s7-200plc结合，能够满足空调系统的24小时不间断工作的要求。ktp-178micro还具备了响应速度快、用户程序存储空间大、使用方便等优点。
2.2 集中控制部分
如图2系统控制图所示，集控部分采用wincc作上位机监控系统，s7-300cpu做profibus主站，s7-200作为profibus从站，通过profibus-dp网络，s7-300cpu采集8台空调机组的过程数据信息并在上位机上显示，并且上位机下达任务通过s7-300cpu传送给各台使用s7-200cpu的空调机组。集中控制部分的硬件组态如图3所示。上位机配置包括监控计算机；winccv6.0 sp3软件；cp5611通讯卡；网络连接器；profibus通讯电缆。
监控系统采用西门子wincc监控软件，可以确保与simatics7系列plc连接方便、通讯高效。该软件具有强大的画面组态、报警设置、数据归档、报表设计等功能，高性能的过程耦合，快速的画面更新及可靠的数据传递使其具有高度的适用性。wincc还提供了开放的界面用于用户解决方案，使其使用于更广泛、复杂的控制中。还集成了多种网络连接方式，使其与自动化连接更方便。
图3 s7-300硬件组态示意图
3 系统功能设计
3.1 就地控制功能
(1)数据采集及显示。采集各房间的温度、湿度、压力等模拟量值，以及cpu输入端的数字量，运行中的各种过程数据均能显示在触摸屏上，对于温湿度采用趋势图显示，更能使用户能直观的观测到近段时间内厂房的温湿度变化；现场维护人员还可以根据空调机组的运行状况和各种工艺需求近距离对机组进行操控。
(2)故障报警。当空调机组运行出现故障，plc立刻做出响应，触摸屏发出报警信号对操作人员进行提示，并对故障类别、发生时间进行记录。plc可以根据故障的类别发出停压缩机或停整机等信号，以保证整个空调机组的安全运行。
(3)自动控制。每台空调机组根据其所在房间温湿度的要求，自动调节制冷、加热、除湿、加湿，通过对各开关量及模拟量的控制，满足用户的精度要求。
3.2 集中监控功能
如图4和图5所示为集中监控8台空调机组及其监控状态的示意图。
图4 集中监控8台空调机组
图5 集中监控空调机组的状态
(1)数据采集及显示。s7-300cpu通过profibus-dp网络自动采集和处理从各就地控制部分收集的实时数据，并与计算机进行通讯，将采集到的温度、湿度、各系统的输入/输出状态、各阀门的开度显示到上位机，将操作人员发出的命令传送给每台机组。
(2)实时故障报警。对各空调机组的就地控制部分、通讯网络等进行故障监控，及时发出报警信号，并发出相应的处理命令，对故障发生的时间、故障的类别进行记录，帮助整个系统的安全运行。
(3)历史故障查询。监控整个系统八台空调机组的运行情况，对每台机组的通讯故障、运行故障进行记录，方便操作人员在故障发生后的任何时间进行汇总查询。
(4)实时监控与调整。上位机可以对8台机组的状态进行监控并控制机组的启/停，也可以及时的修改各参数的设定值，对整个系统集中控制。
(5)数据归档。集中监控系统对整个系统的报警情况、对监控对象的操作情况及监控参数的变化情况进行监控，并将所需信息记录下来进行归档，形成中文报表显示在上位机并可以随时选择打印。
(6)提供帮助信息。对于系统的操作顺序，故障的处理方法，参数的设定范围等为用户提供提示信息，使操作更方便。
4 技术要点
4.1 pid算法的应用
为了使空调系统的控制精度达到用户要求，我们采用s7-200cn支持的pid控制。pid是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法，micro/win提供了pid指令向导，使得控制的实现更加方便快捷。根据设定温湿度与各室内实际温湿度的差值，按照pid算法计算出水阀、加湿器等的输出量，并且控制压缩机、加热起等执行机构的启停，从而实现温度、湿度达到用户要求精度。
4.2 s7-300与s7-200的通讯
如图6所示，s7-300通过em277模块读取s7-200plc的数据，在s7-300的硬件组态中配置与s7-200的每个站的通讯量为32word输入/32word输出。以下以台空调机组为例，在s7-200站中从地址vw1064开始的32个字中存放着空调机组的运行数据，通过下面程序，传送到s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw64开始的32个字中。
图6 s7-300读取s7-200的数据
数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字中存放着上位机控制空调机组的数据。通过下面程序，s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字传送给s7-200的地址vw1000开始的32个字。
图7 s7-300往s7-200写入数据
4.3 wincc图形参数和变量关联
为了把系统中各部分的实时状态更直观的展现出来，将各运行系统以图形的方式展现出来，并且实现图形中的各组件根据实际情况发生变化。
如图8所示，需完成功能为当回风机运行时颜色变为“绿色”，当它停止时，颜色变为“黄色”。
图8 wincc软件操作示意图
(1)将风机图片添加到“系统图”画面中；
(2)在风机图片上点右键，在属性中选择“控件属性”，在forecolor(前景色)处选择动态对话框，选择变量为相应的回风机的启动点地址，在有效范围处选择“置位”时颜色为绿色，“未置位”时颜色为黄色。
5 结束语
系统于07年投入运行，运行状况良好，用户十分满意。整个控制系统操作简单，管理方便。各就地控制部分，运行稳定，满足用户精度的要求；集中监控系统使得整个系统控制更方便，管理更便捷。满足项目要求的高度的可靠性、稳定性、可操作性和可维护性，给用户的安全生产提供了保障。通过该项目对西门子s7-200plc、s7-300plc和wincc等的综合应用，深感西门子plc编程软件结构化程序开发思想，具有编程灵活，高效，程序简单，易懂的技术特色，监控软件wincc功能强大、画面丰富、使用方便，在该项目的控制系统中起着重要作用。由西门子产品组成的控制系统功能强大，扩展模块丰富，组态灵活，具有极高的可靠性和稳定性，与同类产品相比，性价比极高。
一、引言
矿棉吸声板是本企业去年投产的一种新型建筑装饰材料。引进90年代先进的日本全套板材自动生产线，可以生产不同厚度，不同规格，不同花色的矿棉吸声板，但由于日本原装包装线设备费用昂贵，且国内并无此种板材堆垛全自动包装线，由我中心开发本自动包装线并已投入使用。
本自动包装线是板材自动生产线的后继设备，由于矿棉板的成品板（规格：300mm×600mm）是分两路并排由干燥窑输送出来的，本自动包装线也具有两路独立的分流，翻板，堆垛系统，后经包装段统一到一起，再进入塑封段完成包装任务。按工艺要求本包装线应该能够实现：（1）自动翻板，即把块板经翻转后扣放在第二块板上，使两块板保持面与面的接触。（2）自动堆垛，即把经翻板后的不同规格的对板按不同数量堆成一垛。（3）自动装箱，即用机械手把堆成一垛的板放在纸箱板上，经本工段后把一垛板自动包装，粘合好成一箱。（4）塑封，即把装成的箱进行塑料封装。
二、控制系统主要设备及控制方案
本自动包装线是典型的逻辑顺序控制生产线，有繁多的检测元件，逻辑关系复杂，实现动作难度大，I/O点数近400多个。其受控设备除变频器，执行气缸还包括一套单轴交流伺服系统和一套喷胶系统。由于生产线较长，执行设备相对独立集中，按照设备可就近控制的原则，在中央控制柜下分段设立三个子控柜。采用OMRON-C200HG构成的远程I/O系统来完成控制方案，其控制系统结构如图所示：
上图使用Omron-RM201主站单元由RS485通讯口与三个Omron-RT201从站单元连接。伺服系统由OHMODC-1001控制器和PanasonicDV80X驱动器及伺服电机组成。伺服可以用输入器（ODC-1001）或由中央控制柜面板直接控制，它由PLC的两个独立的I/O单元对控制器进行控制。喷胶系统具有独立的溶胶温控线路，由PLC提供喷胶电磁阀的控制信号。本自动包装线有如下功能：（1）全线自动运行；（2）各工段独立自动运行；（3）现场设备就地控制手动运行；（4）各控制柜设有急停按钮，机械手，伺服机均设有特殊急停按钮。
三、控制系统设计
本自动包装线的控制系统程序设计，使用OMRONSSS软件用梯形图直接编程，井进行现场调试和程序监控。经过现场调试使本系统能够符合现场的各种工作条件操作极为简单，能够对故障和人为的干扰进行判断，分析，实现简单智能化功能。本程序采用模块化设计思想，分工段可独立操作完成本工段的工作，模块之间井用连锁和互锁条件建立关系，全线自动或分段自动时信号可互相调用。下图为包装线包装段的控制逻辑图：
伺服机的前进是由三个工位工作的完成情况来控制的。在本系统上电初始时，伺服机先回原点，由于此时三个工位上都没有工件，必须由纸箱站开始，伺服机一个工位一个工位的前进。当纸箱站吸纸板完成后伺服机就执行程序，当伺服机停止时，纸箱站再吸一个纸板完成本工位工作，但此时伺服机并不能再向前进，只有装箱工位在机械手放完一垛板后伺服机才能前进到下一个工位。此时纸箱站处再吸一个纸板，装箱工位再放一垛板，此时就必须再等粘箱工位把纸箱全部粘合完成，伺服机才能再向前走以后三个工位便动作，伺服机便不断工作下去。这段程序的逻辑动作比较复杂，关键是抓住伺服机前进这一目的。在完成本段初始化设计中使用了SEUREST指令，用起来方便有效。在这一段的程序设计中关键考虑这样几个问题：
①PLC的电源只有当工厂大修，或长时间不生产时才断开，而在每班次结束或休息时只须在面板上实现软关机，此时PLC仍为RUN状态。伺服机也同样只须软关机。伺服机必须能够区别是PLC断电再开还是软关机后再开。
②由于伺服机的运动轨迹与机械手的运动平面是相互垂直的，它们又是由两个独立的子控系统控制的，因次在机械手伸出的条件中必有两个信号：上升旋转气缸的得电信号A和伺服程序段结束信号B。当A信号接通时说明此工位有板，伺服机处于等待另两个工位的完成信号，伺服机即将运行。此时B信号接迪机械手是伸不出的。当B信号接通时说明伺服机己完成程序，可以进行本工位操作。当A断开时，由于此时伺服机正处于运行状态，只有当两信号满足时才能向装板工位装板。
③由伺服机连接起来的三个工位，每个工位执行元件大都是由电磁向控制的气缸完成的，在气缸气压不足，机械限位松动以及其含意外故障都会影响本工位工作完成情况，拖延动作时间，它将导致堆垛，翻板，和输送段的堵板。在设计中可以节拍为依据，对每一个必须到位的气缸均设时间监测及故障报警伺服系统由OHMODC-1001和Panasonic DV80X组成，采用示教方式编程控制。
OHM I/O信号接口共有48个端子。我们采用集电极开路控制方式，把脉冲输出端等用双绞屏蔽线引至DV80X的CNI/F端子用来控制脉冲和脉冲符号输入。把程序选择端子CHACHB及启动信号引到端子接进PLC的输出模块，作为伺服的程序选择通道信号。选择STANDBAY作为伺服程序结束信号接进PLC的输入模块，当PLC接受到此信号时就可以进行生产线上的其他动作。我们由PLC输出端引出一个回原点信号，使伺服机在进行规定的程序后，因负公差重新向前找回原点。原点信号选用反射式光电开关，使总累计误差在-0.lmm以内，能够满足精度要求。在开关电源的选择上，伺服24V电源容量不能太小且需单独使用与PLC用24V之间应严格区分避免干扰，PLC在模块选择上也同样要注意这个问题，尽量避免伺服信号与其他信号混放在一个模块中，可以优先考虑使用独立COM端的PLC模块。伺服控制程序（INC方式编程）如下：
STEP1 DIM=（0000.0000
STEP2 POS=+787.9800
OUT=OOOO
SPEED=100
SLOPE=30
STEP3 POS=+42.00001
OUT=0000
SPEED=50
SLOPE=30
STEP4 POS=+12
STEP7
STEP6 END
STEP7 RTN
STEP8 END
塑封段主体设备为一台连续式电阻炉，它的温度控制主要由两部分组成：SR-73PID温控表和固态调压器（或采用PAC03A三相调压控制器）。温控表通过K型热电偶输入模拟量，输出4-20VDC电压来控制三块固态继电器SSR（或直接控制PAC03A三相调压控制器），每个固态继电器（或控制器）又分别带若于加热管。固态调压器则由电位器来控制输出，每个固态调压器也分别带若干加热管。温控表和固态调压器的总控则由PLC来完成。这样塑封炉膛内温度就可以分段全控，分段调压，分段直接启动，能够把温度控制在180℃左右，对己包装的箱体进行塑封。本段的其他动作如推箱，封切，放膜等均由PLC进行控制。
四、结论
建筑板材是现在较为流行的新型建筑装饰材料，由于装饰板材的结构特点：面积大，体积小，边角易损，表面脆弱等，对于其产成品的包装，就成了急需解决的问题。现在我国的建材企业，大多都是采用手工包装，工人劳动强度大，产成品质量没有保障。自本自动包装线在本企业投入使用后，基本解决了以上问题，极大提高了产成品合格率，减少生产线工人近3/4，深受用户好评。
前言：电梯控制系统主要包括逻辑控制系统和调速系统。
调速系统的控制精度包括速度控制及位置控制对电梯的舒适度有非常重要的影响，本例所采用的调速系统使用三垦高性能变频器，利用旋转编码器测量拽引电机的转速，使用扩展的PG卡采集脉冲信号控制变频器的输出所构成的闭环控制系统，使电梯在双速运行过程中更加的稳定。
逻辑控制系统对于电梯的安全性及稳定性有及其重要的影响，在本例中，采用NA200PLC构成逻辑系统的控制核心。NA200PLC以全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障。数字量输出模块采用输出回路密码锁设计，通过模块的反读、校核及执行的联合控制保证在任何情况下不会发生误动作。NA200PLC以其运算速度快，高性价比及优良的客服赢得了市场的认可。本例阐述了NA200PLC电梯控制系统的设计思想及方案实现。
系统构成：
1、硬件系统：本系统主要由PLC，变频器，及拽引电机组成的VVVF控制系统。如图1所示，用来完成对拽引电机的启停，加减速，运行方向，安全保护等指令信号的管理和控制。为了使电梯停止即变频停机时更加准确稳定，建议变频器加装制动系统（外置制动单元及制动电阻）。电阻制动比起双IGBT模块制动在节能上存在缺陷，从维护成本来说，显然更换电阻会比更换模块划算很多，利用IGBT模块反馈电能回电网的技术推广和使用都没有普及。
图1
变频器的输入信号包括：上行信号和下行信号，对应变频器的正转DI1、反转DI2端子，电梯低速和电梯高速运行信号，对应变频器的一段速指令端子DI3及二段速指令端子DI4，而PG卡接收的信号为脉冲信号，端子硬件定义为开路集电极输入，端子定义如图2所示。
图2
输入输出单元为PLC的I/O接口部分：主要包括输入部分门厅呼叫，厢内楼层选择，平层限位及开、关门限位检测等信号，输出部分变频器控制，门机控制，抱闸动作，楼层指示，上行、下行指示，报警指示等信号。输入电路如图3所示。输出电路如图4所示。
图3输入电路配置
PLC接收来自电梯的呼叫信号，平层信号，根据这些输入信号的状态，通过内部的控制程序对信号的处理，后向执行机构和各类显示元件发出控制信号。在电梯控制系统中，由于其控制的随机性，各种信号之间的关联性很强，逻辑关系的处理得当对电梯控制系统的稳定性及电梯的安全性能有直接的影响。PLC编程技术就成为本例电梯控制系统的关键技术。
图4输出电路配置
2、软件结构：
软元件及变量分配：
程序设计：程序采用模块化设计方法，对I/O点集中处理，思路清晰，便于系统调试和故障检修。下面介绍其中几个功能模块的梯形图程序：
（1）、维修状态的梯形图程序：旋钮的默认状态为I0001断开，在断开时M0002闭合，不论电梯处于什么位置，都直接下行到底层，电梯到达底层后，厢门上的限位器传送信号到PLC中，表示电梯已经到达目标位置，延迟一段时间后，厢门开启进行维修工作。
（2）、电梯上下行运行判断程序：如果电梯处于底层或顶层，则运行时只有一个方向：上行或者下行。如果停留在中间任何一层，就需要PLC的运算将现在所在楼层和输入指令的楼层进行比较，输出上行还是下行的指令。
（3）近上行目标楼层确定程序：当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在开始移动，在还没有到目标楼层之前，例如，正在1层开始运行，有人在2楼按下了上行的按钮，则电梯的近上行目标楼层应立刻更新为2，而如果此时1层按下上行按钮，则不会影响电梯上行的运动状态。
（4）开关门程序：在电梯运行过程中，按下开门按钮，电梯门也不会打开；同样如果电梯门没有完全关闭，电梯不进行上下运行，以此保证乘客的安全。电梯定位完成后，开始计时1s开门，而手动开门也必须在延时结束后才能动作；电梯开门后计时2s后关门，而手动关门也必须在延时结束后动作。