西门子6ES7231-0HF22-0XA0详细资料
上世纪六十年代以来，各国相继设计和发展了自动化程度很高的物流存储系统－－货架，普遍采用多层钢货架结构，其承重结构组件多采用冷弯薄壁多孔型钢，由于组合式货架钢结构体系设计与装配上的要求，需要在特定冷弯型钢的立面、侧面冲压出一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续装配孔洞，以便用螺栓或其他的机械扣接等方式装配成结构件，构成了特有的冷弯薄壁多孔、截面复杂的货架钢结构体系特征；使用先进的在线预冲孔货架冷弯成型技术及设备生产的货架组件可有效降低材料消耗，确保冷弯成型截面的冷弯性能、孔位精度和表面质量，提高货架钢结构装配时的工作效率，极大地提高货架钢结构的稳定性和可靠性。本文拟就SIMATICS7-300PLC在货架冷弯机组电气控制系统中的具体应用及系统调试特点，该PLC控制系统的软硬件配置及控制方案的实现等进行探讨分析,与同行共勉。
2 概述
2.1货架冷弯机组系统功能简介
2.1.1系统配置：
货架冷弯机组系统由开卷机、校平机、切头焊接机组、伺服送料机组、在线冲孔压力机、冷弯机组、定尺飞剪、出料架等基本结构组成，(如图1所示)。也形成了货架冷弯组件特有的冷弯成型工艺特点。根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ基本稳定在±0.15mm以内，且孔位误差符合正态分布规律，电气控制精度确保在一个旋转编码脉冲上漂移，从根本上也保证了总长度上的累积误差小，基本稳定在6σ以内。由此也对货架组件的冷弯制造工艺提出了更高的要求，并形成了货架组件特定的冷弯生产关键技术和设备。
2.1.2 工作过程：
卷料或带钢料经开卷机放料，通过开卷机与校平机的速度匹配将卷料进行校平操作，便于后道的伺服送料及在线预冲孔等工序的加工处理，再经冷弯机组的冷弯加工形成需要的合格截面，通过定长检测和切断、打包或后处理完成具体产品的生产活动。其中的关键控制技术有：开卷机和校平机的速度匹配问题（因开卷卷径的变化和校平机线速度的恒定间存在矛盾）、交流伺服送料控制精度和稳定可靠性及其与压力机的动作节拍的协调、直流变频调速系统与同规格不同厚度或不同规格产品的冷弯成型力矩之间的动力平衡问题的解决、孔位和长度定位精度的控制问题等。
2.1.3 货架冷弯机组系统有两种工作模式。
手动操作：可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置的单机设备的启动、停止、设备的调试与检修、辅助操作手柄设置有向前向后的点动模式，实现冷弯操作过程的引带和故障处理等；
自动操作：可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置设备的联线运行，可以通过触摸屏或辅助旋钮等设置生产线的运行速度、生产数量、定尺长度及修正值等，并通过触摸屏显示实际生产量、生产线的实际运行速度、PLC检测到的故障信息等；
3.1 系统基本构成结构
3.1.1 PLC系统基本构成结构如图2所示：
货架冷弯机组的PLC系统采用了Profibus-DP现场总线技术,并把交流伺服、直流调速或异步交流变频调速等先进的定位控制技术也集成到总线中,是Profibus-DP现场总线技术的一次成功、高层次应用案例。PROFIBUS-DP系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输入输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。
3.1.2 SIMATIC S7-300 PLC系统配置
硬件：
1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块，
2）、伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块，
3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一块，
4）、继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块，
5）、SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATICS7-300 PS3075A电源模块一块，
7）、接口模块IM153二块，
8）、数子量输入输出模块SIEMENS 6ES7 321十块，
9）、人机界面TP170A一块，
10）、PROPHBUS网站一套等；从站可根据系统设计和要求合理选择多组。
软件：
该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7V5.2编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便WINCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统润滑泵的启停周期和运行时间。
4 SIMATIC S7-300 PLC在货架冷弯机组中的应用
4.1本机组电气控制部分采用西门子S7-300PLC，PLC与监控系统以及各从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线方式；冷弯成型机组的主动力由SIMENS公司6RA23系列直流调速控制器和直流电机实现，为了减少故障排除时间，整线电气控制系统有启动提示、故障报警及自动停机等功能，并通过汉字显示终端，显示故障详细内容：如①压机抬起不到位；②伺服模块故障； ③直流过热等信息。
4.1.1 SIMATIC S7-300PLC在货架冷弯机组系统控制中的具体应用涉及前后工序设备单机间的速度匹配、整线速度的调整以及货架冷弯机组的传动位置定位、各单机整线自动运行或手动运行所需要动作的输入输出、整线故障自诊断等控制方面，如压力机单机运行的电气控制系统及其与整线相联接的输入输出信号等；光电编码器和测长轮同轴连接，把货架冷弯型材的长度转化为相应的脉冲信号，并利用PLC的高速计数模块或伺服定位模块进行计数或定位控制，以实现货架冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作等。
4.1.2根据货架冷弯机组的基本运行功能和要求，确认SIMATIC S7-300PLC主要输入输出信号：①系统控制的输入输出信号有：开卷机液压涨紧装置的伸缩运动、开卷送料电机的正反运动、压料头和涨紧装置的液压换向运动，电液刹车装置动作的输入控制；②校平机驱动电机的正反转运动，压料装置、辅助进料装置的顺序动作等；③剪切对焊机的引送料装置动作；④伺服定尺送料装置的定位送料控制及手动操作要求等；⑤压力机的单机控制及整线联机信号的控制，如压力机工作的上下滑块极限位信号、伺服运行允许信号、压力机的启停信号等；⑥冷弯成型机的启动、正反转、高低速、停止信号，液压剪切定位及控制信号等；⑦各单机间的速度匹配控制信号，如料坑中送料状态检测信号、料尾检测控制信号等；⑧与触摸屏、伺服定位控制单元等之间的网络线接口等。由此决定了PLC的输入和输出信息量大小和总体的编程思路。
4.2 特殊单机运动分析及PLC电气控制要点：
4.2.1伺服定尺送料装置动作分析及设计原理：主要由如图3所示的自动送料装置组成，⑴光电传感器1#部分：主要反馈进入压力机工作区域前的钢带状况，如：有无余料、是否缺料等，可有上限位光电传感组、下限位光电传感组及送料动作光电传感组构成,一般在自动送料装置前设置缓冲料坑；⑵伺服电机经1/i齿轮箱向下导料辊传递输送动力，齿轮箱的传动比和电机的转速决定该系统送料、定位速度，也是系统主动力和定位精度的执行单元；⑶200PPR以上的旋转编码器测出上导料辊通过与板料间的运动传递的实际位移及速度信号等；⑷机械抱闸实现定位后的位置固定，确保在冲压过程中不发生外力作用下的位置偏移或其他误差的产生；⑸光电传感器2#传递压力机工作滑块的位置信号和其它需要的控制输入信号；一般可利用压力机本身的凸轮控制器来综合设计考虑；⑹上、下模实现在线孔位的预冲压。
4.2.2伺服定长送料电气控制原理见图4；具体的每模送料步距量值的大小PLC组成的上位机设置相应的计数脉冲数或长度转化值，并由与上导料辊相联的角编码器被动测量反馈信号相协调（由程序设定和触摸屏显示），PLC中选配的伺服定位模块驱动伺服单元和伺服电机动作，实现冲压板料的可调整、高精度、无积累误差的一定步距的送料冲压，累积误差由程序中设置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，如：定位冲压由SIMENS公司定位模块SIMATICS7-300 FM354、YASKAWA公司伺服系统SDGB-03ADG、伺服电机SGMG-3DA、OMRON公司位置检测脉冲编码器完成；
4.2.3冷弯成型机组的动作分析及设计原理：当按下运行命令后，冷弯成型机组主电机带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置检测信号，旋转编码器进行一定距离的位置检测并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。由于物流产业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了更高的要求，如：孔位误差不超过±0.3mm，孔位累计误差也不超过±0.5mm等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，必须定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、相关外围设备参数变化或调试过程中的机组再调整、设备的维护保养等，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。
5 调试要点及注意事项
5.1 常规检查。
在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查（包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等），避免损坏PLC模块（用STEP7的诊断程序对所有模块进行检查）。
5.2 系统调试。
5.2.1系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行.其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。一般系统所存在的问题基本上可以在此过程中得到解决。总线的参数通过Siemens编程软件包Step7(Ver 5.0以上)中的特定界面设定。如图5所示：
5.2.2 参数设定好后, 将硬件配置下载到PLC中, 整个系统上电后测试总线是否连接正确。
由货架冷弯设备机组的在线调试现场的经验表明：总线的连接是一个情况比较复杂的过程,有很多因素会对总线控制造成影响；比较常见的：参数设定不正确、总线电气连接不完善、电磁干扰等。我们在工作现场就发生过伺服控制系统工作丢步、工作不协调、伺服不明飞车等偶然故障，并通过更换相应电缆和排除干扰源的方法来解决；如：货架冷弯机组在线预冲孔装置的伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题，货架冷弯机组在设计时会考虑使用多板厚同规格的系列产品、或通过不同的冷弯工艺在一条生产线上生产不同规格尺寸的货架产品，故交流位置伺服系统的负载的大小和性质会发生多种变化，甚至相同规格卷料的更换也会造成负载的不稳定与变化,这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏,使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行,必须在调试现场得到系统所带负载的动态性能指标和伺服系统在线带负载时的动态性能指标,在调试过程中对系统进行动态性能分析与测定,并凭经验由人工进行现场在线调试工作，调试现场也需要配合相当的人力进行相关数据的收集整理、数据分析处理等，也易造成相当高的调试废料，在调试过程中还存在相当的未知影响因素等；这都要求工程技术人员有较强的知识和丰富的现场经验来处理。
5.2.3本系统采用SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC是用户子程序。DB是用户定义的用于存储数据的存取区，本系统中它是外挂单元与STEP7程序的数据接口点。
5.3在线调试设备开停时，必须先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为“1”（正式运行时，撤销强制）。调试单台设备时可针对性地建立该设备的变量表，对该设备及其与该设备相关的变量进行实时监视。这样既可判断逻辑操作是否正确，对模拟量的变化也可一目了然。比如调试电动执行器时，可建立一变量表，对执行器的位置信号、限位信号、过力矩信号及输出命令信号等进行实时监视，便可非常直观地观测执行器的动作情况。
5.4货架冷弯生产线在正常生产前，需要在手动工作模式下进行穿引带调试工作，通过操作手柄、控制面板上的动作按钮操作调试设备，并检查和人为设置报警故障模式，如料尾无料停机保护、伺服送料不到位故障、各单项顺序动作的实现和快速反应程度等；确认上述调试过程无误后将机组工作模式转化为自动工作模式下进行整线联机调试，通过冷弯制件的尺寸精度检查和分析，排除冷弯模具、工装设备制造调试精度等的影响，确认设备的操作性、维修方便性、定尺控制精度等，其中的调试关键和难点在：伺服定长送料装置的运行稳定性和精度保持性、定长剪切断装置的控制精度和运行方式的选择。由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及伺服电机自身和被控对象的严重非线性、强耦合性等不确定因素，必须在线修订模糊控制的数学模型和控制敏感参数，相应的PID控制参数，以实现系统无超调和振荡现象。
1 引言
非织造布(Nonwovens)又称为无纺布或不织布。非织制布是在不用纱线或少用纱线(纤维超过50%)的情况下直接利用高聚物切片、短纤维或长丝通过各种纤网成形方法和固结工艺，如化学粘合、针刺、水刺、热轧、缝编、印花、热风透吹粘合等制成的具有柔软、透气和平面结构的新型纤维制品。某全球无纺布生产商主要生产的无纺布以天然纤维棉花为主要材料，通过大小开棉机，混棉机得到分散，比例均匀的纤维，利用抽风电机把纤维送入喂入辊，主辊，道夫辊，铺网辊变成丝状后，再通过成卷机，打包机加工成可利用的无纺布。
根据工艺流程要求以及考虑到此生产线已使用年限过长，加之操作人性化方面不够。通过与公司里的技术人员反复磋商。决定对其进行升级改造。
2 系统组成
原来的生产线主要有4条(分别命名为CARD1~4)。四条生产线由4套系统(分别叫NP10，NP20，NP30，NP40)进行数字量的控制，还有两套系统,其中一套进行模拟量的控制(叫做NP50)，一套(NP60)进行报警，指示使用。每套系统可独立运行。全部使用西门子PLC进行控制。其中NP10，NP20，NP30，NP40，NP60使用的是西门子早期的PLCS5-110A，而NP50使用的是S5-115进行电机的调速和通讯。
针对企业提出的“管控一体化”人性化的要求，确定系统方案。设计中采用了“集中监视，分散控制”的监控系统。因为系统的输入输出点数较多(差不多800点)，并且要求每条生产线旁边都有现场操作员面板，不宜选择计算机来作监控。后选择了西门子公司的操作员面板OP270作监控。因为现场的变频器，直流调速器都还使用正常，并且也考虑到S5-115还有利用的可行性，决定保留NP50这套系统而改掉NP10～40，NP60这五套系统。考虑到西门子S7系列PLC的强大功能完全可以用一套315-2DP＋分布式I/OET200M(简称NP-new)代替原来繁多的5套系统。
2.1 操作员面板监控站
由4台OP270和1台OP37组成。其中OP270与S7-315通过Dp网相连，传送速率设为187.5kbps.OP37与S5-115也以Dp网通讯。这些面板主要完成电机的启动，停止，电机的运行状况的显示，报警提示以及电机的转速等模拟信号等。由于操作员面板的引入使得操作更加人性化，也取代了原来的NP60系统。使得整个系统整洁，明了，减少了繁多的元器件损坏带来的无休无止的维护。
2.2 NP-new系统
由一台S7-300中的315－2DP＋4个ET200M＋15个DI×32+10个DO×32组成。主要作用是进行数字量的逻辑运算，通过Profibus和OP270以及NP50通讯。由于在这套系统中保留了原来模拟量调速系统(考虑改造成本太大也没必要)，整个系统要面临的是繁多的电机启停和各种各样的监测信号输入和保护电路。后来专门开发出电机起停专用块，使得整个编程变得非常简单，享受。
2.3 NP-50系统
主要完成模拟量的调速使用。其中直流电机使用开环控制，交流电机如主辊电机和道夫辊电机使用交流闭环控制，利用测速发电机对主辊进行测速。得到的交流电经过转换变成-10~10V直流电进入变频器控制电机转速。在实际运行中，主辊电机功率比较大(30kW)，转速也比较快,而在对进来的棉花进行拉丝时，如果有金属进入棉花的话很可能把刺头搞坏，通常都装有金属探测装置，主要探测是否有金属进来。如果万一有金属进入的话，或者火警或急停来的时候需要主辊马上停机。设置了一套连动监测装置让主辊可以反接制动停机。
2.4 监测仪表
各种各样的测量装置在系统中使用。包括:
(1) 安全回路的检测。主要是各扇门的监控;
(2) 测速电机与电压转换仪表;
(3) 带延时的电眼。主要监视棉花有没来到以及是否出现棉花堵赛;
(4) 光栅。防止棉花外露;
(5) 各种液压装置等，主要是进行卷绕和切割用;
(6) 各类行程开关。如跑偏行程开关等。
图1 为系统的架构图。
4个OP270和PLC及ET200M之间通过Profibus通讯。4个IM153分别安装于不同机柜中，就近控制现场设备。
图1 系统架构图
3 工艺控制描述
从外面买回来的纤维材料一般是一包一包的需要经过大小开棉机使各种捆绑纤维开松，并用风机输入下道工序之用。实际我们这套系统中中有2台开棉机，可放置2种不通的纤维材料。从开棉机出来的棉花根据工艺的不通可以进混棉机也可以不进混棉机，混棉机的作用只是把2种不通的棉花按一定的比例混合。当然在某些情况下并不需要混棉这时从开包机出来的棉花会直接进入下道工序。
大小开棉机出来的棉花或混棉机里出来的棉花一般通过一系列抽风电机把棉花送入梳理机。梳理机是整个系统的核心，主要作用是纤维的梳理，通常由喂入辊，主辊，道夫辊，铺网辊组成。通常喂入辊和铺网辊速度比较慢，用直流电机＋直流调速器进行控制。喂入辊的作用是把棉花慢慢的送入，送来的棉花经过主辊和道夫辊的高速旋转会被拉成一根一根的丝状。后通过铺网辊把丝状棉花送到下个工序。
丝状的棉花一般要经过成卷机的气压式切边刀或电动飞刀切边电热丝横切装置或电动飞刀横切装置等做成需要的形状。后通过打包机打包。形成产品。
当然在实际中并不只有这些装置，它们是整个系统的主要需要控制的部分，其它的还有
(1) 边角料开松机，用于无纺布边料开松料回收利用。
(2) 震动给棉机，将松开纤维开松混合，并处理成均匀的筵棉提供下道工序。
(3) 气流给棉机，将松开纤维开松混合，并处理成均匀的筵棉提供下道工序。整个工艺流程简图2所示。
图2 工艺流程图
4 电机启动程序的研究
4.1 电机正传控制功能块设计
由于系统比较复杂，电机数目比较繁多。寻找一条好的清晰控制思路就显得异常重要。编程中大量碰到是电机起停控制。迫切需要编制一个功能块:它能完善的表达出电机的所有信息，并且可靠。图3将以电机的正转为例来介绍这样的一个块。
图3 电机正转功能块图
在图3这个块中:①表示电机的启动位，②表示电机停止位。③是电机的热继电器，正常情况下热继为1。如果热电器信号没来，启动不了电机，并且提示故障。④为电机的接触器返回的信号。正常情况电机启动后应该给回一个接触器吸合信号。如果电机没有给回的话，监控异常信号会输出。通常我们把监控异常信号取出延时一会，如果延时过后还没出现电机反馈信号，这时输出电机的连接监控有效，切断电机，故障输出。⑤表示电机的连接监控。通常在电机启动等待1～2秒等待接触器反馈信号来到，如果在这段时间之内反馈信号没有到达，通过内部的逻辑电路停止电机。⑥是复位按钮。从逻辑图可以看出，电机正常情况下按复位按钮是无效的，只有⑨端出现故障时按复位按钮才有效。⑦用来启动电机。它的吸合直接对应了电机的起停。⑧表示电机的监控异常。通常它的作用是用来延时1~2秒看电机的反馈信号是否回来，如果没有回来它就控制⑤端电机连接监控接通。切断电机，故障输出。⑨是故障输出端。
在使用这个块一般情况下①②它们不表示一个按钮。通常用一个M寄存器表示，M的信号通常又是由一系列信号“与”“或”后得到的。如上图所示。例如“电机的启动信号①”＝“启动按钮”&“本块的故障输出端⑨的非信号”&“输出某台电机启动后给回的信号”&“…”。再例如“电机的停止信号”＝“火警”或“急停”或“停止按钮”或“联动电机的反馈信号的非信号”或“…”。
5 电机正反传控制功能块设计
图4是电机的正反转起停功能块图。
图4 电机正反转起停功能块
6 组态与通讯设计
6.1 编程和组态软件
在本改造中通过西门子S5(S5-115+IM308)PLC与西门子S7(S7-315+IM153)进行通讯。S7对原先的5套系统进行完全的代替。从后来使用上来看，完全可行。在S5中，通过IM308和FB192可以传送多达122个连贯字(244字节)。这已经完全满足要求了。而在S7中S7-300中，通过SFC14和SFC15进行字节的接受与传送，传送的数据量多达16个字(32字节)。
组态软件在S7-300中使用STEP7 V5.3，利用HWCONFIG进行组态。在S5中使用COM_ET进行组态也是相当方便的。因为COM_ET软件自版本V2.1起就已经是bbbbbbs版本了。不能使用S7-300的FM和CP，因为它们也通过背板总线使用S7系统实用程序，而这是S5主站不支持的。
6.2 系统的网络设置
(1) 在设置网络时要特别注意的是把CPU属性中的COMMUNICATION中的属性设置对，通常它都有3个项，一项是PGCommunication，默认值是1。第二项是OP Communication,默认值也是1，第三项是S7Standard，默认值是12。由于大的连接数是16，而OP270挂在S7 DP网络上的有4个，我们要把S7Standard的默认值设为11或再小点10也行。
(2)其它的一些设置都是一些常规设置，这里就不了。至于OP270支持串口下载，USB口下载和DP口下载，直接把用PROTOOL编好的程序以及OP的站地址设好下到屏中就可以了。还有就是OP的背景灯亮通常要置2BIT位才是亮。
(3) 本设计中注意的问题
●好使用专用的电缆和电缆接头。也许你不使用专用的电缆和电缆接头可能当时通讯也没问题。但一旦你进行维护的时候你会发现系统老是出现莫名其妙的问题，到时不光你要来回的往返于工厂之间，可能到后你也查不出问题的然来，为了你以后维护方便。好还是使用专用电缆和电缆接头。
●Profibus网络终端电阻必须有，在使用时把头尾电缆插头的终端电阻开关拔到ON上，中间的拔到OFF上即可。注意是首尾拔ON。
●当使用S7挂ET200M时。通常加一些OB块，例如OB82-87，OB120等，这样做的目的是防止其中的某一个ET200M站断电或故障，S7CPU就停止运行的情况出现。
7 结束语
非织造布(又称无纺布或不织布)是纺织业中年轻而大有发展前途的一个新兴领域。它具有工艺流程短、产量高、原料来源广泛、产品性能可按需要设计和用途广泛等优点。对于其控制目前几乎全部使用PLC进行控制，但一般由于各台机械之间的相互整合性不是太强，如何把他们完全的整合联系到一起进行统一的调控这是需要我们这些技术人员需要共同努力的地方。