西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0现货速发
1 引言
近年我国不少矿山企业为了实现高效、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP 圆锥破碎机，以优化生产指标和提高效率。该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障率高，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流 程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。
2 工艺与控制要求
某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿从原矿仓通过重型板式给矿机送入鄂式破 碎机进行粗碎，由1#皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛， 筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2#皮带，与振动筛构成 闭路；筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给 矿机、鄂式破碎机、2 台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热 继电器状态）的监测及自动联锁；②2 个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3 台除尘风机起停控制和工作状态监测；③粉矿仓超声波料位计的信号监测；④控制室与现场各车间联 络的声光警示信号。
本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2 台圆锥破碎机和轴瓦温度监测；⑥2 台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制；⑦1#和3＃皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制；⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC 控制系统通过转换开关进行工作方式切换。
3 系统硬件配置 根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控 系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC 控制器和现场电气驱动和信号 检测。PLC 控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟可靠，应用广泛，具有 功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI 接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护；16 通道DI 模块SM321，5 个；16 通道DO 模块SM322，3 个；8 通道AI 模块SM331，2个；4 通道AO 模块SM332，1 个；考虑系统的总点数和今后扩展 的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360 和IM361 通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSCADA 过程监控组态软件。S7-300 和监控 站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613 通讯卡，通过MPI 电缆进行连接。
4 PLC 控制功能设计
PLC 程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联 锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。
4.1 设备起停联锁逻辑控制
碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，后起动重板给矿机； 顺流程停机，即先停重板给矿机，后停4 #皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔， 以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变；当重板给矿机、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行；②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号超限时自动停机，以防止设备受损；③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警；④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。
系统从安全可靠、灵活高效的原则出发，设置3 种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动；②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用；③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停， 满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要；在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮， 可在3 种控制方式间进行任意转换。
通过对上述控制功能和PLC 各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻 辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K 为控制设备起 /停的PLC 输出信号，Y 为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产 生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态；S1，上台设备启动后延时触发信号；S2，转换开关处于计算机控制方式；S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动；S4，监控画面单动按钮；S5，控制方式预转换按钮；S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制；S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号；B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生；B2，监控画面停止按钮；D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发；B3，监控画面紧急停止按钮；B4，操作台紧急停止按钮；S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态；S9，该设备PLC 控制输出状态，为“1”表示PLC 控制线路接通。
图1 单台设备起/停控制梯形图
4.2 破碎机恒定负荷控制
Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在佳工作负荷状态，达到大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率(电流)作为被控参数，通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数，主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。
图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图
由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗扰动能力，提高了系统的动态特性和主参数的控制质量。
5 监控站人机界面设计
监控软件采用澳大利亚的CitectSCADA 组态软件。CitectSCADA 采用开放式结构，支 持多种型号的PLC 和I/O设备，只要在组态时设置PLC 类型和通信参数，并在监控画面的 控件属性中设置正确的PLC 位地址或字地址，监控软件就能建立起与PLC内部地址的连接和 通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画面（见图3），通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、现场询问等控制功能；②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义；③自动报表，将生产统计数据按生产班次定时打印；在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的 时候进行打印；④在线操作指导，采用bbbbbbs超级链接文本帮助的形式，向操作人员提 供了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息；⑤报警功能，在每幅画面上都有报警标志，设备故障、工艺参数异常都会触发相应的报警，每个报警都有详细的说明和原因解释，并有完善的报警确认、报警屏蔽和报警历史记录；⑥权限安全设置， 通过设置工程师和操作员2级权限，明确了生产操作和管理职责，防止了误操作，有效的增 强了系统的安全性、可靠性。
0．引言
我们上海一纺机械有限公司（原上海纺织机械厂、上海纺织机械总厂），建立已有80余年的历史，生产纺织机械也有近半个世纪。公司常年致力于开发、生产、销售的纺织机械品种涉及棉、毛、麻、绢、化纤等多种领域的前纺设备。
在科学技术飞速发展的历史进程中，公司的纺织机械电气控制系统的自动化程度也发生了较大的变化，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）、工业控制器等多种控制形式，这些控制方式各有特点，例如，纯继电器线路可以用在控制极为简单的纺织设备中，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；PCC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。现在一般的纺机设备，PLC是常见的控制器。本文仅对PLC逐代应用于公司的“四代”精梳机等产品加以回顾和介绍。
1．棉精梳机简介
本公司的主导产品是棉纺厂使用的精梳机（其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），公司也正是伴随着精梳机不断的升级换代而发展壮大的。十几年前，我们公司的精梳机在全国棉纺厂的市场占有率曾经是90%以上，多么值得骄傲和令人羡慕的数字！由于人们生活水平的不断提高，是在全国棉纺业压锭的年代，人们对棉精梳设备的需求也丝毫没有削弱过。当然在市场经济的模式下，谁也无法垄断任何产品，并且随着欧洲发达国家制造的棉精梳机大举进入、国内同行的多方夹击，使得棉精梳设备制造业的市场竞争日益激烈，也对我们公司的精梳机市场份额形成了强烈的冲击。形势所迫，我们只有不断的开发出新的纺机产品，才有继续生存的空间。可见，做好和不断开发新型精梳设备于国、于民、于企业的生存和发展是何等重要。
2．可编程序控制器（PLC）的发展与流派
可编程序控制器的英文为ProgrammableController，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。到了90年代，由于个人计算机发展起来后也简称为PC，加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，美国AB公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC-ProgrammableLogic Controller)，为了方便，乃简称可编程序控制器为“PLC”。
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，现在已有第五代PLC产品了。在制造工业的发展过程中，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产品。
为了使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，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，为编程带来极大方便。
世界上PLC产品可按地域分成三大类：一是美国产品，一是欧洲产品，一是日本产品。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，日本产品约占有70％的份额。
3． 回顾本公司产品伴随PLC技术的同步发展
3．1. C60P用于“代”（以使用PLC算起，下同）FA252型棉精梳机
我们公司在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，我们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，这些技术和元气件的进步对于我们从事自动化设计的简直是革命性的！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。
3．2．CQM1用于“第二代”PX2型棉精梳机
我们在九十年代后期，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，开发成功后几年中销量就达几千台。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。
3．3．CPM1A用于“第三代”CJ25型棉精梳机
随着时代的发展，我们的精梳设备同各行各业一样也需要不断的更新，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）等关键指标上比C60P都前进了一大步，完全能够满足我们的控制要求，于是，采用欧姆龙的CPM1A及显示器MPT002组合作为我们“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。
3．4． 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。
我们在承担下属公司的外协产品“高能聚焦超声治疗仪”的调试台时，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，在制作调试过程中就能很好把握设备的质量关，满足了用户的订货要求。
4． 新款CP1H用于“第四代”CJ60型棉精梳机
近年来，PLC技术的不断进步，为我们开发新的产品提供了自动控制上的保证。
欧姆龙公司2006年推出的新款CP1H小型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（相当多）、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）。
软件方面，与CP1H同步推出的CX-One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、Win98环境下使用的“SSS”软件编制的、以及所有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，这也是我们长期愿意使用欧姆龙PLC产品的理由之一。
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。
4. 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。
4. 2. I/O配置、标志位、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，部分声明如下：
图1 标志位声明
4. 3. T型图
系统中的一些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。节载如下：（见图2）
图2 梯形图
T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。
4．4． 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。节选如下：（见图3）
图3 使用ST语言编程
4．5. 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。实例如下：（见图4及图5）
图4 功能块编制实例
图5 功能块的调用
5． 结语
迄今为止，除了本公司前两年采用PCC系统开发的多轴驱动CJ40S型棉精梳机之外，应用了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。
对于PLC的发展商来说，它的市场潜力也是很大的，不仅在我国，在工业发达的日本也有调查表明，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。我们也希望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。