西门子模块6ES7222-1BD22-0XA0一级代理
自动控制可编程序控制器系统设计、应用
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，可编程控制器（PLC）已成为解决的有效的工具之一。PLC控制系统设计时应注意以下几点。
一、 可编程序控制器（PLC）及编程器的选购：
目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌以外，国外的品牌有：日本OMRON、MITSUBISHI、FUJI、IDEC、HITACHI、松下，德国的西门子，韩国的LG等，如何选购PLC产品呢？
1. 系统应确定系统用PLC单机控制还是用PLC形成网络，由此计算输入、输出（I/O）点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上预留10%的余量。
2. 确定负载类型根据PLC输出端所带负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出还是晶体管输出，或是晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式对系统的稳定运行是很重要的。
3. 存储容量与指令的执行速度是PLC选型的重要指标，一般存储量越大、速度越快的PLC价格就越高，国外各厂家产品大体相同，但也有一定区别。
4. “COM”点的选择，
不同的PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带1个或2个输出点。当负载的种类多且电流大时，采用一个“COM”点带1-2个输出点的产品，当负载种类少数量多时，采用一个“COM”点带4-8个输出点产品。
5. 因为各生产厂家的开发软件不同，系统地兼容性也是选购时的重点，目前还没有发现完全兼容的产品，应根据系统合理选用PLC产品。
6. 编程器的选购：
PLC编程可采取三种方式：一是用一般的手持式编程器，它只能用厂家规定的语句表中的语句编程。正中方式易于现场调试并且体积小成本低，但它的效率低适应机种类型少，比较适用于系统容量小、用量少的系统中。二是图形编程器编程，这种方式采用图形方式编程，方便直观，一般电气人员短期就可以应用自如，但编程器价格较高。三是用IBM及其兼容个人计算机+PLC软件包编程，这种方式是效率高的一种方式，也是常用的一种方式，但大部分软件包价格昂贵。
7.尽量选用大公司的产品，因为其产品质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，有利于以后产品的扩展与软、硬件升级。
二、输入、输出回路的设计
1.电源回路
PLC供电一般为AC85-240V（也有DC24V），适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）
2.PLC上DC24V电源的使用
各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时应注意容量，做好防短路措施（因为该电源的过载或短路将影响PLC的运行）。
3.外部DC24V电源
若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上的DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“一”端不要与PLC的DC24V电源的“一”以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。
4.输入的灵敏度
各生产厂家对PLC的输入电压和电流都有规定，当输入元件的输入电流大于PLC的大输入电流或有漏电流时，就会有误动作，降低灵敏度。应适用弱电流输入并对漏电流采取防护措施，并且选用输入为供漏型输入的PLC。
两线式传感器（光电开关、无触点开关）有LED的限位开关时，输入漏电流会产生错误输入或灯亮，对策为连接泄放电阻降低输入阻抗，阻值由图1中公式推导：
晶体管或可控硅target=bbbbbb>双向可控硅输出时，若接到一个较大冲击电流的设备上，就必须考虑保护晶体管和可控硅。晶体管和可控硅可以经受额定电流10倍的冲击电流，如果超出，可按图2、图3之一来减少它：
5. 对感性负载处理
在输入、输出端接感性负载时，要在负载两端并联一个冲击抑制器或二极管，二极管的阴极与电压㈩极侧连接。
6. 外部互锁与接地
利用PLC控制电机正反转等正、反动作时，为避免PC的异常动作引起事故及机械损坏，应在外部组成一个连锁回路。
接地：GR端子是大地接地端子。用防止感应电的专用接地线（截面积2mm2以上的电线）采用第三种接地方式（接地电阻100Ω以下）。
LG是噪音滤波器中性端子，若因噪音大而产生误动作，或为了防止电击，把LG与GR短接，采用第三种接地方式。接地线的长度在20m以内为宜。
接地线与其它设备共用或与建筑物的金属结构连接会适得其反，受到恶劣影响。
7. PLC外部驱动电路
对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路，可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，应采用保护电路和浪涌吸收电路。
PLC的输入输出布线也有一定要求，请参照各公司的使用说明书。
三、 扩展模块的选用
对于小的系统，如80点以内的系统，一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，可采用网络结构。有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，在进行软件编程时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请参阅相关技术手册。
四、 PLC的网络设计
当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多，应选用自己比较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则不能适应实时要求，造成系统崩溃。对通信接口，通信协议、数据传送速度等也要考虑。
后还要向PLC的厂家寻求网络设计和软件支持及详细技术资料，至于选用几层工作站，依照系统大小而定。
五、 软件编制
在编制软件前，应熟悉所选用的PLC产品说明书，待熟悉后再编程。若采用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，编程，这样可以减少出错，速度也快，编成完成后先空运转，待各个动作正常后，再在设备上调试。
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的jingque控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
PLC特点：，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。
（1）大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）系统结构力求简单；
（3）系统工作要稳定、可靠；
（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；
（5）人机界面友好。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABB ACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200 PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
1 本设计的控制要求：
1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；
2)要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；
3)用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；
4)变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；
5)具有水位过高、过低报警和提示用户功能；
2 本设计控制结构:
由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。
PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
3 设备的选型
（1）PLC及其扩展模块的选型：
目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？
本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点，完全能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
（2）变频器模块的选型：
目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABB ACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能zhuoyue。
4 系统的控制流程：
（1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。
（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。
（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。
（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是诊断和改正软件中的错误。
（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的
下面是系统设计流程图：
图2 PLC水位控制流程图
5 程序结构：
本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序（见第四章）。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
6 PLC编程软件。
本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。
剪板机是机械行业制造和维修常用的设备之一。随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求；随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。基于上述，板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。剪板机是板材加工企业的关键生产设备之一，一些资金雄厚的企业，出巨资购买全新数控剪板机；还有相当一批中小企业希望通过对原设备的技术改造来满足这些新要求。
普通剪板机存在的主要不足有：
1. 加工精度不高。
造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。
2. 操作繁琐，容易出错。
剪板机需要人工操作，剪板动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。
3. 能耗大，效率低
剪板机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。
针对这些情况，可以对剪板机进行自动化改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗。
控制系统设计的基本要求如下：
ü 正常剪切功能。在正常加工某一规格产品前，可以事先设置加工尺寸、加工数量。当机器加工板材数量达到设定加工数量时，机器不再正常加工。此时，可重新设置加工参数或进入临时剪切状态。
ü 临时剪切功能。选择该功能不需要设置加工参数，即可进行加工。该状态可加工任意尺寸（须在机器的机械加工范围内）和任意数量的产品。
ü 设定加工参数（加工尺寸、加工数量）。
ü 加工参数实时显示。
ü 附加功能。包含点动调试、自动回零位、暂停等。
改造方案一：
如下图所示，自动控制系统由变频器、光电传感器、人机界面（文本显示器或触摸屏等）、正航A5系列PLC等构成。
图1 改造方案一
人机界面可以采用文本显示器或触摸屏，可以显示和设定目前的工作状态、剪板数量、加工长度、送料速度、剪板频率等等参数；
变频器接受PLC的控制，控制电机的启动、停止、转速等；
光电传感器的作用是检测后挡料的长度，通过改变光电传感器的位置可以调节加工长度；
正航A5系列PLC（以下简称A5）是整个自动控制系统的核心，由它来根据操作人员通过人机界面设定的参数控制整个系统的动作。
系统的工作流程如下：
系统上电启动，操作人员通过人机界面设定剪板数量、加工长度、送料速度、剪板频率等等参数，参数可以断电保持。正常剪切开始后，A5控制变频器启动电机，传动板材，当板材到达光电传感器的位置时，光电传感器将信号反馈至A5，A5控制变频器停车，控制切刀动作进行剪板，完成一块料的加工，A5再控制变频器启动，进行下一块料的加工。加工过程中，A5可以完成对加工数量、剪板频率、送料速度等的统计，并可以在人机界面上实时显示。
在此控制过程中，A5通过光电传感器检测材料长度，控制变频器停车来控制加工长度。由于变频器控制异步电机停车有一个滞后量，会造成一定的偏差，在设定光电传感器的位置时，需要将这个偏差考虑进去并加以调整。
图2 改造方案二
在方案一中，加工料的长度是通过光电传感器的位置来控制的。人工手工设定光电传感器的位置会有一定误差，如果需要加工的长度频繁改变时会很麻烦。
改造方案二取消了光电传感器，取而代之的是一个轮式旋转编码器。将轮式旋转编码器压紧在板材的表面，当板材向刀口输送时，轮式旋转编码器跟随旋转，输出的脉冲信号输送到A5的高速计数器。A5的高速计数频率可达20KHz，可以很jingque地根据脉冲数量jingque地测量出送料长度。
旋转编码器安装在刀口前面，只要旋转编码器其距离刀口的位置固定，就可以方便地对加工材料进行长度测量。
在方案二中，可以通过人机界面非常方便地设置加工长度，甚至可以设定多组加工长度和加工数量，或者尺寸也可以置为循环变动值。例如，可以设定加工100块80cm的板材，再加工200块100cm的板材；也可以设定成循环加工1块80cm的板材、1块90cm的板材。
以上两种方案目前都已经有批量的实际应用。实际使用结果显示，经以上两种方案改造的剪板机，极大地提高了工作效率和剪板精度，降低能耗。扣除机械误差，通过手动调整传感器位置，方案一的加工精度可以达到0.3cm以上；而在选择合适的编码器的情况下，方案二的加工精度可以达到0.4%左右。