(3)将继电器电路图中的中间继电器、定时器,用PLC的辅助继电器、定时器来代替。
继电器接触器控制系统经过长期的使用,已有一套能完成系统要求的控制功能并经过验证的控制电路图,而PLC控制的梯形图和继电器接触器控制电路图很相似,因此可以直接将经过验证的继电器接触器控制电路图转换成梯形图。主要步骤如下:
(4)画出全部梯形图,并予以简化和修改。
面及网络/软件应用为公司的技术特长,几年来,上海堰歆自动化科技有限公司在与德国 SIEMENS公司自动化与驱动部门的长期紧密合作过程中,建立了良好的相互协作关系,在可编程控制器、交直流传动装置方面的业务逐年成倍增长,为广大用户提供了SIEMENS的新技术及自动控制的优秀解决方案。
PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。
PLC 是专门为工业生产服务的控制装置,通常不需要采取什么措施,就可以直接在工业环境中使用。但是,当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,都不能保证 PLC 的正常运行,因此在使用中应注意以下问题。
一、工作环境
1. 温度
PLC 要求环境温度在 0~55℃ ,安装时不能放在发热量大的元件下面,四周通风散热的空间应足够大,基本单元和扩展单元之间要有 30mm 以上间隔;开关柜上、下部应有通风的百叶窗,防止太阳光直接照射;如果周围环境**过 55℃ ,要安装电风扇强迫通风。
2. 湿度
为了保证 PLC 的绝缘性能,空气的相对湿度应小于 85% (无凝露)。
3. 震动
应使 PLC 远离强烈的震动源,防止振动频率为 10~55Hz 的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶等。
4. 空气
避免有腐蚀和易燃的气体,例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中,并安装空气净化装置。
5. 电源
PLC 供电电源为 50Hz 、 220 ( 1±10% ) V 的交流电,对于电源线来的干扰, PLC 本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境,可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1 的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路。
FX 系列 PLC 有直流 24V 输出接线端,该接线端可为输入传感器(如光电开关或接近开关)提供直流 24V 电源。当输入端使用外接直流电源时,应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,容易使 PLC 接收到错误信息。
二、安装与布线
1. 动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 I/O 线应分别配线,隔离变压器与 PLC 和 I/O 之间应采用双胶线连接。
2. PLC 应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备,不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
3. PLC 的输入与输出较好分开走线,开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线,屏蔽层应一端或两端接地,接地电阻应小于屏蔽层电阻的 1/10 。
4. PLC 基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设,以防止外界信号的干扰。
5. 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆,输出线应尽量远离高压线和动力线,避免并行。
三、 I/O 端的接线
1. 输入接线
( 1 )输入接线一般不要**过 30 米。但如果环境干扰较小,电压降不大时,输入接线可适当长些。
( 2 )输入 / 输出线不能用同一根电缆,输入 / 输出线要分开。
( 3 )尽可能采用常开触点形式连接到输入端,使编制的梯形图与继电器原理图一致,便于阅读。
2. 输出连接
( 1 )输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中,可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
( 2 )由于 PLC 的输出元件被封装在印制电路板上,并且连接至端子板,若将连接输出元件的负载短路,将烧毁印制电路板,因此,应用熔丝保护输出元件。
( 3 )采用继电器输出时,所承受的电感性负载的大小,会影响到继电器的使用寿命,因此,使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。
( 4 ) PLC 的输出负载可能产生干扰,因此要采取措施加以控制,如直流输出的续流管保护,交流输出的阻容吸收电路,晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
四、外部安全电路
为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作,避免由于外部电源发生故障、 PLC 出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故, PLC 外部应安装必要的保护电路。
( 1 )急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载,除了在控制程序中加以考虑之外,还应设计外部紧急停车电路,使得 PLC 发生故障时,能将引起伤害的负载电源可靠切断。
( 2 )保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统,要设置外部电器互锁保护;往复运行及升降移动的控制系统,要设置外部限位保护电路。
( 3 )可编程控制器有监视定时器等自检功能,检查出异常时,输出全部关闭。但当可编程控制器 CPU 故障时就不能控制输出,因此,对于能使用户造成伤害的危险负载,为确保设备在安全状态下运行,需设计外电路加以防护。
( 4 )电源过负荷的防护。如果 PLC 电源发生故障,中断时间少于 10 秒, PLC 工作不受影响,若电源中断**过 10 秒或电源下降**过允许值,则 PLC 停止工作,所有的输出点均同时断开;当电源恢复时,若 RUN 输入接通,则操作自动进行。因此,对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。
( 5 )重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所,为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护,应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出,以使控制系统在安全状况下运行。
五、 PLC 的接地
良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件,可以避免偶然发生的电压冲击危害。 PLC 的接地线与机器的接地端相接,接地线的截面积应不小于 2mm2 ,接地电阻小于 100Ω ;如果要用扩展单元,其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰,应给 PLC 接上**地线,接地点应与动力设备(如电机)的接地点分开;若达不到这种要求,也必须做到与其它设备公共接地,禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近 PLC 。
根据自动控制原理,车速斜坡响应可以分为过阻尼响应、临界阻尼响应和欠阻尼响应。理论上说,临界阻尼响应是理想的控制方式,这种响应方式既实现了控制的快速性又实现了控制的稳定性;过阻尼响应是为了稳定性牺牲快速性;欠阻尼响应则是为了快速性牺牲稳定性。然而,临界阻尼由于条件过于苛刻,在实际控制中是无法实现的。
根据剩余的两种响应曲线的特性,笔者认为CPU启动时好使用欠阻尼响应曲线,其理由是:CPU启动状态下,对增塑剂积累时间的要求**于增塑剂含量的稳定性;而其他状态下使用过阻尼响应曲线,此时对含量的稳定要求**于积累的快速性。
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因此,利用S7-300启动时的组织块OB100在CPU启动中只执行一次的特性,对增塑剂伺服电机的控制方式依据机组不同的启动状态采取了不同响应曲线下的控制方法。具体来说,在CPU启动时(此时增塑剂存储量必定为零),通过启动组织块OB100中送出高速运转命令至增塑剂伺服电机,使控制曲线成为欠阻尼响应状态以实现对存储器中增塑剂的快速积累。而在非CPU启动状态,控制增塑剂伺服电机的FC功能块将送出普通速度命令,使控制曲线成为比较接近临界阻尼的过阻尼响应状态。
新的设计完全避免了CPU重启时带来的增塑剂积累过慢的问题、减少了废品数量,因此这样的设计不会影响正常生产状况时增塑剂含量的稳定性。
(2) 对滤棒剔除支数的计算策略
在纤维滤棒成型机的生产中,为保证滤棒质量,每当速度低于一定的设定值时,机组就会剔除此时的滤棒。此时机组的速度是不断变化的,按通常方式无法计算出具体的剔除支数。这对统计生产效率带来了相当的困难。
笔者可以得到动态的车速反馈,但这条反馈曲线是不断波动和变化的非线性曲线。对于非线性曲线,数学上只能够采用面积积分求解的计算方法。对于此项目就是要求给出一定时间内主电机的圆周行程,即机组一段时间内所生产的滤棒长度。
从这一角度出发,笔者考虑采用了对车速进行模拟积分的计算方法,即从积分的基本定义出发,求出剔除时间内的滤棒生产长度L=Σ(Δv*Δt),再除以单个滤棒长度得剔除支数的计算方法。
按照积分的定义要求,积分求解是在一定条件下才能够成立。这个条件就是Δt要足够的小即Δt→0。在实际过程中,近似认为Δt=20ms时可以满足条件。此时,计算得出的滤棒支数与实际滤棒支数的误差在±3支以内。在精度上,以高生产速度3300支/分钟计(此时滤棒长度为120mm),±3支的精度是完全可以满足精度要求。所以笔者认为只要将Δt控制在20ms时就可以满足积分求解的条件。
原系统的PLC扫描一周的时间高达几十毫秒,显然不满足要求。而此项目采用的S7-315-2DP,其单指令扫描周期为10μs级、整个扫描周期被缩短为7~8ms,这样就满足了积分计算的要求。
(3) 对拼接纸圈的控制策略
改造之前,纤维滤棒成型机执行的是降低运行速度再进行纸圈拼接。这种降速接纸方式对实际生产是不利的:每次降速都会造成车速的大幅度变化,影响了滤棒的质量。为消除这种影响,笔者采用了不降速拼接的方法。
不降速拼接和降速拼接并没有本质的区别:两者采用的接纸动作一样,两者只是在机械结构和电气控制元件上有区别。接纸速度的提高势必使纸圈的静摩擦力同等上升。如果转速斜坡率过高会产生很大的静摩擦力,该力会撕裂纸圈。如果转速斜坡率过低,拼接时的纸圈浪费将增加。
为避免烦琐,该项目放弃变频器对接纸电机转速的分段控制。为求出静摩擦力和纸圈长度两者之间的优控制,笔者对接纸电机上升时间采取优筛选法。通过优筛选法得到的电机上升时间大约为3.4s。考虑到生产情况及电磁阀等器件的时滞效应,将这一时间进一步放宽为3.5s。
3 程序设计
程序设计采用了结构化设计,将所需实现的各主要功能编制成为S7-300中的用户功能块(FC块),在主程序循环模块(组织块OB1)中调用这些已经编制好的子程序。
程序设计分成硬件设计和软件设计两方面。在硬件方面针对系统要求进行设计,在软件方面则按需要编制了速度计算模块、报警和故障模块、伺服电机执行模块、增塑剂执行模块、生产统计计算模块等FC块和预设、保持系统及生产数据的数据块DB块。
(1) 硬件设计与组态
本系统在S7-300的硬件方面采用了1块PS307 5A电源模块,1块CPU-315-2DP,4块24V/0V SM321数字量输入模块,3块24V/0.5A SM322数字量输出模块,1块FM352-2高速计数模块,2块SM331模拟量输入模块,1块SM332模拟量输出模块以及用于DP总线通讯的IM153-1通讯模块1块。
S7-300外围设备为5个伺服电机的DP通讯端。
对上述硬件按要求进行组态,分别占据Profibus-DP通讯端的2、3~7和9号站,具体硬件组态如图3所示。
(2) 软件设计
由于编制的用户功能模块很多,限于篇幅,在这里不能一一作出介绍。以下介绍几个比较重要的用户功能模块。
① 数据块组(Group of Data-Blocks)
数据块组由一系列数据块组成。这些数据块除了一部分是S7-300程序中FB(功能块的一种)所要求的之外,其他的数据块都是用户自定义的。这是因为生产中机组的一些系统和生产数据必须被预设或保存。由于S7-300内部保持型M区的保存数量相对不足,例如:CPU315-2DP中整个可使用的M区的容量仅1024Bytes。同时,程序运行中所大量使用中间参数也需要不可重复的地址空间,所以将大部分的数据(特别是在触摸屏上显示的参数)编制成保持型DB块。
② 速度计算模块(FC for Speed)
虽然机组的高生产能力为400m/min,但是在许多烟厂并不需要一直运行在高速度下。该项目提供可从触摸屏上选择5档不同的车速系统,本模块就是将无序设定的参数按由大到小的方式降序排列,并在触摸屏上以这种次序显示出来。在程序内部,本模块会进行数据转换并将转换后的数据提供给伺服电机执行模块 ③ 伺服电机执行模块(FC for Servo-Motor)
在得到速度计算模块和一些其他模块(如开松辊参数模块等)的数据后,伺服电机执行模块会向对应的伺服控制块发出指令和接收伺服电机状态参数。指令包括伺服控制字、车速命令、快停命令、上升时间和下降时间等,状态参数包括电机当前运行速度等。这些指令和参数通过过程通道和参数通道两种方式控制“一主三从”共计4个伺服电机。
④ 增塑剂执行模块(FC for Glyceride-Motor)
控制增塑剂的伺服电机是相对独立于其他伺服电机,控制结构类似于主电机。增塑剂执行模块通过内部计算得到增塑剂伺服电机的运行速度。同时,由于存在增塑剂软件补偿的问题,所以高速和低速运行的参数为不同的两组参数,程序按设置发送。这是这个模块区别于伺服电机执行模块的地方。
⑤ 生产统计计算模块(FC for Statistics)
由于要在生产中向工作人员提供实时的生产状况,所以编制了这个功能块,这样就可以通过多次反复调用FC205来得到各班次的生产状况。这样节约了编程的时间和工作量,也同时减少了程序编写出错的隐患。
4 结语
该控制系统全面提高了纤维滤棒成型机组的总体性能,控制功能得到完善和提升。将旧的交流变频控制系统升级为由S7-300控制下交流伺服系统,使KDF2型纤维滤棒成型机具有新的竞争力。
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