西门子S7-300代理商6ES72882DR320AA0

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：

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优先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优先于积累的快速性。


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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(ΔvΔt)，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。

信号模块是 SIMATIC S7-300 进行过程操作的接口。S7-300 模块范围的多面性允许模块化自定义，以满足较多变的任务。
S7-300 支持多面性技术任务，并提供详尽的通讯选项。除了具有集成功能和接口的 CPU，在 S7-300 设计中还有各种针对技术和通讯的特殊模块。
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优势
安装简便
通过前端连接器连接传感器/执行器。可使用以下连接方式进行连接：
螺钉型接线端子
弹簧型接线端子
快速连接（绝缘穿刺）
更换模块后，只需将连接器插入相同类型的新模块中，并保留原来的布线。前端连接器的编码可避免发生错误。
快速连接
连接 SIMATIC TOP 更加简单、快速（不是紧凑 CPU 的板载 I/O）。可使用预先装配的带有单个电缆芯的前端连接器，和带有前端连接器模块、连接线缆和端子盒的完整插件模块化系统。
高组装密度
模块中为数众多的通道使 S7-300 实现了节省空间的设计。可使用每个模块中有 8 至 64 个通道（数字量）或 2 至 8 个通道（模拟量）的模块。
简单参数化
本公司长期经营：PLC系列：S7-200、S7-200CN、S7-200Smart、S7-300、S7-400、S7-1200、触摸屏、变频器、伺服电机、数控系统、开关电源（西门子DP总线电缆 接头 cp5611卡）


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西门子PLC
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
中文名 西门子PLC
品牌 西门子
诞生时间 1958年
类别 二进制控制器



历史
西门子SIMATIC系列PLC，诞生于1958年，经历了C3,S3,S5,S7系列，已成为应用非常广泛的可编程控制器。


西门子（SIMATIC）PLC的6代
1、西门子公司的产品较早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。
2、1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛地使用了微处理器。
3、20世纪80年代初，S5系统进一步升级——U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U。
4、1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：S7-200、300、400。
5、1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术融为一体。
6、西门子公司提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。
由较初发展至今，S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而TDC系统沿用SIMADYN D技术内核，是对S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统较尖端，功能较强的可编程控制器。


产品分类
可编程控制器是由现代化生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。



西门子PLCS7-200系列
一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。其一是从可编程序控制器的控制规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类。
控制规模
可以分为大型机、中型机和小型机。



西门子PLCS7-300系列
小型机: 小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。
西门子小型机有S7-200：处理速度0.8~1.2ms ；存储器2k ；数字量248点；模拟量35路 。
中型机:中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。
西门子中型机有S7-300：处理速度0.8~1.2ms ；存储器2k ；数字量1024点；模拟量128路 ；网络PROFIBUS；工业以太网；MPI。
大型机：大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。



西门子PLCS7-400系列
西门子大型机有S7-400 ：处理速度0.3ms / 1k字；
存储器512k ；I/O点12672；
控制性能
可以分为高档机、中档机和低档机。
低档机
这类可编程序控制器，具有基本的控制功能和一般的运算能力。工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-200就属于这一类。
中档机
这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。
高档机
这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。



结构
整体式
整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。



plc结构
控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。
组合式
组合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。比如，一些可编程序控制器，除了－些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通讯模块等等。组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。



plc组合
叠装式
叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵话、安装整齐的优点于一身。它也是由各个单元的组合构成。其特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。

详细的运动控制指令介绍请参考：S7-200 SMART 系统手册
运动控制指令使用准则
必须确保在同一时间仅有一条运动指令激活。
可在中断例程中执行 AXISx_RUN 和 AXISx_GOTO。 但是，如果运动轴正在处理另一命令时，不要尝试在中断例程中启动指令。 如果在中断程序中启动指令，则可使用 AXISx_CTRL 指令的输出来监视运动轴是否完成移动。
运动向导根据所选的度量系统自动组态速度参数（Speed 和 C_Speed）和位置参数（Pos 或 C_Pos）的值。 对于脉冲，这些参数为 DINT 值。 对于工程单位，这些参数是所选单位类型对应的 REAL 值。例如： 如果选择厘米 (cm)，则以厘米为单位将位置参数存储为 REAL 值并以厘米/秒 (cm/sec) 为单位将速度参数存储为 REAL 值。
有些特定位置控制任务需要以下运动指令：
要在每次扫描时执行指令，请在程序中插入 AXISx_CTRL 指令并使用 SM0.0 触点。
要*运动到**位置，必须首先使用 AXISx_RSEEK 或 AXISx_LDPOS 指令建立零位置。
要根据程序输入移动到特定位置，请使用 AXISx_GOTO 指令。
要运行通过位置控制向导组态的运动包络，请使用 AXISx_RUN 指令。
其它位置指令为可选项。
常用运动控制指令介绍
AXISx_CTRL
功能：启用和初始化运动轴，方法是自动命令运动轴每次 CPU 更改为 RUN 模式时加载组态/包络表。



图 1. AXISx_CTRL指令

注意：
在您的项目中只对每条运动轴使用此子例程一次，并确保程序会在每次扫描时调用此子例程。使用 SM0.0（始终开启）作为 EN 参数的输入。


MOD_EN 参数必须开启，才能启用其它运动控制子例程向运动轴发送命令。 如果 MOD_EN 参数关闭，运动轴会中止所有正在进行的命令；
Done 参数会在运动轴完成任何一个子例程时开启；
Error 参数存储该子程序运行时的错误代码；
C_Pos 参数表示运动轴的当前位置。 根据测量单位，该值是脉冲数 (DINT) 或工程单位数 (REAL)；
C_Speed 参数提供运动轴的当前速度。 如果您针对脉冲组态运动轴的测量系统，C_Speed 是一个 DINT 数值，其中包含脉冲数/每秒。如果您针对工程单位组态测量系统，C_Speed 是一个 REAL 数值，其中包含选择的工程单位数/每秒 (REAL)。
C_Dir 参数表示电机的当前方向：信号状态 0 = 正向；信号状态 1 = 反向；

AXISx_DIS
功能：运动轴的 DIS 输出打开或关闭。这允许您将 DIS 输出用于禁用或启用电机控制器。



图 2. AXISx_DIS指令


EN 位打开以启用子例程时，DIS_ON 参数控制运动轴的 DIS 输出。


注意：
如果您在运动轴中使用 DIS 输出，可以在每次扫描时调用该子例程，或者仅在您需要更改 DIS 输出值时进行调用。若实际DIS连接了电机驱动器的DIS输入，如果不使能则可能导致电机不运转。

AXISx_MAN
功能：将运动轴置为手动模式。 这允许电机按不同的速度运行，或沿正向或负向慢进。


图 3. AXISx_MAN指令


RUN 参数会命令运动轴加速至*的速度（Speed 参数）和方向（Dir 参数）。 您可以在电机运行时更改 Speed 参数，但 Dir 参数必须保持为常数。 禁用 RUN 参数会命令运动轴减速，直至电机停止；
JOG_P（点动正向旋转）或 JOG_N（点动反向旋转）参数会命令运动轴正向或反向点动。 如果 JOG_P 或 JOG_N 参数保持启用的时间短于 0.5秒，则运动轴将通过脉冲指示移动 JOG_INCREMENT 中*的距离。 如果 JOG_P 或 JOG_N 参数保持启用的时间为 0.5秒或更长，则运动轴将开始加速至*的 JOG_SPEED；
Speed 参数决定启用 RUN 时的速度。 如果您针对脉冲组态运动轴的测量系统，则速度为 DINT 值（脉冲数/每秒）。 如果您针对工程单位组态运动轴的测量系统，则速度为 REAL 值（单位数/每秒）。

注意：同一时间仅能启用 RUN、JOG_P 或 JOG_N 输入之一。

AXISx_RSEEK
功能：使用组态/包络表中的搜索方法启动参考点搜索操作。当运动轴找到参考点且移动停止时，运动轴将 RP_OFFSET 参数值载入当前位置。



图 4. AXISx_RSEEK指令


RP_OFFSET 的默认值为 0。 可使用运动控制向导、运动控制面板或 AXISx_LDOFF（加载偏移量）子例程来更改 RP_OFFSET 值；
EN 位开启会启用此子例程。确保 EN 位保持开启，直至 Done 位指示子例程执行已经完成；
START 参数开启将向运动轴发出 RSEEK 命令。 对于在 START 参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子例程向运动轴发送一个 RSEEK 命令。为了确保仅发送了一个命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启 START 参数。

AXISx_GOTO
功能：命令运动轴转到所需位置。


图 5. AXISx_GOTO指令


START 参数开启会向运动轴发出 GOTO 命令。 对于在 START 参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子例程向运动轴发送一个 GOTO 命令。为了确保仅发送了一个 GOTO 命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启 START 参数；
Pos 参数包含一个数值，指示要移动的位置（**移动）或要移动的距离（相对移动）。 根据所选的测量单位，该值是脉冲数 (DINT) 或工程单位数 (REAL)；
Speed 参数确定该移动的较高速度。 根据所选的测量单位，该值是脉冲数/每秒 (DINT) 或工程单位数/每秒 (REAL)；
Mode 参数选择移动的类型：
0：**位置
1：相对位置
2：单速连续正向旋转
3：单速连续反向旋转
Abort 参数启动会命令运动轴停止当前包络并减速，直至电机停止。


注意：若 Mode 参数设置为 0，则必须首先使用 AXISx_RSEEK 或 AXISx_LDPOS 指令建立零位置。

AXISx_RUN
功能：命令运动轴按照存储在组态/包络表的特定包络执行运动操作。


图 6. AXISx_RUN指令


START 参数开启将向运动轴发出 RUN 命令。 对于在 START 参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子例程向运动轴发送一个 RUN 命令。为了确保仅发送了一个命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启 START 参数；
Profile 参数包含运动包络的编号或符号名称。 “Profile”输入必须介于 0 - 31。否则子例程将返回错误；
Abort 参数会命令运动轴停止当前包络并减速，直至电机停止；
C_Profile 参数包含运动轴当前执行的包络；
C_Step 参数包含目前正在执行的包络步。
AXISx_LDOFF
功能：建立一个与参考点处于不同位置的新的零位置。



图 7. AXISx_LDOFF指令


开启 START 参数将向运动轴发出 LDOFF 命令。 对于在 START 参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子例程向运动轴发送一个 LDOFF 命令。为了确保仅发送了一个命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启 START 参数。


注意：
在执行该子例程之前，您必须首先确定参考点的位置。您还必须将机器移至起始位置。 当子例程发送 LDOFF 命令时，运动轴计算起始位置（当前位置）与参考点位置之间的偏移量。 运动轴然后将算出的偏移量存储到 RP_OFFSET 参数并将当前位置设为 0。这将起始位置建立为零位置。
如果电机失去对位置的追踪（例如断电或手动更换电机的位置），您可以使用 AXISx_RSEEK 子例程自动重新建立零位置。
AXISx_LDPOS
功能：将运动轴中的当前位置值更改为新值。您还可以使用本子例程为任何**移动命令建立一个新的零位置。


图 8. AXISx_LDPOS指令


START 参数开启将向运动轴发出 LDPOS 命令。 对于在 START 参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子例程向运动轴发送一个 LDPOS 命令。为了确保仅发送了一个命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启 START 参数；
New_Pos 参数提供新值，用于取代运动轴报告和用于**移动的当前位置值。 根据测量单位，该值是脉冲数 (DINT) 或工程单位数 (REAL)