6ES7 216-2BD23-0XB8

西門子S7-200系列PLC在配料生產(chǎn)線上的應用

摘  要：本文對西門子S7-200系列可編程序控制器應用于配料生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計思想作了介紹，對系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計作了較為詳細的闡述，現(xiàn)場應用情況表明，該PLC控制系統(tǒng)工作可靠，操作方便。

關(guān)鍵詞：西門子S7-200PLC;配料生產(chǎn)線;起保停電路。

1.前言：

    隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)擴展到了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。例如可編程序控制器、基于PC總線的工業(yè)控制計算機、集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應，生產(chǎn)出小批量、多品種，多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有*的可靠性和靈活性，可編程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）正是順應這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置，是工業(yè)自動化三大支柱之一。國際電工委員會（IEC）對PLC作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。”從這一定義可以看出，PLC是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)控制計算機，由于它具有功能強，可靠性高，環(huán)境適應能力和抗*力強，以及接線簡單，編程靈活、方便等特點而得到了廣泛應用。本文以西門子S7-200系列PLC實現(xiàn)對配料生產(chǎn)線自動控制的程序設(shè)計過程進行了詳細的闡述。

2.配料生產(chǎn)線的電氣控制要求

　　該配料生產(chǎn)線廣泛應用于建筑、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域，主要由料倉、倉壁振動器、喂料振動器、稱料倉、排料振動器、傳送帶、中間倉、混合倉、攪拌機組成;各振動器、傳送帶、攪拌機均由電機拖動;中間倉門和混合倉卸料門則由電磁閥控制;當某臺電機過載時電鈴報警并禁止所有輸出，故障排除后才能繼續(xù)工作。其工作過程如下：⑴按下啟動按鈕后兩個倉壁振動器和兩個喂料振動器同時啟動，料倉一和料倉二同時開始下料，將配料喂入稱料倉。⑵當稱料傳感器SQ1和SQ2接通時，對應的倉壁振動器和喂料振動器停止工作，停止喂料。⑶啟動1號送料傳送帶。⑷延時10秒后啟動兩個排料振動器進行排料，將稱料倉中的配料通過1號傳送帶送入中間倉。⑸延時300秒后啟動攪拌機，1號送料傳送帶停止工作。⑹延時3秒后，打開中間倉門，將中間倉中的配料放入混合倉通過攪拌機混合均勻。⑺延時300秒后，開啟混合倉卸料門，啟動2號傳送帶將混合均勻的配料送走。⑻延時300秒后全部停止工作，一個周期結(jié)束后回到初始狀態(tài)或繼續(xù)下一個周期。該配料生產(chǎn)線要求有自動、單周期和手動三種工作方式;在自動工作方式下，按下啟動按鈕后能連續(xù)不斷地循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，當前工作周期結(jié)束后才停止工作;在單周期工作方式下，按下啟動按鈕后工作一個周期自動停止工作;在手動工作方式下，可手動調(diào)整1號傳送帶、2號傳送帶和攪拌機。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)該配料生產(chǎn)線的電氣控制要求，該系統(tǒng)有9臺電機、2個電磁閥和1個過載報警電鈴需要控制;在手動工作方式下，手動調(diào)整1號傳送帶、2號傳送帶和攪拌機，需要3個點動按鈕;在自動工作方式下的啟動和停止按鈕;稱料傳感器SQ1和SQ2有兩對4個輸入點，工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)有3個輸入點，9臺電機的熱繼電器串聯(lián)共用一個輸入點，因此該配料生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)采用PLC控制需要有13個輸入點，12個輸出點，在設(shè)計過程中我們選用西門子S7-200系列PLC，基本單元選用CPU224模塊DC14輸入/繼電器10輸出，擴展單元選用EM223DC8輸入/繼電器8輸出能滿足控制要求。具體的I/O地址分配見表1。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，首先根據(jù)系統(tǒng)控制要求和工藝流程設(shè)計出系統(tǒng)順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖設(shè)計出梯形圖。

　　4.1.順序功能圖的設(shè)計

　　順序功能圖設(shè)計最基本的思想就是將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的步（Step）,并用編程元件來代表各步;步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來劃分的,在任何一步之內(nèi),各輸出量的ON/OFF狀態(tài)不變,但相鄰兩步輸出量總 的狀態(tài)是不同的,這樣使得代表各步的編程元件的狀態(tài)與各輸出量的狀態(tài)之間有著直接的邏輯關(guān)系。在順序功能圖的各步之間只有一步是活動步，步與步之間的轉(zhuǎn)換是通過轉(zhuǎn)換條件來實現(xiàn)的，只有在前級步為活動步，并且滿足轉(zhuǎn)換條件的情況下才能由前級步轉(zhuǎn)到后續(xù)步，前級步變?yōu)椴换顒硬蕉罄m(xù)步變?yōu)榛顒硬健Ｔ谂淞仙a(chǎn)線順序功能圖的設(shè)計中，我們根據(jù)控制要求將一個工作周期劃分為10個步，并用位存貯存器M來代表各步，其中M0.0為初始步,M0.1～M1.1代表各工作步,完整的順序功能圖如圖（1）所示。

　　4.2.梯形圖的設(shè)計

　　在根據(jù)順序功能圖設(shè)計梯形圖時可以有多種設(shè)計方法，即使用起保停電路的設(shè)計方法，以轉(zhuǎn)換為中心的設(shè)計方法，使用順序控制繼電器的設(shè)計方法和使用移位寄存器指令的設(shè)計方法。我們在程序設(shè)計過程中彩用了起保停電路的設(shè)計方法。

　　起保停電路僅使用與觸點和線圈有關(guān)的基本指令，可以用于任意型號的PLC，這是一種通用的編程方法;在程序中用初始化脈沖SM0.1將初始步對應的編程元件M0.0置位，為轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)作好準備，按下啟動按鈕后，按順序功能圖設(shè)計的順序?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)換，前級步編程元件的常開觸點作為由前級步轉(zhuǎn)到后續(xù)步的先決條件與轉(zhuǎn)換條件串聯(lián)，只有當前級步為活動步且轉(zhuǎn)換條件滿足時，才能由前級步轉(zhuǎn)到后續(xù)步;而后續(xù)步編程元件的常閉觸點則串聯(lián)在前級步編程元件的線圈回路中，當前級步轉(zhuǎn)到后續(xù)步后，后續(xù)步變?yōu)榛顒硬蕉凹壊絼t變?yōu)椴换顒硬?，利用后續(xù)步編程元件的常開觸點實現(xiàn)自保功能，這樣一步一步轉(zhuǎn)換實現(xiàn)控制要求。

　　為了實現(xiàn)各工作方式的轉(zhuǎn)換，在自動工作方式下能連續(xù)不斷的循環(huán)運行;而在單周期工作方式下，按下啟動按鈕后只工作一個周期就停止工作。在程序中使用了位寄存器M2.0，在自動方式時，按下啟動按鈕后M2.0得電并能自保，而在單周期方式時，按下啟動按鈕后M2.0得電但不能自保，在手動方式時按下啟動按鈕后M2.0不能得電。在由初始步M0.0轉(zhuǎn)換到*步M0.1時，不是將啟動按鈕I0.4串在M0.1的線圈回路中，而是將M2.0的常開觸點串在M0.1的線圈回路中，這樣就可以實現(xiàn)自動和單周期工作方式的轉(zhuǎn)換控制。在手動方式下通過I1.5使代表各步的編程元件處于復位狀態(tài)，按下點動按鈕I0.1、I0.2、I0.3時對應的輸出Q0.7、Q1.0、Q1.1得電，實現(xiàn)對攪拌機、1號傳送帶和2號傳送帶的點動控制。工作方式控制程序如圖（2）所示，起保停主控程序及輸出控制程序如圖（3-1），圖（3-2）所示。

5.結(jié)束語

　　本文介紹了利用西門子S7-200系列可編程序控制器實現(xiàn)對配料生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，對系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計作了較為詳細的闡述，重點介紹了起保停電路的設(shè)計思路，現(xiàn)場應用情況表明，該PLC控制系統(tǒng)工作可靠，操作方便。本文的創(chuàng)新點在于使用位寄存器M2.0與工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)各工作方式的轉(zhuǎn)換，大大簡化了程序設(shè)計。

基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成及PID溫度控制的實現(xiàn)

本文介紹了基于S7-200系列PLC的智能溫度控制器系統(tǒng)。闡述了溫度控制的實現(xiàn)方法。介紹了VB環(huán)境下實現(xiàn)上位機和PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信的技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試表明，本系統(tǒng)具有可靠性高，監(jiān)控方便等優(yōu)點。由于PLC在工業(yè)領(lǐng)域使用的普遍性，該系統(tǒng)有很大的使用范圍。

因為PLC具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優(yōu)點，成為了當今及今后工業(yè)控制領(lǐng)域的主要手段和自動化控制設(shè)備。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一。在一些熱處理行業(yè)，由于使用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制，存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點，這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源浪費等問題。

基于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的普及性和溫度控制的重要性，設(shè)計了一個基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)，具有很廣的應用空間。同時，由于PLC具有自身的一些缺點，即數(shù)據(jù)的計算處理和管理能力較弱，不能提供良好的用戶界面，因此妨礙了對現(xiàn)場溫度變化的跟蹤與監(jiān)控，而計算機可以很好的彌補的這一缺點。用計算機與PLC 組成的主從式實時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，實現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)控等全新功能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，通過PLC串口通訊與計算機連接，監(jiān)控界面友好，運行穩(wěn)定。

1 PLC溫度控制系統(tǒng)

在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，電加熱鍋爐是過程控制工業(yè)中常用的設(shè)備，其溫度控制也是過程控制的一個重點。PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC 通過加熱棒及風扇分別控制爐子的加熱及降溫。計算機則實現(xiàn)目標溫度的設(shè)定、動態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定等功能，從而實現(xiàn)實時溫度監(jiān)控。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

信號處理、溫度調(diào)節(jié)等功能。在，溫一個溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號的采集可以使用常用的溫度傳感器（熱電偶、熱電阻）。由溫度傳感器檢測來的信號不是標準的電壓（電流）信號，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經(jīng)過變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識別并轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字信號。根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對應的溫度變送器。S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235，EM235為4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。PLC對溫度信號進行處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，電流信號可以通過調(diào)壓器來控制電源的開度（即一周期內(nèi)的導通比率），從而控制電源的輸出功率。加熱器根據(jù)電源輸出功率調(diào)節(jié)加熱強度，從而達到溫度調(diào)節(jié)的效果。

3 溫度PID控制的實現(xiàn)

對于模擬量信號的控制PID（比例+積分+微分）算法控制。S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令，對模擬量進行PID控制十分方便。PID指令使用的算法：（ n SP 為第n個采樣時刻的給定值，n為過程變量值，MX 為積分項值）PID 指令根據(jù)表格（TBL）中的輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計算。在執(zhí)行PID 指令前，要建立一個參數(shù)表，一般要對表1 中的參數(shù)進行初始化處理。

在實際控制過程中，無論是給定量還是過程量都是工程實際值，它們的取值范圍都是不相同的。因此在進行PID運算前，必須將工程實際值標準化。PLC 在對模擬量進行PID運算后，對輸出產(chǎn)生的控制作用是在［0.0，1］范圍的標準值，不能驅(qū)動實際的驅(qū)動裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實際值。

由于電加熱爐具有較大的延時性，所以采輸出值，0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字，實數(shù)I 回路增益，正、負常數(shù)16 Ts I 采樣時間，單位為s，正20 TI I 積分時間常數(shù)，單位為min，24 Td I 微分時間常數(shù)，單位為min，正數(shù)式控制。大致采用三段控制： *段，開始階段置電源為滿開度，以最大的功率輸出克服熱慣性; 第二段，等到溫度達到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段，接近設(shè)定點時置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應溫度的滯后溫升。程序流程圖如圖3 所示，圖中X，Y根據(jù)實際設(shè)定。

PID參數(shù)的調(diào)節(jié)是很重要的，調(diào)節(jié)方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握。在工程實際中，控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學模型，所以一般采用工程整定法。PID參數(shù)的工程整定法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。在這里選用臨界比例度法，整定步驟如下： （1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; （3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

4 PLC 與計算機通訊的設(shè)計

由于VB具有強大的圖形處理功能，界面可視化性強，而且操作簡單，容易實現(xiàn)，故采用VB來實現(xiàn)上位機和下位機的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位機是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計算機。

4.1 PLC程序部分

S7-200 支持多種通訊模式，其中在自由口通訊方式下，用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機的通訊。

PLC 的CPU 處于STOP 模式時，自由口通訊被禁止，只有當CPU 處于RUN 模式時，才可使用自由口通訊。SMB30（這里選擇端口0）是自由口模式控制字節(jié)，用來設(shè)定校驗方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù)。發(fā)送指令XMT 啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送，它可以方便地發(fā)送1~255 個字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完成后，端口0 會產(chǎn)生中斷事件9，也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM45 的變化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服務，通過的通訊端口接收信息并存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接收完最后一個字符時，端口0 產(chǎn)生中斷事件23.

4.2上位機程序部分

VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設(shè)置幾個主要參數(shù)就可以實現(xiàn)PLC與計算機串行通訊。計算機采用VB編程，主要有監(jiān)控界面、當前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計。通信參數(shù)設(shè)置程序如下：

MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口。計算機端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數(shù)據(jù)，通過自由口通訊程序從現(xiàn)場采集溫度信號。并且上位機程序可以設(shè)定初始溫度和PID參數(shù)、顯示動態(tài)溫度曲線。

5 結(jié)束語

本文介紹了由西門子公司S7-200系列PLC構(gòu)成的溫度控制器，并闡述了VB環(huán)境下計算機與PLC溫控系統(tǒng)的串行通信技術(shù)，給出了部分程序，通過實例表明，該系統(tǒng)可靠性高，監(jiān)控方便。

6ES7 216-2BD23-0XB8