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西門子S7-300 PLC在KDF2纖維濾棒成型機組中的應用
　　

KDF2纖維濾棒成型機組是煙廠生產卷煙濾棒的設備。經過十幾年的應用，原有機組逐漸顯示出技術上的局限性：機械結構復雜；電控系統相對落后；生產環境比較差，噪音響；維修難度高，能源利用率低等。因此，原有機組越來越不適應現代生產要求。
　　 為此，筆者參照上*的高速濾棒成型設備的設計原理，結合國內市場的需求和機組的特點，運用伺服傳動系統的優良特性及PLC在工業控制中的優勢，設計了此套控制系統。
　　 1 系統概述
　　 纖維濾棒成型機組控制和傳動系統采用了Lenze公司的伺服系統、Digital公司的觸摸式控制屏和西門子公司的PLC，分別通過MPI和DP通訊控制。

　　 纖維濾棒成型機通過二次開松、增塑劑添加、卷制成形、刀盤切斷和排列裝盤的過程生產濾棒。　　　　
　　2 控制策略　　 
　　(1) 對增塑劑添加的控制策略
　　 起初延用原系統的欠阻尼響應曲線的控制方式。但是，在實際調試過程中，發現該控制方式存在一定的缺陷，具體表現為：每天*次上電開機時，增塑劑存儲器中增塑劑積累時間過長，造成一段時間內濾棒增塑劑含量過低。根據售后服務部門的反饋，某些煙廠為保證濾棒質量往往會剔除*盒濾棒。這樣會有較大的浪費。　　 
　　 產生這種情況是因為煙廠每天工作結束時或者CPU重啟時機組都會停機，并排空存儲器中的增塑劑。由于欠阻尼響應到達設定值時間過長，造成開始階段濾棒增塑劑含量過低。日常生產班次中，每次停機不排空增塑劑，而是在存儲器中保有一定儲存量。　　 
　　 根據自動控制原理，車速斜坡響應可以分為過阻尼響應、臨界阻尼響應和欠阻尼響應。理論上說，臨界阻尼響應是較理想的控制方式，這種響應方式既實現了控制的快速性又實現了控制的穩定性；過阻尼響應是為了穩定性犧牲快速性；欠阻尼響應則是為了快速性犧牲穩定性。然而，臨界阻尼由于條件過于苛刻，在實際控制中是無法實現的。　　 
　　 根據剩余的兩種響應曲線的特性，筆者認為CPU啟動時*使用欠阻尼響應曲線，其理由是：CPU啟動狀態下，對增塑劑積累時間的要求優先于增塑劑含量的穩定性；而其他狀態下使用過阻尼響應曲線，此時對含量的穩定要求優先于積累的快速性。　 
　　 因此，利用S7-300啟動時的組織塊OB100在CPU啟動中只執行一次的特性，對增塑劑伺服電機的控制方式依據機組不同的啟動狀態采取了不同響應曲線下的控制方法。具體來說，在CPU啟動時（此時增塑劑存儲量必定為零），通過啟動組織塊OB100中送出高速運轉命令至增塑劑伺服電機，使控制曲線成為欠阻尼響應狀態以實現對存儲器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動狀態，控制增塑劑伺服電機的FC*能塊將送出普通速度命令，使控制曲線成為比較接近臨界阻尼的過阻尼響應狀態。　 
　　 新的設計*避免了CPU重啟時帶來的增塑劑積累過慢的問題、減少了廢品數量，因此這樣的設計不會影響正常生產狀況時增塑劑含量的穩定性。　　 
　　(2) 對濾棒剔除支數的計算策略
　　 在纖維濾棒成型機的生產中，為保證濾棒質量，每當速度低于一定的設定值時，機組就會剔除此時的濾棒。此時機組的速度是不斷變化的，按通常方式無法計算出具體的剔除支數。這對統計生產效率帶來了相當的困難。　　 
　　 筆者可以得到動態的車速反饋，但這條反饋曲線是不斷波動和變化的非線性曲線。對于非線性曲線，數學上只能夠采用面積積分求解的計算方法。對于此項目就是要求給出一定時間內主電機的圓周行程，即機組一段時間內所生產的濾棒長度。　 
　　 從這一角度出發，筆者考慮采用了對車速進行模擬積分的計算方法，即從積分的基本定義出發，求出剔除時間內的濾棒生產長度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個濾棒長度得剔除支數的計算方法。　　 
　　 按照積分的定義要求，積分求解是在一定條件下才能夠成立。這個條件就是Δt要足夠的小即Δt→0。在實際過程中，近似認為Δt=20ms時可以滿足條件。此時，計算得出的濾棒支數與實際濾棒支數的誤差在±3支以內。在精度上，以*生產速度3300支/分鐘計（此時濾棒長度為120mm），±3支的精度是*可以滿足精度要求。所以筆者認為只要將Δt控制在20ms時就可以滿足積分求解的條件。　　 
　　 原系統的PLC掃描一周的時間高達幾十毫秒，顯然不滿足要求。而此項目采用的S7-315-2DP，其單指令掃描周期為10μs級、整個掃描周期被縮短為7~8ms，這樣就滿足了積分計算的要求。　　 
　　(3) 對拼接紙圈的控制策略
　　 改造之前，纖維濾棒成型機執行的是降低運行速度再進行紙圈拼接。這種降速接紙方式對實際生產是不利的：每次降速都會造成車速的大幅度變化，影響了濾棒的質量。為消除這種影響，筆者采用了不降速拼接的方法。　　 
　　 不降速拼接和降速拼接并沒有本質的區別：兩者采用的接紙動作一樣，兩者只是在機械結構和電氣控制元件上有區別。接紙速度的提高勢必使紙圈的靜摩擦力同等上升。如果轉速斜坡率過高會產生很大的靜摩擦力，該力會撕裂紙圈。如果轉速斜坡率過低，拼接時的紙圈浪費將增加。　　 
　　 為避免煩瑣，該項目放棄變頻器對接紙電機轉速的分段控制。為求出靜摩擦力和紙圈長度兩者之間的*控制，筆者對接紙電機上升時間采取*優篩選法。通過*篩選法得到的電機上升時間大約為3.4s。考慮到生產情況及電磁閥等器件的時滯效應，將這一時間進一步放寬為3.5s。　　 
　　3 程序設計　　 
　　 程序設計采用了結構化設計，將所需實現的各主要*能編制成為S7-300中的用戶*能塊（FC塊），在主程序循環模塊（組織塊OB1）中調用這些已經編制好的子程序。　　 
　　 程序設計分成硬件設計和軟件設計兩方面。在硬件方面針對系統要求進行設計，在軟件方面則按需要編制了速度計算模塊、報警和故障模塊、伺服電機執行模塊、增塑劑執行模塊、生產統計計算模塊等FC塊和預設、保持系統及生產數據的數據塊DB塊。　　 
　　(1) 硬件設計與組態
　　 本系統在S7-300的硬件方面采用了1塊PS307 5A電源模塊，1塊CPU-315-2DP，4塊24V/0V SM321數字量輸入模塊，3塊24V/0.5A SM322數字量輸出模塊，1塊FM352-2高速計數模塊，2塊SM331模擬量輸入模塊，1塊SM332模擬量輸出模塊以及用于DP總線通訊的IM153-1通訊模塊1塊。　　 
　　 S7-300外圍設備為5個伺服電機的DP通訊端。　　 
　　 對上述硬件按要求進行組態，分別占據Profibus-DP通訊端的2、3~7和9號站，具體硬件組態如圖3所示。　　 
　　(2) 軟件設計
　　 由于編制的用戶*能模塊很多，限于篇幅，在這里不能一一作出介紹。以下介紹幾個比較重要的用戶*能模塊。　　 
　　 ① 數據塊組（Group of Data-Blocks）
　　 數據塊組由一系列數據塊組成。這些數據塊除了一部分是S7-300程序中FB（*能塊的一種）所要求的之外，其他的數據塊都是用戶自定義的。這是因為生產中機組的一些系統和生產數據必須被預設或保存。由于S7-300內部保持型M區的保存數量相對不足，例如：CPU315-2DP中整個可使用的M區的容量僅1024Bytes。同時，程序運行中所大量使用中間參數也需要不可重復的地址空間，所以將大部分的數據（特別是在觸摸屏上顯示的參數）編制成保持型DB塊。　　　 
　　② 速度計算模塊(FC for Speed)
　　雖然機組的*生產能力為400m/min，但是在許多煙廠并不需要一直運行在高速度下。該項目提供可從觸摸屏上選擇5檔不同的車速系統，本模塊就是將無序設定的參數按由大到小的方式降序排列，并在觸摸屏上以這種次序顯示出來。在程序內部，本模塊會進行數據轉換并將轉換后的數據提供給伺服電機執行模塊　　 　　     ③ 伺服電機執行模塊(FC for Servo-Motor)
　　在得到速度計算模塊和一些其他模塊（如開松輥參數模塊等）的數據后，伺服電機執行模塊會向對應的伺服控制塊發出指令和接收伺服電機狀態參數。指令包括伺服控制字、車速命令、快停命令、上升時間和下降時間等，狀態參數包括電機當前運行速度等。這些指令和參數通過過程通道和參數通道兩種方式控制“一主三從”共計4個伺服電機。　　 
　　 ④ 增塑劑執行模塊(FC for Glyceride-Motor)
　　 控制增塑劑的伺服電機是相對獨立于其他伺服電機，控制結構類似于主電機。增塑劑執行模塊通過內部計算得到增塑劑伺服電機的運行速度。同時，由于存在增塑劑軟件補償的問題，所以高速和低速運行的參數為不同的兩組參數，程序按設置發送。這是這個模塊區別于伺服電機執行模塊的地方。　 
　　 ⑤ 生產統計計算模塊(FC for Statistics)
　　 由于要在生產中向工作人員提供實時的生產狀況，所以編制了*能塊，這樣就可以通過多次反復調用FC205來得到各班次的生產狀況。這樣節約了編程的時間和工作量，也同時減少了程序編寫出錯的隱患。　　
　　4 結語　　 
　　 該控制系統全面提高了纖維濾棒成型機組的總體性能，控制*能得到完善和提升。將舊的交流變頻控制系統升級為由S7-300控制下交流伺服系統，使KDF2型纖維濾棒成型機具有新的競爭力。　　 
　　 考慮到今后煙廠信息集成化和網絡化數據采集的需要，這里使用的S7-300已經預留了數據采集端口，在程序中也進行了相應的處理。這無疑又增強了機組的生命力。

西門子S7-400HPLC在PROFIBUS網絡系統中的應用

文中用西門子S7-400HPLC完成聯鎖*能，構成PROFIBUS-DP/MPI分布式網絡系統，這樣整個聯鎖系統安全可靠。通過介紹DP/MPI網的概念和實現，結合唐山鋼鐵公司焦化站聯鎖實例，著重闡明用PLC實現DP/MPI網絡，以解決該聯鎖系統中分布式輸入輸出等。經現場調試、安裝，整個網絡運行良好，安全可靠地實現和完成車站信號聯鎖系統的聯鎖*能，應用前景很好。

引言

　　車站聯鎖系統是鐵路信號系統中的一個重要組成部分，它的主要任務是控制車站中的信號機和道岔，并且對信號燈狀態進行處理和對進路進行選擇等。隨著鐵路信號系統的信息化發展，微機聯鎖系統必然取代舊式的電氣聯鎖系統。

　　就國內外現狀來看，大多采用上、下位機的辦法來實現對車站信號的控制；有些微機聯鎖系統中，下位機主要實現數據的采集、命令發送、數據輸出等，而把主要的聯鎖*能置于上位機，這樣一來，上位機負擔太重，一旦上位機產生故障，不能保證系統的安全性、可靠性。如果能夠將聯鎖*能塊置于下位機，而且下位機安全性、可靠性比較高，那么整個系統

的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。

　　在以前的微機聯鎖系統中，用工業控制機作為下位機，實現聯*能，但不能保證系統冗余，這樣就不能保證整個系統的安全性、可靠性。因此，就要不斷更新和研究，尋求更完善的、更可靠的硬件、軟件環境，以提高系統性能和安全系數。用西門子PLC完成聯鎖*能，構成PROFIBUS-DP/MPI分布式網絡系統，這樣整個聯鎖系統安全可靠。

　　PROFIBUS現場總線技術是隨全數字信號系統的發展而產生的，是由德國組織開發的工業現場總線協議標準——PROFIBUS現場總線標準(DIN19254)。

　　PROFIBUS是近年來上較為流行的現場總線，也是目前數據傳輸率較快的一種現場總線(傳輸率可達12M波特)，因此在很多領域內廣泛應用。它是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接換信息。

　　PROFIBUS-DP(DistributedI/OS-分布系統)是一種經過優化的模塊，有比較高的數據傳輸率，適用于系統和外部設備之間的通信，遠程I/O系統尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時間要求比較高的自動化場合。

　　筆者將以S7-400HPLC為例，結合其在鐵路信號中的應用，探討實現PROFIBUS-DP/MPI網絡系統原理和方法。

　　PROFIBUS-DP/MPI網的性質和特點

　　PROFIBUS-DP適用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理等。

　　DP網的協議結構

　　PROFIBUS定義了各種數據設備連接的串行現場總線的技術和*能特性，這些數據設備可以從底層(如傳感器、執行器層)到中間層(如車間層)廣泛分布。

　　PROFIBUS連接的系統由主站和從站組成。主站一般要復雜些；從站為簡單的外圍設備，典型的從站為傳感器、執行器及變送器，它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予回答，或者主站發出請求時回送給主站相應信息。因此，從站只需要協議的一小部分，實現起來非常方便。

　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498標準，以開放式系統互聯網絡(Open System Interconnection，OSI)作為參考模型，該模型共有7層，PROFIBUS-DP定義了其中的*、二層和用戶接口。第3到7層未加描述。

　　圖1為ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結構比較。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應*能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標準的9針D型插座。數據鏈路層提供了介質存取控制*、數據的完整性檢查以及傳輸執行的協議，在PROFIBUS中稱第2層為現場總線數據鏈路(FDL)(包括介質訪問存取控制(MAC)子層、現場總線鏈路控制(FLC)子層、現場總線管理(FMA1/2)子層)，采用混合介質存取協議，對應于DIN(E)19245，支持單主或多主系統，主或從設備，大站數為126。它包括主站之間的數據傳輸的令牌環方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口(LLI)、現場總線信息規范(FMS)和現場總線管理(FMA7)。

圖1　ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結構比較

圖2為PROFIBUS-DP數據傳輸示意圖，即主站發送請求，訪問DP從站，其中包括幀格式；從站收到請求信息后，立即響應主站，并回送響應幀。

圖2　PROFIBUS-DP用戶數據傳輸

S7-1200和S7-1500指令的比較

下圖是博途的STEP7 V12幫助中的指令概覽。可以看出，S7-1200和S7-1500的指令是兼容的，S7-1200的指令是S7-1500的指令的子集。可以認為S7-1200是精簡版的S7-1500。如果暫時沒有條件使用S7-1500，可以先使用S7-1200，為今后使用S7-1500打下基礎。

1．可用的編程語言

S7-1500和S7-1200都能使用梯形圖（LAD）、*能塊圖（FBD）和結構化控制語言（SCL）語言。為了和S7-300/400兼容，S7-1500還可以使用STL語言。

2．指令的比較

1）S7-1500的基本指令比S7-1200多9條指令。

2）擴展指令中只有S7-1500有PROFIenergy（使用 PROFINET 進行能源管理）指令。此外S7-1500比S7-1200多11條指令。

3）“技術”類指令S7-1500比S7-1200多5條高速計數器指令。

4）“通信”類指令S7-1200比S7-1500多3條發送電子郵件的指令。

S7-1200 間接尋址指令的應用

S7-1200的間接尋址需要通過數據塊中的數組來實現。指令FieldRead通過索引（又稱為下標）變量從數組中讀取數值，指令FieldWrite 通過索引變量向數組中寫數值，使用這兩條指令可以實現間接尋址。

   索引變量是間接尋址中的地址指針，它的值是要讀寫的數組元素的索引值。地址指針就像收音機調臺的指針，改變指針的位置，指針指向不同電臺。改變地址指針中的索引值，指針“指向”數組不同的元素。間接尋址的優點是可以在程序處理期間，通過改變指針的值動態地修改指令中的地址。

   首成一個名為“數據塊1”的全局數據塊DB2，在數據塊中生成名為“數組1”的數組Array[1..10] of Int，其元素的數據類型為Int。

   這兩條指令沒有列入指令列表和高級指令列表，編程時將收藏夾中的空邏輯框插入程序，點擊其中紅色的“??”，打開下拉式列表框，可以看到列表框底部的指令FieldWrite或FieldRead。點擊生成的指令框中的“???”，用列表設置要寫入或讀取的數據類型為Int（見下圖）。兩條指令的參數MEMBER的實參必須是數組的*個元素“數據塊1”.數組1[1]。

   指令的輸入參數索引值“INDEX”是要讀寫的數組中的元素的下標，數據類型為DINT（雙整數）。參數“VALUE”是要寫入數組元素的值或要讀取的數組元素的值。

   下圖中的FieldWrite指令將常數25寫入數組1中的元素“數組1[3]”。FieldRead指令讀取數組元素“數組1[3]”的值，將它保存到MW20。改變INDEX的值，可以讀寫別的數組元素的值。

西門子 S7-1500 PLC 產品應用

SIMATIC S7-1500控制器提供了更高性能，位指令的處理時間低至1ns，浮點運算的指令處理時間低至10ns(取決于CPU類型，這在*次上市發布的產品中是不可能的)。背板總線的速度是S7-400PLC的40倍;由于代碼生成得到優化，CPU的響應速度與現有控制器的CPU相比更快。

每個CPU都配有一個PROFINET IO (2端口換機)標準接口。CPU 1516-3PN/DP另外還具有一個集成PROFINET基本接口，例如，可用于網絡隔離。

除集成接口外，每個SIMATIC S7-1500控制器還可通過通信模塊或通信處理器進行擴展。這樣就提供了很多其它連接方法，例如，通過PROFIBUS進行連接，通過以太網進行連接，或通過采用協議USS或Modbus RTU的串行接口進行連接。

集成技術

SIMATIC S7-1500可以不使用任何附加模塊而在PLC中集成運動控制*能。通過PLCopen，該控制器提供了標準化的塊，可用來連接模擬驅動器和PROFIdrive驅動器。運動控制*能支持轉速軸和定位軸以及外部編碼器。

為了有效調試和快速優化驅動器和閉環控制器，SIMATIC S7-1500還針對所有CPU變量提供了廣泛的跟蹤功能，既可用于實時診斷，又可用于不定時故障檢測。

除驅動器*能外，S7-1500還提供了豐富的閉環控制*能，例如，可通過便于組態的塊來自動優化控制參數以獲得控制質量。

此外，還可利用工藝模塊來執行高速計數、位置捕獲等*能，或針對24V直至200kHz的信號執行測量。

集成了安全功能

與STEP7結合使用時，每個CPU都會提供基于密碼的知識保護，可防止未經*而讀出并更改程序塊的內容。

復制保護加強了安全防護，防止未經*而復制程序塊。可以將具體程序塊鏈接至存儲卡的序列號，以便只有在將組態的存儲卡插到CPU中之后，才會執行該程序塊。

并且，控制器具有四個不同的安全訪問級別，以便向不同用戶組分配不同的訪問權限。

由于操作保護得到改進，因此，控制器可以檢測到數據更改或未經*的組態數據傳輸。

以太網通信處理器(CP 1543-1)通過防火墻為用戶提供了附加訪問保護，并可建立安全VPN連接(V12SP1及更高版本)。