6ES7315-2FJ14-0AB0型号介绍

6ES7315-2FJ14-0AB0型号介绍

一、客户需求

       监测和集中控制所有电控设备；监测与烧结工艺有关仪倥信号（ 如压力、**、温度等），并且通过画面操作可以选择多种工作方式（如远程手动、PID手动方式、PID自动方式、串级双交叉控制等），对点火温度、风箱负压进行控制；显示主站PLC是否运行有无故障，从站通讯是否正常有无故障；预留厂级局域网站点登录访问功能。

二、解决方案

       基于GE FANUC公司过程控制系统集成、统一、灵活和开放的控制设计思想，并结合3#烧结机基础自动化控制系统的特点和要求，设计了基础自动化控制系统配置，详见基础自动化控制系统配置示意图（附图1）。PLC可编程序控制器选用系列90-30型产品，采用分布式I/O结构。以系列90-30为中心，向上，通过工业以太网与HMI人机接口系统通讯；向下，采用GENUIS网与VersaMax I/O站进行状态监控和数据交换。HMI人机接口系统采用CIMPLICITY HMI 软件编制，并通过WebView选件实现厂级局域网站点登录访问功能。

三、系统构成

● PLC的配置
       本控制系统选用的是系列90-30 PLC 的可编程序控制器。该产品不仅质量高、而且性能可靠。系统已在国内外诸多工业现场长期、稳定运行。系统组件的设计符合真正的工业等级， 满足国内、国际的安全标准。系统易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，可适应恶劣的工业环境。所有部件均可带电插拔、更换。提供了**的功能特性，易于组态便于安装。
       本控制系统的分布式I /O选用GE Fanuc 的VersaMax I/O产品。该产品在局部水平建立控制，真正实现了用分散的处理器就地实时控制，同时保留主处理器的资源，用于数据管理和监控。分布式控制是一种有效的，节省资金的解决方案，可减少现场总线网络的开销，增加主机的应用性能。
       由于烧结机的控制设备比较分散，而且彼此间的距离较远，因此从站是根据所控制的设备所在依据地域来划分的；由于电磁站从站所控制的设备较多，一个机架不能满足需求时，根据经济实用原则，添加两块扩展机架。
● HMI人机接口系统
       本控制系统的HMI 由两台操作员工作站（P933/128M/40G/19寸纯平彩显/逻辑球鼠标）构成，各自独立地对整个系统进行监控。两台操作员工作站均可独立完成正常生产所需的监控及操作，以便于任意一台出现故障时，不影响生产。
       HMI 系统采用基于Microsoft bbbbbbs NT 和bbbbbbs 98的CIMPLICITY HMI软件编制。CIMPLICIT 运行在bbbbbbsNT/98 的平台上，通过各种串行的、网络的通讯方式采集控制器中的资料，并利用计算机的强大图形功能动态地显示生产资料。
采用CIMPLICITY HMI 软件的WebView选件实现厂级局域网站点登录访问功能。
● 通讯网络
        采用快速工业以太网和GENUIS 总线构成了3#烧结机基础自动化控制系统的通讯网络。操作员工作站和PLC主站之间的通讯采用快速工业以太网。
       VersaMax I/O通过Genius现场总线与系列90-30建立通讯链路。采用屏蔽双绞线，通过多点连接将每个从站接入，构成总线型网络拓补结构。因此一个站设备出现故障，并不影响整个总线的通讯。

三、系统功能

● 电控部分
电控部分为顺序控制，采用VersaPro软件用梯形图进行编程。实现以下功能：
[1] 单机控制：在机旁操作箱上对单台设备进行操作，并在HMI上进行监控。只完成单台设备单独启动，不进行联动控制。
[2] 单系统集中控制：在HMI上对某个系统进行操作，只完成单个系统的联动控制。
[3]全系统集中控制：在HMI上对整个系统进行操作，实现整个系统的自动控制。
[4] 联动功能：从画面按启动按钮，所有设备的起动顺序起动。按停止按钮，所有设备的停止顺序和起动顺序相反。一旦联动的设备有故障，从这设备开始按起动的方向一直停到圆盘给料机电子称小皮带机。中间停机延时一秒。
[5] 实际的工艺要求：正常生产时一般要求6、7系统连锁，而5系统因有大矿槽，在正常生产时如有故障，6、7系统连锁停，而5系统可以正常运行。

● 仪控部分
仪控部分主要实时显示与烧结工艺有关仪倥信号（如压力、**、温度等），并且通过画面操作对点火温度、风箱负压进行控制。
[1] 点火温度控制：点火温度控制是通过控制煤气和空气的**来实现的。采用串级双交叉控制和非串级双交叉控制的控制方法。串级双交叉控制是一种非常**的控制方法，是以维持合适的空气，煤气比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证了较高的热效率，同时减少了排烟对环境的污染。串级双交叉控制以点火温度调节为主回路，以煤气**和空气**为副回路的串级调节回路。串级双交叉控制分为自动控制和手动控制；非串级双交叉控制分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
[2] 煤气切断阀控制：当煤气或空气的压力低时自动关阀。分手动控制和自动控制。
[3] 风箱负压控制：1#、2#、13#、14# 风箱有调节阀，需要调节风箱负压。分为PID手动、PID自动和远程手动控制。
● 上位机画面
      上位机画面是在HMI 中完成的。到达任何一幅画面的按键操作不超过两次，画面弹出的时间不超过1秒。主要包括工艺流程、趋势曲线、参数报表、棒图显示、报警、设备状态、回路调节等窗口。

一.前言
         大连安迪数控技术有限公司针对国内热封切制袋机现状推出了专用伺服控制解决方案，在国内某公司制袋机设备成功应用并得到了广泛推广，该方案采用了ADSD-S交流同步伺服驱动器、A***-S交流永磁同步伺服电机、触摸屏、PLC、变频器、变频电机等主要元器件；根据设备工艺要求选择了低惯量高转速的A***-S伺服电机作为主要运动机构，保证了封切制袋机在频繁启动负载下自身运动的平稳性与快速响应性，使伺服电机的一次送料转速能够满足切刀上下运行的时间要求。同时简化了机械机构，解决了原机械设备效率低、定位精度低、能耗大、自动化水平低、浪费材料等缺点。
 

图１　热封切机设备图
二.控制原理
　　整个设备生产工艺过程主要分为抬刀、定位、封切三个部分。热封刀与切刀的上下往复运动由变频器驱动变频电机控制，袋长定位由伺服驱动器控制伺服电机带动送料辊控制，另外光电传感器（又称光电眼）、温控器、接近开关，做为测控元器件，负责时间的判断与控制信号的发出，使执行器件之间确立时序关系。PLC做为核心程序的载体，负责脉冲信号的发送及各种控制信号的转化与传递，终控制各执行机构的运转与协调。触摸屏作为人机界面，用于参数设置及整台机器运行状况监控，通过触摸屏可以调整袋长、清零、复位、点动等操作；还可以显示袋长数值和被加工袋的累计数量等。
下图为热封切机的控制原理框图：
 

图２控制原理框图。

三.工作流程
１.系统上电
　　程序初始化，输入袋长数值，调整温度仪，使封刀的温度达到热封的需要（封刀的温度，应根据主电机的转速高低进行设定，以胶袋封口处结实耐拉为准。封刀温度偏低，会导致胶袋封口处不牢。若封刀温度偏高，会导致胶袋封口处烫穿，因此，应根据主电机转速及封口时间长短进行调节）；进入手动调节模式，检查机械部分，伺服系统，变频器等是否可以正常工作，调节色标光电眼，使其能够感应色标变化。
２.制作袋子
　　点击触摸屏自动运行按钮，主变频电机(1.5KW)工作，通过机械连杆带动封刀和切刀上下往复运动，切刀每向上运动一次，伺服信号就导通一次，由PLC发送脉冲控制伺服电机(1kw)运转，脉冲的个数决定了伺服电机转动的圈数，脉冲的频率决定了伺服电机的转速，伺服电机通过同步带带动送料辊送料，伺服电机必须在切刀下降到承切皮辊之前完成定位，当切刀和封刀下切后，胶袋形成，当切袋个数到达预设个数或按下急停按钮时，在生产完当前胶袋后停机，切刀和封刀停在高位停车处。
　　制袋机一般具有两种封切方式：空白袋定长封切和寻标封切，当选择空白袋定长封切时色标光电眼不起作用，PLC程序根据切袋长度、机械传动比、伺服驱动器的电子齿轮比、伺服电机编码器的线数以及送料辊的周长，计算出伺服系统定位所需要的脉冲数，然后由驱动器驱动伺服电机带动送料辊转动送出一定长度的胶袋，从而实现白袋定长封切；当选择寻标封切时，其过程如下，伺服启动信号导通，伺服电机按照PLC程序预先设定的运动曲线进行加速运动、恒速运动、减速运动、低速追色，如图3所示，PLC接收到追色信号时，通过中断方式立即停止伺服电机。一般追色长度为10mm，并且要求追色信号只能在追色范围内起作用，其它范围内需屏蔽掉其干扰信号。追色封切调试时，在人机界面上设定好伺服电机的恒速速度，先将加速时间、减速时间设长，再调低速追色速度，尽可能**低速追色速度，以追色平稳、准确为准。调整好追色速度后，再调加速时间、减速时间，尽可能调短加减速时间，以胶袋与出料辊不发生相对滑动及追色平稳为准。PLC程序在追色封切时，对追色信号记数，连续三次检测不到时，PLC停止各电机运转，并驱动报警器报警。同时PLC程序对批量记数，当批量达到预警值时，PLC驱动报警器报警提示。
 

图3 寻标速度曲线图

四.伺服系统简介
　　本机采用的伺服系统为大连安迪数控技术有限公司的ADSD-S系列，驱动单元采用美国TI公司新数字信号处理器DSP为核心，选用三菱公司工业级智能功率模块（IPM），而且所选IPM的容量比标定相同功率的其它国内伺服产品要大一个等级，因而具有过载能力强、抗负载扰动能力强、起动力矩大、动态相应速度高等特点；支持多种通讯方式，标准全隔离RS485通讯模块,RS422/RS485,CAN bus或Profibus可选；驱动器将位置控制、速度控制、转矩控制这三种控制方式合为一体，并且可以进行各控制模式的动态切换，使用更加灵活柔性；具备过速保护、过流、过载、过热、主电源过压欠压、编码器异常、通讯错误、PID反馈信号异常等duoz保护及异常显示，使控制过程一目了然。电机为三相永磁同步伺服电机，具有三倍过载能力，3000RPM的额定转速，2500线的编码器分辨率。
机械参数：
机械传动减速比1：3
胶辊直径66mm
精度要求：袋长精度小于0.5mm，伺服电机编码器脉冲数为2500P/R，通过四倍频转换后，分辨精度达到10000p/r,即v伺=360°/10000=0.036°，电机输出到送料辊有3:1的减速比，实际检测精度达到：
v辊=360°/(10000×3)=0.012°
对应的袋子长度分辩精度为：
vl辊=πD×(0.012°/360°)=207.24×0.000033=0.006839mm
故其本身误差远远小于0.5mm，引起定位误差较大的真正原因是由于伺服电机起停不够平滑，停车时抖动，故要根据伺服电机的起停速度调整合适的速度环、位置环增益与加减速时间，调试过程如下：
a）将位置环增益即先设在较低值，然后在不产生异常响声和振动的前提下，逐渐增加速度环的增益至大值。
b）逐渐降低速度环增益值，同时加大位置环增益。在整个响应无超调、无振动的前提下，将位置环增益设至大。
c）速度环积分时间常数取决于定位时间的长短，在机械系统不振动的前提下，尽量减小此值。
d）随后对位置环增益、速度环增益及积分时间常数进行微调，找到佳值。
e）适当调整位置指令一次滤波时间常数。
调试参数如下：

五. 总结
　　　该热封切制袋机是在传统老式设备的基础上运用安迪伺服控制系统改造而成，具有**效率；降低能耗；提成品率；**封切精度；调试方便快捷；运行过程平稳；简化机械结构等特点，具有更高的技术含量和更优良的性价比，为企业创造更多的效益

现今选定以S7-300为主站, S7-200为从站, EM277为两者通过ROFIBUS总线通讯、OP270为人机界面、以及动力柜和操作柜组成的控制系统。经长期使用，此控制系统简单、稳定、可靠、控制精度高，正在也将继续为公司及客户创造更好的效益。见图1。

图1 成型装饰布料系统

系统的简要工艺
　　陶瓷墙地砖的生产是以硅酸盐为主要原料，经过球磨、制粉，通过布料系统按一定的配方将粉料送入压砖机的模腔中；再由压砖机根据工艺要求，以一定的压力将粉料压制成型，然后进行烧制及后续加工。成型装饰布料系统是由压砖机、魔术师布料车、模具组成，是陶瓷墙地砖生产企业的核心设备。压砖机是将粉料压制成有一定强度、致密度的砖坯；魔术师布料车是由底板、7个工位、坯垫循环系统组成.首先根据砖坯的表面图案设计各工位要布的粉料，每个工位主要是由布料摆管、填料料斗、升降气缸组成的。通过工位将不同的粉料撒布在坯垫上，坯垫是平铺在底板上,通过前后两个伺服电机带动链条,再由链条上的挂钩拖动坯垫至下一工位， 当检测到坯垫到位后，升降气缸下降，布上所需粉料，当所有需要的工位布上粉料后，由伺服电机拖动坯垫至压砖机，再次检测坯垫到位后，模具下降，压砖机开始进行压制，压制完成后，链条带动压制完成的砖坯送到下一道工序，坯垫在砖坯转运走后，经坯垫循环系统到个工位准备下一循环。这样就完成了整个的成型装饰布料系统的一个工作循环。

控制系统构成
　　整个系统主要以西门子S7-300 PLC为主站，用OP270作为人机界面，各个工位以S7-200 PLC为从站，扩展一个EM277模块，通过PROFIBUS总线与主站通讯。由于环境温度比较高，为了系统更加稳定的运行，在柜内加装了工业空调。同时使用了多种传感器来进行检测，如：压力传感器、位移传感器、PT100、接近开关等。执行元件主要是电磁阀、比例阀、伺服电机、变频器等。硬件的性能优劣对于一个控制系统来说是至关重要的，对系统的可靠性和稳定性有很大的决定作用，因此在硬件选型上严格把关，大部分原件均采用了的产品，同时整机也通过了CE认证。
　　本控制系统均采用西门子产品。控制系统的硬件具体配置如下：
　　电源模块PS307 
　　6ES7 307-1EA00-0AA0     1个
　　CPU 313C-2DP     

      6ES7 313-6CE01-0AB0     1个
　　DI数字量扩展模块      
　　6ES7 321-1BL00-0AA0     1个
　　DO数字量扩展模块      
　　6ES7 322-1BF01-0AA0     3个
　　DO数字量扩展模块      
　　6ES7 322-1BH01-0AA0     1个
　　AI/AO模拟量扩展模块   
　　6ES7 335-7HG01-0AB0     1个
　　OP270 HMI           
　　6AV6 542-0CC10-0AX0     1个
　　CPU224                 
　　6ES7 214-1AD23-0XB0     7个
　　EM277扩展模块         
　　6ES7 277-0AA22-0XA0   7个
　　(见图2）    

图2 控制系统结构图

　　由于陶瓷产品的竟争越来越激烈，**产品的竟争力犹为重要。成型装饰布料系统给客户提供生产高附加值的仿石材设备。
　　本套系统的选择，是由成型装饰布料系统结构决定的。魔术师布料系统是一个多色瓷砖布料系统, 基料需要一个工位, 每一种颜色需要一个工位. 本系统由7个工位组成，整个系统的总长20几米，可以生产仿石材线条瓷砖. 每个工位都与压砖机有很多数据交换，同时每个工位又有各自的数字量I/O点要处理。如果用集中控制方式，电气控制柜与各工位之间的线路非常多，敷设、安装极其不便。因此决定选择分散控制方式，用通讯达到总体协调，从而可以大大的精简线路，减少线路安装、维护工作量。PROFIBUS现场总线技术则是我们的佳选择。每个工位采用S7-200 CPU 进行控制, 可以降低S7-313C CPU的负担, **系统做压力闭环控制的精度. 各个S7-200 CPU使用EM277连到PROFIBUS网络上, 通信性能好, 同时编程简单.
　　PLC的选择也是经过深思熟虑的，S7-300系列PLC是一个成熟产品，具有很高的稳定性，技术参数符合设备的使用要求，而且在用户心目中有良好的形象。CPU 313C-2DP集成有多路数字量输入/输出、模拟量输入输出、温度检测和高速计数通道，同时该CPU单元有两个端口，MPI端口可用于编程或与HMI通讯，DP端口可作为主站的PROFIBUS总线与各工位的EM277和伺服电机控制器的DP端口通讯。这种CPU既符合本设备的使用要求，又可与公司其它产品通用，并且具有很高的性价比，因此终选择了CPU 313C-2DP。
　　由于设备中位置控制和压力控制均要非常稳定和准确，而且对响应速度有很高的要求，因此选择了SM 335快速模拟量输入/输出，其性能优越，用它进行压力和位置信号的采集，并用来控制高响应的比例阀，以此达到位置和压力的准确快速控制，使之满足工艺要求。设备中存在大量电磁阀，选用可带大负载的晶体管输出322-1BF01-0AA0模块，与继电器输出相比，**了模块的使用寿命和响应速度，而且更具有安全性。

控制系统完成的功能
　　从控制系统结构图可以看出，主站控制2台伺服电机控制器和7个从站。人机界面OP270通过MPI总线发送各种工艺参数给主站，通过PROFIBUS总线传送给每个从站，每个从站的I/O状态和工艺数据也通过PROFIBUS总线返回给主站，通过MPI总线在人机界面上显示出来(具体工艺参数见图3)。

图3  数据监控

　　魔术师成型系统修改配方的功能十分方便, 只需要在HMI上简单的设置, 就可以控制布料工位的数量, 布料次数, 填料次数等数据, 这些数据通过PROFIBUS网络, 实时的传送到各个工位,客户随时都可以方便的修改瓷砖的配方.
　　一个单色布料工位由以下各部分组成: 一个布料头, 一个布料挡板(控制瓷砖上的仿石材纹路), 一个气缸控制布料头的升降, 一个变频器控制控制布料头的左右移动, 一个变频器控制给料的皮带.
　　单色布料工位部的是面料,  先将面料布好, 然后后在面料的基础上布上较厚的基料, 后送到压机, 压成一块砖坯.
　　单个工位的工作流程见图4。

图4 单个工位的工作流程

　　每一步都有相应的检测开关以及内部程序判断. 所有的状态都会通过PROFIBUS网络传送到S7-313C. 在主站编程时编写了两个功能块FC60(向从站发送数据)、FC61(接收来自从站的数据)。在硬件组态时指定EM277的数据长度为4WORD bbbbb和4WORD output。例如:工位1的接收的数据有:工位选择(位)、布料次数(单字)、填料次数(单字)、缺料报警(位)，对应的S7-200 CPU根据S7-300 CPU传送过来的数据进行本地控制. 工位1向主站
发送的数据有:循环时间(单字)和各种状态。CPU313C-2DP通过MPI网络与OP270进行数据传输，由FC60和FC61实现和EM277的数据的双向通讯。
　　S7-313C根据每个工位的状态, 控制伺服电机带动坯垫的前进. 坯垫的控制控制精度越高, 浪费的原材料就越少. 为了**控制坯垫的位置, 并且不照成累计误差, 系统采用了一个接近开关来辅助定位, 当坯垫到达接近开关的位置, CUMC控制坯垫停止. 由于CUMC伺服控制器+1FK7电机的系统精度高, 速度线性好. 坯垫停止位置的误差在1mm, 大大减少了硅酸盐的损耗.
　　系统有调整、手动、自动切换功能：
　　(1)调整控制
　　在此控制方式下，可以通过操作按钮站调整压砖机的横梁，启、停循环油泵和主油泵。
　　(2)手动控制
　　在此控制方式下，可以手动调整压砖机，安装、拆卸模具，调整魔术师布料车。在调整魔术师布料车时，必须合上压砖机的安全杆才能手动操作，确保安全。
　　(3)自动控制
　　自动控制方式，可以启、停系统，报警的复位，同时还可以修改实时参数。系统在进入生产、调试阶段后，主要是工作在自动状态。

项目运行
　　本系统自从2006年试用一直到现在大批量生产，已使用几十套，实践证明，此系统控制精度完全能达到生产要求，而且，对于科达机电来说，在满足设备功能和工艺要求的前提下，有效得控制了生产成本。该系统稳定、可靠，操作简单，完美的人机界面，为设备故障提供了大量的诊断信息，这些极大的方便了用户的使用和维修工作，在用户中得到了一致。
　　具体的诊断信息分为I/O信号报警和操作错误报警。I/O信号报警可以指导用户查找出故障的具体I/O点的位置；而操作错误报警是提示用户操作此项时还有哪些条件没有满足。用户可以根据提示信息重新操作。在编程时首先在画面组态时定义区域指针“报警消息    地址为DB127.DBW0”,在PLC编程时，对重要的报警信息使用置位指令，只有在故障处理后手动复位才能重新操作，保证人身安全；对一些提示性的信息则可以不用置位指令，当外部条件满足后自动恢复（见图5)。

应用体会
　　通过对西门子PROFIBUS总线和STEP 7编程软件的长期使用，使我们对西门子产品有了深刻的认识和体会：
　　(1)PROFIBUS总线实现了现场设备和中央控制器之间的双向、高速、实时数据通讯，编程简洁方便。从站分配地址后，数据在主站中直接引用从站的VW。不需另外编程。
　　(2)应用PROFIBUS总线控制，硬件接线简洁。只需采用一根通讯线就可以将7个从站和两个伺服控制器连接起来；硬件组态简单。在设备安装、调试过程中大大减少了接线的工作量；同时使设备运行更加可靠，**整机的性能；大大降低设备因线路引起的故障率。
　　(3)应用PROFIBUS总线控制. 数据交换速度快, 每个工位的状态传到S7-313C CPU基本没有延时, 系统响应性很好. 在所有工位的动作完成的时刻, 伺服电机马上就能开始带动坯垫运行, 感觉不到任何延时.
　　(4)单个工位采用S7-200控制, 绝大部分控制功能在本地实现, 每个工位出现异常状态的时候能及时停机并将异常状态反馈到S7-300 CPU. 同时, 网络如果出现故障, 也能完成本次控制, 不会出现误动作, 保护了设备和人身的安全.
　　(5)采用PROFIBUS总线专用的双绞屏蔽线,有效的解决了高次谐波等电气噪声的干扰,采用数据通讯方式比使用模拟量控制伺服控制器大大**了系统的抗干扰能力。**系统可靠性。
　　(6)STEP 7编程软件的还有远程监控功能，可以为维护提供快速反应，同时为企业节约大量维护成本。非常适合在本行业中的应用。