SIEMENS/西門子  上海功焱自動化設備有限公司 

西門子PLC模塊代理商 西門子PLC模塊總代理商，西門子PLC模塊受權代理商，上海功焱工業(yè)自動化設備有限公司 本著“以人為本、科技先導、顧客滿意、持續(xù)改進”的工作方針，致力于工業(yè)自動化控制領域的產(chǎn)品開發(fā)、工程配套和系統(tǒng)集成，擁有豐富的自動化產(chǎn)品的應用和實踐經(jīng)驗以及雄厚的技術力量，尤其以 PLC復雜控制系統(tǒng)、傳動技術應用、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控備品備件、人機界面及網(wǎng)絡 軟件應用為公司的技術特長，幾年來，上海功焱公司在與德國 SIEMENS公司自動化與驅(qū)動部門的長期緊密合作過程中，建立了良好的相互協(xié)作關系，在可編程控制器、交直流傳動裝置方面的業(yè)務逐年成倍增長，為廣大用戶提供了SIEMENS的新 技術及自動控制非常好的解決方案，

    上海功焱在經(jīng)營活動中精益求精，主營業(yè)務優(yōu)勢如下：
SIEMENS 可編程控制器

1、 SIMATIC S7 系列PLC、S7200、s71200、S7300、S7400、ET200
2、 邏輯控制模塊 LOGO！230RC、230RCO、230RCL、24RC、24RCL等
3、 SITOP 系列直流電源 24V DC 1.3A、2.5A、3A、5A、10A、20A、40A
4、HMI 觸摸屏TD200 TD400C TP177,MP277 MP377
SIEMENS 交、直流傳動裝置
1、 交流變頻器 MICROMASTER系列：MM、MM420、MM430、MM440、ECO
MIDASTER系列：MDV  
6SE70系列（FC、VC、SC）
2、全數(shù)字直流調(diào)速裝置 6RA23、6RA24、6RA28、6RA70 系列
SIEMENS 數(shù)控 伺服
1、840D、802S/C、802SL、828D 801D ：6FC5210,6FC6247,6FC5357,6FC5211,6FC5200,6FC5510,
2、伺服驅(qū)動 ： 6SN1123,6SN1145,6SN1146,6SN1118,6SN1110,6SN1124,6SN1125,6SN1128

根據(jù)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，臨界阻尼響應是理想的控制方式，這種響應方式既實現(xiàn)了控制的快速性又實現(xiàn)了控制的穩(wěn)定性；過阻尼響應是為了穩(wěn)定性犧牲快速性；欠阻尼響應則是為了快速性犧牲穩(wěn)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(xiàn)的。　　 

根據(jù)剩余的兩種響應曲線的特性，筆者認為CPU啟動時好使用欠阻尼響應曲線，其理由是：CPU啟動狀態(tài)下，對增塑劑積累時間的要求優(yōu)先于增塑劑含量的穩(wěn)定性；而其他狀態(tài)下使用過阻尼響應曲線，此時對含量的穩(wěn)定要求優(yōu)先于積累的快速性。

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因此，利用S7-300啟動時的組織塊OB100在CPU啟動中只執(zhí)行一次的特性，對增塑劑伺服電機的控制方式依據(jù)機組不同的啟動狀態(tài)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(zhuǎn)命令至增塑劑伺服電機，使控制曲線成為欠阻尼響應狀態(tài)以實現(xiàn)對存儲器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動狀態(tài)，控制增塑劑伺服電機的FC功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(tài)?！?nbsp;

新的設計完全避免了CPU重啟時帶來的增塑劑積累過慢的問題、減少了廢品數(shù)量，因此這樣的設計不會影響正常生產(chǎn)狀況時增塑劑含量的穩(wěn)定性?！　?nbsp;

(2) 對濾棒剔除支數(shù)的計算策略

在纖維濾棒成型機的生產(chǎn)中，為保證濾棒質(zhì)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(shù)。這對統(tǒng)計生產(chǎn)效率帶來了相當?shù)睦щy。　　 

筆者可以得到動態(tài)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(shù)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(nèi)主電機的圓周行程，即機組一段時間內(nèi)所生產(chǎn)的濾棒長度?！?nbsp;

從這一角度出發(fā)，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(fā)，求出剔除時間內(nèi)的濾棒生產(chǎn)長度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個濾棒長度得剔除支數(shù)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(shù)與實際濾棒支數(shù)的誤差在±3支以內(nèi)。在精度上，以高生產(chǎn)速度3300支/分鐘計（此時濾棒長度為120mm），±3支的精度是完全可以滿足精度要求。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?！　?nbsp;

原系統(tǒng)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?！　?nbsp;

(3) 對拼接紙圈的控制策略

改造之前，纖維濾棒成型機執(zhí)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)的區(qū)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(qū)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(zhuǎn)速斜坡率過高會產(chǎn)生很大的靜摩擦力，該力會撕裂紙圈。如果轉(zhuǎn)速斜坡率過低，拼接時的紙圈浪費將增加?！　?nbsp;

為避免煩瑣，該項目放棄變頻器對接紙電機轉(zhuǎn)速的分段控制。為求出靜摩擦力和紙圈長度兩者之間的優(yōu)控制，筆者對接紙電機上升時間采取優(yōu)篩選法。通過優(yōu)篩選法得到的電機上升時間大約為3.4s?？紤]到生產(chǎn)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?！　?nbsp;

3 程序設計　　 

程序設計采用了結構化設計，將所需實現(xiàn)的各主要功能編制成為S7-300中的用戶功能塊（FC塊），在主程序循環(huán)模塊（組織塊OB1）中調(diào)用這些已經(jīng)編制好的子程序?！　?nbsp;

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(tǒng)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(zhí)行模塊、增塑劑執(zhí)行模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計計算模塊等FC塊和預設、保持系統(tǒng)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊DB塊。　　 

(1) 硬件設計與組態(tài)

本系統(tǒng)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(shù)字量輸入模塊，3塊24V/0.5A SM322數(shù)字量輸出模塊，1塊FM352-2高速計數(shù)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?！　?nbsp;

S7-300外圍設備為5個伺服電機的DP通訊端?！　?nbsp;

對上述硬件按要求進行組態(tài)，分別占據(jù)Profibus-DP通訊端的2、3~7和9號站，具體硬件組態(tài)如圖3所示?！　?nbsp;

(2) 軟件設計

由于編制的用戶功能模塊很多，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功能模塊?！　?nbsp;

數(shù)據(jù)塊組由一系列數(shù)據(jù)塊組成。這些數(shù)據(jù)塊除了一部分是S7-300程序中FB（功能塊的一種）所要求的之外，其他的數(shù)據(jù)塊都是用戶自定義的。這是因為生產(chǎn)中機組的一些系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)必須被預設或保存。由于S7-300內(nèi)部保持型M區(qū)的保存數(shù)量相對不足，例如：CPU315-2DP中整個可使用的M區(qū)的容量僅1024Bytes。同時，程序運行中所大量使用中間參數(shù)也需要不可重復的地址空間，所以將大部分的數(shù)據(jù)（特別是在觸摸屏上顯示的參數(shù)）編制成保持型DB塊?！　　?nbsp;

② 速度計算模塊(FC for Speed)

雖然機組的高生產(chǎn)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(tǒng)，本模塊就是將無序設定的參數(shù)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(nèi)部，本模塊會進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)提供給伺服電機執(zhí)行模塊　　 　　 ③ 伺服電機執(zhí)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(shù)模塊等）的數(shù)據(jù)后，伺服電機執(zhí)行模塊會向?qū)乃欧刂茐K發(fā)出指令和接收伺服電機狀態(tài)參數(shù)。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(tài)參數(shù)包括電機當前運行速度等。這些指令和參數(shù)通過過程通道和參數(shù)通道兩種方式控制“一主三從”共計4個伺服電機?！　?nbsp;

④ 增塑劑執(zhí)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(zhí)行模塊通過內(nèi)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?shù)膯栴}，所以高速和低速運行的參數(shù)為不同的兩組參數(shù)，程序按設置發(fā)送。這是這個模塊區(qū)別于伺服電機執(zhí)行模塊的地方。　 

⑤ 生產(chǎn)統(tǒng)計計算模塊(FC for Statistics)

由于要在生產(chǎn)中向工作人員提供實時的生產(chǎn)狀況，所以編制了這個功能塊，這樣就可以通過多次反復調(diào)用FC205來得到各班次的生產(chǎn)狀況。這樣節(jié)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(tǒng)全面提高了纖維濾棒成型機組的總體性能，控制功能得到完善和提升。將舊的交流變頻控制系統(tǒng)升級為由S7-300控制下交流伺服系統(tǒng)，使KDF2型纖維濾棒成型機具有新的競爭力。

在以前的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，用工業(yè)控制機作為下位機，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，但不能保證系統(tǒng)冗余，這樣就不能保證整個系統(tǒng)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(huán)境，以提高系統(tǒng)性能和安全系數(shù)。用西門子PLC完成聯(lián)鎖功能，構成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，這樣整個聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術是隨全數(shù)字信號系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是由德國組織開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準——PROFIBUS現(xiàn)場總線標準(DIN19254)。

PROFIBUS是近年來國際上為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率快的一種現(xiàn)場總線(傳輸率可達12M波特)，因此在很多領域內(nèi)廣泛應用。它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)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(tǒng))是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設備之間的通信，遠程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)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(xiàn)PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡系統(tǒng)原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點

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

DP網(wǎng)的協(xié)議結構

PROFIBUS定義了各種數(shù)據(jù)設備連接的串行現(xiàn)場總線的技術和功能特性，這些數(shù)據(jù)設備可以從底層(如傳感器、執(zhí)行器層)到中間層(如車間層)廣泛分布。

PROFIBUS連接的系統(tǒng)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(zhí)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(fā)出請求時回送給主站相應信息。因此，從站只需要協(xié)議的一小部分，實現(xiàn)起來非常方便。

PROFIBUS協(xié)議結構是根據(jù)ISO7498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)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(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調(diào)用的應用功能，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(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，在PROFIBUS中稱第2層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FDL)(包括介質(zhì)訪問存取控制(MAC)子層、現(xiàn)場總線鏈路控制(FLC)子層、現(xiàn)場總線管理(FMA1/2)子層)，采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對應于DIN(E)19245，支持單主或多主系統(tǒng)，主或從設備，大站數(shù)為126。它包括主站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧钆骗h(huán)方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口(LLI)、現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)和現(xiàn)場總線管理(FMA7)。

SINUMERIK和SIMODRIVE可以被廣泛應用于汽車工業(yè)、模具制造業(yè)、航空制造業(yè)、消費類物品制造業(yè)、能源和動力設備制造業(yè)等制造自動化領域，西門子運動控制產(chǎn)品能夠充分滿足您在各種領域內(nèi)的具體要求：無論是高技術高精度機床，還是經(jīng)濟
型數(shù)控設備，從全球技術領先的840D到經(jīng)濟實用的802C/S base line，SINUMERIK的全系列產(chǎn)品必有一款適合您的需求。
我們有極寬范圍的驅(qū)動系統(tǒng)供您選擇。SIMODRIVE與SINAMICS驅(qū)動系統(tǒng)以及伺服電機，主軸電機，還有先進的直線電機與轉(zhuǎn)矩電機等，品種齊全，功率范圍足以覆蓋機床和生產(chǎn)機械的絕大部分要求。
 西門子公司還開發(fā)了各種不同的用于數(shù)控裝置的人機操作接口軟件，令您的工作更輕松。同時，本地化的研發(fā)和生
將使西門子數(shù)控產(chǎn)品更加貼近中國市場，滿足廣大用戶的需求。我們還致力于中國數(shù)控加工領域的人才培養(yǎng)事業(yè)，SINUTRAIN數(shù)控教育培訓軟件已成為大專院校、職業(yè)學院進行數(shù)控教學的有力工具。