6ES7322-1BL00-0AA0

繼電器接觸器控制系統經過長期的使用，已有一套能完成系統要求的控制功能并經過驗證的控制電路圖，而PLC控制的梯形圖和繼電器接觸器控制電路圖很相似，因此可以直接將經過驗證的繼電器接觸器控制電路圖轉換成梯形圖。主要步驟如下：

　　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啟動時好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。

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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。

　　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

計算機輔助設計編程

計算機輔助設計是通過 PLC 編程軟件在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調試等等。使用編程軟件可以十分方便地在計算機上離線或在線編程、在線調試，使用編程軟件可以十分方便地在計算機上進行程序的存取、加密以及形成 EXE 運行文件。

7.3.2 PLC 軟件系統設計的步驟

在了解了程序結構和編程方法的基礎上，就要實際地編寫 PLC 程序了。編寫 PLC 程序和編寫其他計算機程序一樣，都需要經歷如下過程。

1. 對系統任務分塊

分塊的目的就是把一個復雜的工程，分解成多個比較簡單的小任務。這樣就把一個復雜的大問題化為多個簡單的小問題。這樣可便于編制程序。

2. 編制控制系統的邏輯關系圖

從邏輯關系圖上，可以反應出某一邏輯關系的結果是什么，這一結果又英國導出哪些動作。這個邏輯關系可以是以各個控制活動順序為基準，也可能是以整個活動的時間節拍為基準。邏輯關系圖反映了控制過程中控制作用與被控對象的活動，也反應了輸入與輸出的關系。

3. 繪制各種電路圖

繪制各種電路的目的，是把系統的輸入輸出所設計的地址和名稱聯系起來。這是很關鍵的一步。在繪制 PLC 的輸入電路時，不僅要考慮到信號的連接點是否與命名一致，還要考慮到輸入端的電壓和電流是否合適，也要考慮到在特殊條件下運行的可靠性與穩定條件等問題。特別要考慮到能否把高壓引導到 PLC 的輸入端，把高壓引入 PLC 輸入端，會對 PLC 造成比較大的傷害。在繪制 PLC 的輸出電路時，不僅要考慮到輸出信號的連接點是否與命名一致，還要考慮到 PLC 輸出模塊的帶負載能力和耐電壓能力。此外，還要考慮到電源的輸出功率和極性問題。在整個電路的繪制中，還要考慮設計的原則努力提高其穩定性和可靠性。雖然用 PLC 進行控制方便、靈活。但是在電路的設計上仍然需要謹慎、全面。因此，在繪制電路圖時要考慮周全，何處該裝按鈕，何處該裝開關，都要一絲不茍。

4. 編制 PLC 程序并進行模擬調試

在繪制完電路圖之后，就可以著手編制 PLC 程序了。當然可以用上述方法編程。在編程時，除了要注意程序要正確、可靠之外，還要考慮程序要簡捷、省時、便于閱讀、便于修改。編好一個程序塊要進行模擬實驗，這樣便于查找問題，便于及時修改不要整個程序完成后一起算總帳。

5. 制作控制臺與控制柜

在繪制完電器、編完程序之后，就可以制作控制臺和控制柜了。在時間緊張的時候，這項工作也可以和編制程序并列進行。在制作控制臺和控制柜的時候要注意選擇開關、按鈕、繼電器等器件的質量，規格必須滿足要求。設備的安裝必須注意安全、可靠。比如說屏蔽問題、接地問題、高壓隔離等問題必須妥善處理。

6. 現場調試

現場調試是整個控制系統完成的重要環節。任何程序的設計很難說不經過現場調試就能使用的。只有通過現場調試才能發現控制回路和控制程序不能滿足系統要求之處；只有通過現場調試才能發現控制電路和控制程序發生矛盾之處；只有進行現場調試才能后實地測試和后調整控制電路和控制程序，以適應控制系統的要求。

7. 編寫技術文件并現場試運行

經過現場調試以后，控制電路和控制程序基本被確定了，整個系統的硬件和軟件基本沒有問題了。這時就要全面整流技術文件，包括整理電路圖、PLC 程序、使用說明及幫助文件。到此工作基本結束。

　　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，以高生產速度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優控制，筆者對接紙電機上升時間采取優篩選法。通過優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功能編制成為S7-300中的用戶功能塊（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。

　　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（功能塊的一種）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。

機型的選擇

　　(一)PLC的類型

　　PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用分為現場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發，通常可按控制功能或輸入輸出點數選型。

　　整體型PLC的I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制的I/O點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制。

　　(二)輸入輸出模塊的選擇

　　輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應考慮電平、傳輸距離、隔離、供電等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關，電感性低功率因數負荷，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。

　　可根據應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便控制水平和應用成本。

 

　考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。

　　(三)電源的選擇

　　PLC的供電電源，西門子數字量模塊除了引進設備時同時引進PLC應根據產品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內電網電壓一致。重要的應用，應采用不間斷電源或穩壓電源供電。

　　如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。

　　(四)存儲器的選擇

　　由于計算機集成芯片技術的發展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。

　　(五)冗余功能的選擇

　　1．控制單元的冗余

　　(1)重要的單元：CPU（包括存儲器）及電源均應1B1冗余。

　　(2)在需要時也可選用PLC硬件與熱備構成的熱備冗余、2重化或3重化冗余容錯等。

　　2．I/O接口單元的冗余

　　(1)控制回路的多點I/O卡應冗余配置。

　　(2)重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。3）根據需要對重要的I/O，可選用2重化或3重化的I/O接口單

　　(六)經濟性的考慮

　　選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，終選出較滿意的產品。

　　輸入輸出點數對價格有直接影響。每一塊輸入輸出卡件就需一定的費用。當點數到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應，因此，點數的對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制有較合理的性能價格比。

　　目前，PLC 不僅可以執行開環控制，而且還可以執行

　　閉環控制、

　　定位、

　　計數、比例控制、

　　閥門控制以及其它功能。
6ES7322-1BL00-0AA0模塊

3、 硬件濾波及軟件抗如果措施

由于電磁干擾的復雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統的軟件設計和組態時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的可靠性。常用的一些措施：數字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位，并采用動態零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。

信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

對干較低信噪比的模擬量信號．常因現場瞬時干擾而產生較大波動，若僅用瞬時采樣植進行控制計算會產生較大誤差，為此可采用數字濾波方法。

  現場模擬量信號經A／D轉換后變成離散的數字信號，然后將形成的數據按時間序列存入PLC內存。再利用數字濾波程序對其進行處理，濾去噪聲部分獲得單純信號， 可對輸入信號用m次采樣值的平均值來代替當前值，但井不是通常的每采樣。次求一次平均值，而是每采樣一次就與近的m－l次歷史采樣值相加，此方法反應速度快，具有很好的實時性，輸入信號經過處理后用干信號顯示或回路調節，有效地抑制了噪聲干擾。

由干工業環境惡劣，干擾信號較多， I／ O信號傳送距離較長，常常會使傳送的信號有誤。為提高系統運行的可靠性，使PLC在信號出錯倩況下能及時發現錯誤，并能排除錯誤的影響繼續工作，在程序編制中可采用軟件容錯技術。

4、正確選擇接地點，完善接地系統

接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。

系統接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。集中布置的PLC系統適于并聯一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應采用串聯一點接地方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22 mm2的銅導線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω，接地距建筑物10 ~ 15m遠處(或與控制器間不大于50m)，而且PLC系統接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。