(杰瑞能源服务有限公司,山东 烟台 264003)
以S7-200/TP070为例介绍如何进行开发项目
王福臣
(杰瑞能源服务有限公司,山东 烟台 264003)
可编程控制器(PL C)及触摸屏HMI在设备的电气控制系统中 的地位越来越重要,正成为一种不可或 缺的核心控制器件。如何进行PLC项目开发正成为初学者迫 切需要解决的问题。本文试图以水平连铸的控 制系统的开发为例,通过电气系统设计、S7-200 PLC编程、TP070触摸屏 编程过程来介绍项目开发过 程,期望能给初学者一点启示,快速掌握PLC 电气系统的开发技巧。
PLC项目开发;水平连铸;电气系统设计
可编程序控制器简称PC或PLC,是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统,是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种生产机械或过程。与传统继电器控制比较,可编程控制器有许多优点:
(1)系统组成简单、使用维护方便。
(2)可靠性高于继电接触器控制系统。
(3)环境适应性。
(4)与继电接触器控制系统相比,体积小、能耗少。
(5)程序编制,修改简单,可进行在线修改,柔性好。
经过多年发展,PLC已经具有非常强大的各种功能,广泛应用与冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环保等各行各业,已经成为电气控制系统中必选的重要元器件。
图1 TP070与PLC通讯接线
项目开发为一个系统工程,如何进行项目开发对初学者来说是较困难的。现在的电气控制系统基本都是以PLC为控制器件,以触摸屏为参数输入及监控平台,这就要求开发这有较高的整体技术能力。本文以“水平连铸控制系统”为例,从电气系统设计、西门子S7-200 PLC程序设计、西门子TP070触摸屏设计、设备调试四个方面进行概要介绍。
2.1 根据客户及工艺要求,确定电气系统组件
水平连铸工艺要求:伺服电机作为牵引机,可实现手动前进、后退及自动过程中的前进、停顿、反推、二次反推动作,并要求其拉制速度、拉制长度、拉制时间、停顿时间、反推速度、反推时间、反推停止时间等可调并通过触摸屏显示。铜铸坯的拉制精度为0.1mm,各种时间要求设定精度0.01s。通过热电偶采集保温炉温度,并在触摸屏显示。伺服电机使用PLC模拟量输出控制,其他用继电器输出控制。
根据工艺要求及器件性价比,主要器件:日本安川∑-Ⅱ系列SGDM-60ADA伺服驱动器及SGMGH-A/A三相伺服电机,西门子S7-200 CPU-226DC/AC 输入输出PLC、EM232模拟量输出模块、TP070触摸屏。电气控制器件选用施耐德产品,接触器、继电器的线圈控制电压AC220V。
2.2 画图前准备
根据伺服驱动器使用手册,完成控制方式及接线方式设计,并制作完成电机线和编码器线;根据TP070与PLC通讯要求,完成通讯电缆制作(图1);根据PLC特点,完成线路预设工作(图2)。
2.3 画图
依据习惯,画图软件使用北航海尔CAXA-XP版本。也可选用电气CAD等其他画图软件。
在电路图中要采用国家统一规定的图形符号和文字符号来表示电气元件的不同种类、规格以及安装方式,具体可参考《GB-T6988.1-2008电气制图国家标准》。
图纸图框 电气图纸一般使用坐标图框,电气器件及节点等信息在图纸中一目了然。在画图过程中,要对所有的器件、导线、节点等标注名称、引用出处,便于查阅图纸。图纸设计顺序一般按照主回路、供电回路、PLC控制回路、继电器回路及其他重要器件接线回路等。
标题栏可从标准标题栏中选用,也可根据习惯自己制作,标题栏中的标准信息必不可少,如果系统复杂,可以增加其他项目,如,图纸组号等。
电气装配图
在画图纸时,要根据各个器件的安装技术要求,在空间上给予合理布置,既要保证器件散热要求,又要保证安装、接线方便。画图前,依据电器选型手册中的技术数据,画出器件外形、安装尺寸,添加到标准图库中,这样,在画装配图时,直接调用方便迅捷。画完后,要对所有器件加以标示,以便安装。由于多数继电器、接触器等都有35mm标准卡槽,安装时使用标准35mm标准导轨安装,这样,安装迅捷,更换维修方便;对于较大较重的继电器、接触器或伺服放大器、电源等要根据安装尺寸单独安装。安装完成后,要对所有的按钮、继电器等器件安装名称、符号标牌,便于操作维修。
图2 CPU-226PLC端子连接图
用PLC的程序语言将电气系统的逻辑关系、运算过程表述出来,称为程序设计。在西门子程序元件中,有三种编写语言:状态图、语句表、梯形图,由于梯形图表述方便、简洁,与电气图纸类似,比较容易辨明逻辑关系,在程序设计中最常用。比较复杂的逻辑关系,常用语句表编写;状态图很少使用,一般在分析问题时使用。
3.1 水平连铸线程序设计过程:
(1)根据电路图中对PLC各个输入输出点的定义,在PLC软件中,首先定义用户符号,对使用点的功能进行文字描述,这样在编写程序时,只需输入物理地址,其功能描述即自动显示。这样做的好处:一是在程序编写时输入方便、快捷,无须逐个进行功能描述;二是在编写过程中各个物理地址功能一清二楚,便于记忆、编写,更方便在出现故障时故障点的查找。至于其他中间逻辑变量的功能及各种参数的功能,在需要时随时在符号表中进行编写标注。如图四所示,对PLC物理地址进行定义:
(2)编写过程:在工艺要求中,对牵引机的速度、运行时间等都要求可调并显示,且有自动、手动方式区别;液压锯切机也有有自动、手动方式区别;保温炉有温度采集、显示要求,以及保温炉的升降控制;对故障点做一些报警信息。综上所述,在程序编写时,将各个功能进行独立编写,组织单独的程序块,这样的好处是编写功能清晰,不易混淆,调试方便,在故障时查找迅速。各个功能块,通过主程序进行组织。相对来说,PLC逻辑控制程序比较简单,根据电路图及功能要求编写就可以了。基本编写经验为:在同一功能块中,输入/输出地址要从上到下依次增大,有规律性;相近或相对的功能要上下相邻;每一行的语句不要过长,可适当引用中间变量;在引用中间变量时,能根据功能块将其分段引用,且要从小到大;在查找程序时,依据编写特点,就能够快速查找。对于算数运算,就比较复杂。比如本项目水平连铸,牵引电机使用伺服电机,要求使用模拟量调速。在设计过程中,要了解伺服放大器模拟量控制电压最大幅值,根据幅值确定PLC模拟量输出值。根据PLC模拟/数字转换关系,确定数字量的值。如:最大电压±10V,数字量为±32768。依据这一比例关系,计算调速电压。在实际设计中,还要考虑牵引机减速机减速比,牵引辊周长等数据。如图四所示,编写有各个功能块。
(3)编写完成后,要对程序进行编译,编译后,会对程序的基本语法等进行检查,有错误的,编译结果会以红色字体在下方显示,并指明出处。无误后,与PLC连接,将程序下载。
3.2 TP070画面设计
TP070画面设计步骤,基本与PLC步骤一样,首先要定义各个地址,然后根据工艺要求,设计各个画面。如图五:
在设计中可增加其他画面,如主画面中的公司名称、项目名称、时间显示以及使用说明、公司简介等内容。各个画面通过主画面中的切换按钮进行切换。编写完成后,要对程序进行编译,编译无误后,与TP070连接,将程序下载。基本设计经验为:在画面不多的情况下,要做到在画面能在任意两个画面之间切换,以方便操作。如果画面较多,要保证在重要画面间灵活切换。
3.3 设备调试
设备调试是整个系统设计环节中重要的一环,它关系到整个系统是否成功。在电气柜安装完成后,即可对TP070、PLC程序进行。调试内容一般有一下几方面:
(1)TP070画面调试:包括各个参数与PLC参数地址是否一致,有无冲突,能否顺利修改,报警信息是否显示等,具体细节,可在现场应客户要求随时更改。
(2)PLC程序调试:包括各个物理地址是否正确、参数计算、联锁保护、报警、急停等内容,在程序设计完成后对程序给予全面、正确的调试。在PLC程序调试中,要有效利用其在线监控功能,这样在设备运行出现故障时更快的找到故障点。
(3)整体联动空载调试:模拟现场,空载调试,在于检验设备的逻辑动作可靠性、调速准确稳定、急停功能动作可靠等内容,是设备满载调试的前奏。对于伺服电机,要检查其是否出现零漂现象。
伺服电机调试前,要根据电气系统设计原理来设定伺服放大器内的各种参数,如:正反转运行信号、电机的调速指令是否为模拟量电压控制、运行模式等。在调试时要注意电机的运转速度是否与期望设定速度一致,若不一致,需要测试指令信号值;如果PLC模拟量输出信号不对,就需要对参数计算过程进行核对,直到电机运转正常。
(4)设备现场满载调试:在于检验设备在实际工作过程中的抗干扰、抗误动作、设备抗过流过载能力等,是设备验收最重要的环节,决定了本次项目是否成功。
电气系统项目设计是一个系统庞大的工程,需要设计人员有相当丰厚的技术能力,不仅需要掌握一般通用的办公软件,如OFFICE等,还需要掌握电气画图软件如CAXA电子图版、电气CAD等,专业软件如西门子S7-200软件、S7-300/400软件、触摸屏软件,还需要掌握一些相关硬件知识,如通用低压电气的选型(各种品牌的器件)如接触器等、变频器伺服驱动器等器件。这些能力不是一天两天就能够完成的,需要在工作中不断的学习积累。
随着PLC技术的发展,S7-1200系列PLC正得到迅猛发展,因其功能强大、通讯方便、性价比更高,将是S7-200系列的完全替代品;同时,用于S7-1200系列开发的工具软件博途V11,有着更高的集成度,其集成了S7-1200、S7-300/400及触摸屏开发软件WINCC FLEXIBLE,使其在系统集成开发中得到更加灵活方便的应用。这些更优秀的开发工具有待于我们不断学习,不断挖掘,在实践中应用,开发出更好更高的控制系统。
图3 PLC物理地址定义及软件标注
图4 TP070地址定义及画面参数设计
[1]PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社.
[2]张鹏飞.铸铜水平连铸牵引机自动控制系统的设计研究[D].浙江工业大学,2007.
[3]日本安川公司.∑-Ⅱ系列SGDM伺服驱动器使用手册[Z].
[4]SIEMENS公司.SIMATIC S7-200 PLC选型手册[Z].
[5]SIEMENS公司.SIMATIC 触摸面板TP070设备手册[Z].
TP27 < class="emphasis_bold"> 文献标识码:A
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