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岳陽西門子PLC代理商
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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),。
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(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,。
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*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(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,?！ ?nbsp;
(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,。
① 數(shù)據(jù)塊組（Group of Data-Blocks）
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)轉換并將轉換后的數(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。
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)。
圖1 ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結構比較
圖2為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖,，即主站發(fā)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(shù)據(jù)傳輸
USS 通信功能塊與變頻器的控制關系
USS_DRV功能塊通過USS_DRV_DB數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)與USS_PORT功能塊的數(shù)據(jù)接收與傳送,，而USS_PORT功能塊是S7-1200 PLC CM1241 RS485模塊與變頻器之間的通信接口,。USS_RPM功能塊和USS_WPM功能塊與變頻器的通信與USS_DRV功能塊的通信方式是相同的。
每個S7-1200 CPU多可帶3個通信模塊,，而每個CM1241 RS485通信模塊多支持16個變頻器,。因此用戶在一個S7-1200 CPU中多可建立3個USS網(wǎng)絡，而每個USS網(wǎng)絡多支持16個變頻器,，總共多支持48個USS變頻器,。
5. 2 S7 1200 PLC進行USS通信的編程
1．USS通信接口參數(shù)功能塊的編程
USS通信接口參數(shù)功能塊的編程如下圖所示。
圖7： USS通信接口參數(shù)功能塊的編程
USS_PORT功能塊用來處理USS網(wǎng)絡上的通信,，它是S71200 CPU與變頻器的通信借口,。每個CM1241 RS485模塊有且必須有一個USS_PORT功能塊。
PORT：指的是通過哪個通信模塊進行USS通信,。
BAUD：指的是和變頻器進行通行的速率。 變頻器的參數(shù)P2010種進行設置,。
USS_DB：指的是和變頻器通信時的USS數(shù)據(jù)塊,。每個通信模塊多可以有16個USS數(shù)據(jù)塊，每個CPU多可以有48個USS數(shù)據(jù)塊,，具體的通信情況要和現(xiàn)場實際情況相聯(lián)系,。每個變頻器與S7-1200進行通信的數(shù)據(jù)塊是的。
ERROR：輸出錯誤,。
STATUS：掃描或初始化的狀態(tài),。
S7-1200 PLC與變頻器的通信是與它本身的掃描周期不同步的，在完成一次與變頻器的通信事件之前,，S7-1200通常完成了多個掃描,。
USS_PORT通信的時間間隔是S7-1200與變頻器通信所需要的時間，不同的通信波特率對應的不同的USS_PORT通信間隔時間,。下圖列出了不同的波特率對應的USS_PORT小通信間隔時間,。
圖8：不同的波特率對應的USS_PORT小通信間隔時間