基于PLC的物料包装输送监控系统
1 引言
物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件[1]组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
2 系统介绍
包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、
18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处
2 PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机 分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
(1) 中央控制单元
中央控制单元选用 CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
(2) 电源单元
电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。
(3) 输入输出单元
系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块
16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V
(4)通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常(距离约300米)，在本系统选用了CP 342-5通迅模块。
通过PROFIBUS 进行配置和编程。
2.2 变量分配
控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
3 包装输送控制程序设计思想
3．1 系统控制方式
包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。
3．2控制程序设计
该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。 （2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。
本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、
总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图4给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。
3.3控制设计思想
(1) 回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
(2) 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
(3) 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
(4) 上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。
4 WINCC组态软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表[4]、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在Windows2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图5是监控软件的结构。WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
5 监控系统主要实现的功能
(1) 显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
(2) 报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
(3)历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
(4) 画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
(5) 管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
(6) 操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。
6 结束语
本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。
物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件[1]组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
2 系统介绍
包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、
18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处
2 PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机 分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
(1) 中央控制单元
中央控制单元选用 CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
(2) 电源单元
电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。
(3) 输入输出单元
系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块
16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V
(4)通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常(距离约300米)，在本系统选用了CP 342-5通迅模块。
通过PROFIBUS 进行配置和编程。
2.2 变量分配
控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
3 包装输送控制程序设计思想
3．1 系统控制方式
包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。
3．2控制程序设计
该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。 （2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。
本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、
总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图4给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。
3.3控制设计思想
(1) 回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
(2) 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
(3) 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
(4) 上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。
4 WINCC组态软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表[4]、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在Windows2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图5是监控软件的结构。WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
5 监控系统主要实现的功能
(1) 显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
(2) 报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
(3)历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
(4) 画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
(5) 管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
(6) 操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。
6 结束语
本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。
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