（杰瑞能源服務(wù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

以S7-200/TP070為例介紹如何進(jìn)行開發(fā)項(xiàng)目

王福臣

（杰瑞能源服務(wù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

可編程控制器（PL C）及觸摸屏HMI在設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)中 的地位越來越重要，正成為一種不可或 缺的核心控制器件。如何進(jìn)行PLC項(xiàng)目開發(fā)正成為初學(xué)者迫 切需要解決的問題。本文試圖以水平連鑄的控 制系統(tǒng)的開發(fā)為例，通過電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、S7-200 PLC編程、TP070觸摸屏 編程過程來介紹項(xiàng)目開發(fā)過 程，期望能給初學(xué)者一點(diǎn)啟示，快速掌握PLC 電氣系統(tǒng)的開發(fā)技巧。

PLC項(xiàng)目開發(fā)；水平連鑄；電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

可編程序控制器簡稱PC或PLC，是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是近年來迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種生產(chǎn)機(jī)械或過程。與傳統(tǒng)繼電器控制比較，可編程控制器有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)組成簡單、使用維護(hù)方便。

（2）可靠性高于繼電接觸器控制系統(tǒng)。

（3）環(huán)境適應(yīng)性。

（4）與繼電接觸器控制系統(tǒng)相比，體積小、能耗少。

（5）程序編制，修改簡單，可進(jìn)行在線修改，柔性好。

經(jīng)過多年發(fā)展，PLC已經(jīng)具有非常強(qiáng)大的各種功能，廣泛應(yīng)用與冶金、石油、化工、建材、電力、礦山、機(jī)械制造、汽車、交通運(yùn)輸、輕紡、環(huán)保等各行各業(yè)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中必選的重要元器件。

圖1 TP070與PLC通訊接線

項(xiàng)目開發(fā)為一個(gè)系統(tǒng)工程，如何進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)對初學(xué)者來說是較困難的?，F(xiàn)在的電氣控制系統(tǒng)基本都是以PLC為控制器件，以觸摸屏為參數(shù)輸入及監(jiān)控平臺(tái)，這就要求開發(fā)這有較高的整體技術(shù)能力。本文以“水平連鑄控制系統(tǒng)”為例，從電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、西門子S7-200 PLC程序設(shè)計(jì)、西門子TP070觸摸屏設(shè)計(jì)、設(shè)備調(diào)試四個(gè)方面進(jìn)行概要介紹。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 根據(jù)客戶及工藝要求，確定電氣系統(tǒng)組件

水平連鑄工藝要求：伺服電機(jī)作為牽引機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)前進(jìn)、后退及自動(dòng)過程中的前進(jìn)、停頓、反推、二次反推動(dòng)作，并要求其拉制速度、拉制長度、拉制時(shí)間、停頓時(shí)間、反推速度、反推時(shí)間、反推停止時(shí)間等可調(diào)并通過觸摸屏顯示。銅鑄坯的拉制精度為0.1mm，各種時(shí)間要求設(shè)定精度0.01s。通過熱電偶采集保溫爐溫度，并在觸摸屏顯示。伺服電機(jī)使用PLC模擬量輸出控制，其他用繼電器輸出控制。

根據(jù)工藝要求及器件性價(jià)比，主要器件：日本安川∑-Ⅱ系列SGDM-60ADA伺服驅(qū)動(dòng)器及SGMGH-A/A三相伺服電機(jī)，西門子S7-200 CPU-226DC/AC 輸入輸出PLC、EM232模擬量輸出模塊、TP070觸摸屏。電氣控制器件選用施耐德產(chǎn)品，接觸器、繼電器的線圈控制電壓AC220V。

2.2 畫圖前準(zhǔn)備

根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器使用手冊，完成控制方式及接線方式設(shè)計(jì)，并制作完成電機(jī)線和編碼器線；根據(jù)TP070與PLC通訊要求，完成通訊電纜制作（圖1）；根據(jù)PLC特點(diǎn)，完成線路預(yù)設(shè)工作（圖2）。

2.3 畫圖

依據(jù)習(xí)慣，畫圖軟件使用北航海爾CAXA-XP版本。也可選用電氣CAD等其他畫圖軟件。

在電路圖中要采用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)和文字符號(hào)來表示電氣元件的不同種類、規(guī)格以及安裝方式，具體可參考《GB-T6988.1-2008電氣制圖國家標(biāo)準(zhǔn)》。

圖紙圖框 電氣圖紙一般使用坐標(biāo)圖框，電氣器件及節(jié)點(diǎn)等信息在圖紙中一目了然。在畫圖過程中，要對所有的器件、導(dǎo)線、節(jié)點(diǎn)等標(biāo)注名稱、引用出處，便于查閱圖紙。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)順序一般按照主回路、供電回路、PLC控制回路、繼電器回路及其他重要器件接線回路等。

標(biāo)題欄可從標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)題欄中選用，也可根據(jù)習(xí)慣自己制作，標(biāo)題欄中的標(biāo)準(zhǔn)信息必不可少，如果系統(tǒng)復(fù)雜，可以增加其他項(xiàng)目，如，圖紙組號(hào)等。

電氣裝配圖

在畫圖紙時(shí)，要根據(jù)各個(gè)器件的安裝技術(shù)要求，在空間上給予合理布置，既要保證器件散熱要求，又要保證安裝、接線方便。畫圖前，依據(jù)電器選型手冊中的技術(shù)數(shù)據(jù)，畫出器件外形、安裝尺寸，添加到標(biāo)準(zhǔn)圖庫中，這樣，在畫裝配圖時(shí)，直接調(diào)用方便迅捷。畫完后，要對所有器件加以標(biāo)示，以便安裝。由于多數(shù)繼電器、接觸器等都有35mm標(biāo)準(zhǔn)卡槽，安裝時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，這樣，安裝迅捷，更換維修方便；對于較大較重的繼電器、接觸器或伺服放大器、電源等要根據(jù)安裝尺寸單獨(dú)安裝。安裝完成后，要對所有的按鈕、繼電器等器件安裝名稱、符號(hào)標(biāo)牌，便于操作維修。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

圖2 CPU-226PLC端子連接圖

用PLC的程序語言將電氣系統(tǒng)的邏輯關(guān)系、運(yùn)算過程表述出來，稱為程序設(shè)計(jì)。在西門子程序元件中，有三種編寫語言：狀態(tài)圖、語句表、梯形圖，由于梯形圖表述方便、簡潔，與電氣圖紙類似，比較容易辨明邏輯關(guān)系，在程序設(shè)計(jì)中最常用。比較復(fù)雜的邏輯關(guān)系，常用語句表編寫；狀態(tài)圖很少使用，一般在分析問題時(shí)使用。

3.1 水平連鑄線程序設(shè)計(jì)過程：

（1）根據(jù)電路圖中對PLC各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的定義，在PLC軟件中，首先定義用戶符號(hào)，對使用點(diǎn)的功能進(jìn)行文字描述，這樣在編寫程序時(shí)，只需輸入物理地址，其功能描述即自動(dòng)顯示。這樣做的好處：一是在程序編寫時(shí)輸入方便、快捷，無須逐個(gè)進(jìn)行功能描述；二是在編寫過程中各個(gè)物理地址功能一清二楚，便于記憶、編寫，更方便在出現(xiàn)故障時(shí)故障點(diǎn)的查找。至于其他中間邏輯變量的功能及各種參數(shù)的功能，在需要時(shí)隨時(shí)在符號(hào)表中進(jìn)行編寫標(biāo)注。如圖四所示，對PLC物理地址進(jìn)行定義：

（2）編寫過程：在工藝要求中，對牽引機(jī)的速度、運(yùn)行時(shí)間等都要求可調(diào)并顯示，且有自動(dòng)、手動(dòng)方式區(qū)別；液壓鋸切機(jī)也有有自動(dòng)、手動(dòng)方式區(qū)別；保溫爐有溫度采集、顯示要求，以及保溫爐的升降控制；對故障點(diǎn)做一些報(bào)警信息。綜上所述，在程序編寫時(shí)，將各個(gè)功能進(jìn)行獨(dú)立編寫，組織單獨(dú)的程序塊，這樣的好處是編寫功能清晰，不易混淆，調(diào)試方便，在故障時(shí)查找迅速。各個(gè)功能塊，通過主程序進(jìn)行組織。相對來說，PLC邏輯控制程序比較簡單，根據(jù)電路圖及功能要求編寫就可以了?；揪帉懡?jīng)驗(yàn)為：在同一功能塊中，輸入/輸出地址要從上到下依次增大，有規(guī)律性；相近或相對的功能要上下相鄰；每一行的語句不要過長，可適當(dāng)引用中間變量；在引用中間變量時(shí)，能根據(jù)功能塊將其分段引用，且要從小到大；在查找程序時(shí)，依據(jù)編寫特點(diǎn)，就能夠快速查找。對于算數(shù)運(yùn)算，就比較復(fù)雜。比如本項(xiàng)目水平連鑄，牽引電機(jī)使用伺服電機(jī)，要求使用模擬量調(diào)速。在設(shè)計(jì)過程中，要了解伺服放大器模擬量控制電壓最大幅值，根據(jù)幅值確定PLC模擬量輸出值。根據(jù)PLC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定數(shù)字量的值。如:最大電壓±10V，數(shù)字量為±32768。依據(jù)這一比例關(guān)系，計(jì)算調(diào)速電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要考慮牽引機(jī)減速機(jī)減速比，牽引輥周長等數(shù)據(jù)。如圖四所示，編寫有各個(gè)功能塊。

（3）編寫完成后，要對程序進(jìn)行編譯，編譯后，會(huì)對程序的基本語法等進(jìn)行檢查，有錯(cuò)誤的，編譯結(jié)果會(huì)以紅色字體在下方顯示，并指明出處。無誤后，與PLC連接，將程序下載。

3.2 TP070畫面設(shè)計(jì)

TP070畫面設(shè)計(jì)步驟，基本與PLC步驟一樣，首先要定義各個(gè)地址，然后根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)各個(gè)畫面。如圖五：

在設(shè)計(jì)中可增加其他畫面，如主畫面中的公司名稱、項(xiàng)目名稱、時(shí)間顯示以及使用說明、公司簡介等內(nèi)容。各個(gè)畫面通過主畫面中的切換按鈕進(jìn)行切換。編寫完成后，要對程序進(jìn)行編譯，編譯無誤后，與TP070連接，將程序下載?；驹O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為：在畫面不多的情況下，要做到在畫面能在任意兩個(gè)畫面之間切換，以方便操作。如果畫面較多，要保證在重要畫面間靈活切換。

3.3 設(shè)備調(diào)試

設(shè)備調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否成功。在電氣柜安裝完成后，即可對TP070、PLC程序進(jìn)行。調(diào)試內(nèi)容一般有一下幾方面：

（1）TP070畫面調(diào)試：包括各個(gè)參數(shù)與PLC參數(shù)地址是否一致，有無沖突，能否順利修改，報(bào)警信息是否顯示等，具體細(xì)節(jié)，可在現(xiàn)場應(yīng)客戶要求隨時(shí)更改。

（2）PLC程序調(diào)試：包括各個(gè)物理地址是否正確、參數(shù)計(jì)算、聯(lián)鎖保護(hù)、報(bào)警、急停等內(nèi)容，在程序設(shè)計(jì)完成后對程序給予全面、正確的調(diào)試。在PLC程序調(diào)試中，要有效利用其在線監(jiān)控功能，這樣在設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)更快的找到故障點(diǎn)。

（3）整體聯(lián)動(dòng)空載調(diào)試：模擬現(xiàn)場，空載調(diào)試，在于檢驗(yàn)設(shè)備的邏輯動(dòng)作可靠性、調(diào)速準(zhǔn)確穩(wěn)定、急停功能動(dòng)作可靠等內(nèi)容，是設(shè)備滿載調(diào)試的前奏。對于伺服電機(jī)，要檢查其是否出現(xiàn)零漂現(xiàn)象。

伺服電機(jī)調(diào)試前，要根據(jù)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理來設(shè)定伺服放大器內(nèi)的各種參數(shù)，如：正反轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)、電機(jī)的調(diào)速指令是否為模擬量電壓控制、運(yùn)行模式等。在調(diào)試時(shí)要注意電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是否與期望設(shè)定速度一致，若不一致，需要測試指令信號(hào)值；如果PLC模擬量輸出信號(hào)不對，就需要對參數(shù)計(jì)算過程進(jìn)行核對，直到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

（4）設(shè)備現(xiàn)場滿載調(diào)試：在于檢驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際工作過程中的抗干擾、抗誤動(dòng)作、設(shè)備抗過流過載能力等，是設(shè)備驗(yàn)收最重要的環(huán)節(jié)，決定了本次項(xiàng)目是否成功。

結(jié)語

電氣系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)龐大的工程，需要設(shè)計(jì)人員有相當(dāng)豐厚的技術(shù)能力，不僅需要掌握一般通用的辦公軟件，如OFFICE等，還需要掌握電氣畫圖軟件如CAXA電子圖版、電氣CAD等，專業(yè)軟件如西門子S7-200軟件、S7-300/400軟件、觸摸屏軟件，還需要掌握一些相關(guān)硬件知識(shí)，如通用低壓電氣的選型（各種品牌的器件）如接觸器等、變頻器伺服驅(qū)動(dòng)器等器件。這些能力不是一天兩天就能夠完成的，需要在工作中不斷的學(xué)習(xí)積累。

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，S7-1200系列PLC正得到迅猛發(fā)展，因其功能強(qiáng)大、通訊方便、性價(jià)比更高，將是S7-200系列的完全替代品；同時(shí)，用于S7-1200系列開發(fā)的工具軟件博途V11，有著更高的集成度，其集成了S7-1200、S7-300/400及觸摸屏開發(fā)軟件WINCC FLEXIBLE，使其在系統(tǒng)集成開發(fā)中得到更加靈活方便的應(yīng)用。這些更優(yōu)秀的開發(fā)工具有待于我們不斷學(xué)習(xí)，不斷挖掘，在實(shí)踐中應(yīng)用，開發(fā)出更好更高的控制系統(tǒng)。

圖3 PLC物理地址定義及軟件標(biāo)注

圖4 TP070地址定義及畫面參數(shù)設(shè)計(jì)

[1]PLC應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．

[2]張鵬飛．鑄銅水平連鑄牽引機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［D］．浙江工業(yè)大學(xué)，2007．

[3]日本安川公司．∑-Ⅱ系列SGDM伺服驅(qū)動(dòng)器使用手冊[Z]．

[4]SIEMENS公司．SIMATIC S7-200 PLC選型手冊[Z]．

[5]SIEMENS公司．SIMATIC 觸摸面板TP070設(shè)備手冊[Z]．

TP27 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A