基于S7-300 PLC的冰箱側板自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設計

張洋（中國昆侖工程公司，北京 100037）

基于S7-300 PLC的冰箱側板自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設計

張洋（中國昆侖工程公司，北京 100037）

本文比較冰箱側板生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的特點，闡述了生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的工作原理、硬件安裝與網(wǎng)絡連接、軟件系統(tǒng)的設計與生產(chǎn)線的調試，并針對電氣系統(tǒng)抗干擾的措施進行討論。

冰箱側板生產(chǎn)線；電氣控制系統(tǒng)；硬件安裝；網(wǎng)絡連接；軟件設計

1 引言

可編程控制器（PLC）作為工業(yè)控制裝置，應用范圍廣泛，包括數(shù)控機床、電力石化、汽車裝配、機械制造、冶金鋼鐵、交通運輸、輕工紡織等行業(yè)。

冰箱側板生產(chǎn)線是冰箱生產(chǎn)工序中必不可少的一部分。上世紀末，眾多冰箱廠家大都采用從日本和意大利等國家進口設備，費用極其昂貴。隨著計算機技術快速的發(fā)展，可編程邏輯控制器、變頻器、伺服系統(tǒng)快速應用到了冰箱生產(chǎn)線工藝上，形成一整套成熟的電氣自動化控制系統(tǒng)，自動化程度得到了很大的提高。該技術已經(jīng)應用到榮事達、美菱、長虹、美的、華凌等多家冰箱廠家的十余條側板成型生產(chǎn)線，具有了相當成熟的設計經(jīng)驗，既節(jié)約人力成本又提高了生產(chǎn)效率。在側板生產(chǎn)的過程中涉及到了大量的數(shù)據(jù)輸入和輸出，需要一種能支持強大運算功能的PLC，西門子S7-300符合這一要求。西門子的Step7 ProfessionalV5.4 SP3編程軟件支持LAD、STL和FBD三種編程語言，并且支持三種編程語言的混編，大大提高了編程的效率。

2 側板生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的特點

國內傳統(tǒng)的側板生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)特點：

（1）采用西門子S7-200可編程邏輯控制器，輸入輸出點數(shù)在256點以下，用戶程序存儲器容量在4K字節(jié)以下，可擴展模塊數(shù)量較少，一般只能滿足四工位以下的側板生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。

（2）采用控制臺集成按鈕和指示燈的方式進行生產(chǎn)操作。

（3）更換生產(chǎn)側板型號時需要采用人工更換定位塊的方式。

（4）對側板板材的定位采用氣動擋塊和拉手實現(xiàn)。

基于S7-300可編程邏輯控制器的冰箱側板自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點：

（1）S7-300屬于中型PLC，輸入輸出總點數(shù)一般在256~2048

點之間，用戶程序存儲容量達到2~8K字，不僅具有開關量和模擬量的控制功能，還具有更強的數(shù)值計算能力，它的通信功能和模擬量處理能力更強大，適用于多工位生產(chǎn)線復雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)過程控制場合。

（2）采用西門子HMI觸摸屏與控制按鈕、指示燈相結合的方式來操控整條多工位生產(chǎn)線，觸摸屏可以直接輸入板型型號，生產(chǎn)線沖切工位伺服系統(tǒng)自動定位沖切模具。

（3）由于六工位以上的側板生產(chǎn)線距離過長，采用主—從操作臺的方式來進行生產(chǎn)操作，并在每個工位的適宜位置設置單個工位的手自動操作箱，用來滿足生產(chǎn)調試的需要。

（4）在側板生產(chǎn)線的沖切工位采用伺服系統(tǒng)和機械手臂來對板材定位，當更換板材型號時，要比傳統(tǒng)側板生產(chǎn)線采用的擋塊、側拉定位方式方便很多，自動化程度、定位的精準度、生產(chǎn)效率都有極大的提高。

（5）安裝了單雙張厚度檢測傳感器避免沖切工位和輥軋工位進入雙張以上疊加板材引起機械損壞故障。

3 側板生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)

3.1 生產(chǎn)線的電氣設計

側板生產(chǎn)線的電氣設計分為強電部分和弱電部分，由于傳送電機、輥軋電機、伺服電機、液壓站電機等電源為AC380V，而PLC控制器、氣閥、液壓閥、光電開關、磁開關、接近開關等傳感器電源為DC24V，故采用變壓器與整流濾波器將AC380V轉換為DC24V。電源柜也是操作柜，觸摸屏與按鈕集成在主操作臺與從柜上，并在每個工位的適當位置設置了單工位按鈕盒，用于工作人員進行單工位調試。

由于生產(chǎn)線的輸入輸出弱電信號繁多，每工位都關聯(lián)幾十個地址信號，所以在儀表連線上采用先總線后分線的方式，每個工位的控制總線從主控柜或從柜中的PLC輸入輸出模塊上引出，連接至各工位設置的電氣分線箱內，從電氣分線箱引至各個傳感器及氣閥等執(zhí)行機構。傳送電機采用變頻器控制，可以調整參數(shù)，用來滿足側板線的生產(chǎn)要求。沖切工位、打Z工位和折邊工位分別采用液壓站驅動機械設備，其中液壓站電機的電氣連接方式采用星-三角連接方式，目的是防止啟動電流過大燒毀電機。

3.2 S7-300的硬件和安裝

S7-300PLC是模塊式的PLC，它由幾部分組成：中央處理單元（CPU）、負載電源模塊（PS）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）、通信處理器（CP）、接口模塊（FM）、導軌。

3.2.1 基本原理

本設計中的側板生產(chǎn)線中的S7-300PLC由一個主機架和一個擴展機架主成。安裝有CPU的模塊機架用作主機架；安裝有模塊的模塊機架用作擴展機架，與系統(tǒng)主機架相連。六工位以上的側板生產(chǎn)線，由于側板傳輸距離過長、處理的數(shù)據(jù)信號量較大，需要有足夠的插槽，所以選用多機架安裝方式。

將S7-300裝在多個機架上，需要接口模塊IM，這樣能將S7-300背板總線從一個機架連接到下一個機架。中央處理單元CPU（CPU314C-2DP）及其通信模塊CP、功能模塊FM354（驅動沖切工位的伺服控制器）、數(shù)字量輸入模塊SM321（反饋各種執(zhí)行機構的動作完成位置是否正確和控制信號）、數(shù)字量輸出模塊SM322（輸出模塊，控制各種電磁閥、氣閥、變頻器的動作）、沖切工位伺服模塊安裝在0號機架上即主操作柜內，接口模塊IM、通信處理器CP、數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322與功能模塊FM安裝在1號機架上即從操作柜內。

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的通信方式采用MPI總線型網(wǎng)絡，MPI是一種適用于小范圍、少數(shù)站點間通訊的網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡結構中屬于單元級和現(xiàn)場級。適用于SIMATIC S7系統(tǒng)，多用于對其編程，連接上位機和少量PLC之間近距離通訊。通過PROFIBUS電纜和接頭，將控制器CPU的MPI編程接口相互連接以及與上位機網(wǎng)卡的編程口（MPI/DP口）連接即可實現(xiàn)。MPI的通訊速率為19.2k~12Mbps，通常默認設置為187.5kbps；通訊數(shù)據(jù)包不大于122字節(jié)。

3.2.2 網(wǎng)絡連接

MPI通訊利用PLC站S7-300和上位機（PG/PC）插卡CP5411/ CP5511/5611/5613的MPI口進行數(shù)據(jù)交換。連接電纜為PROFIBUS電纜（屏蔽雙絞線），接頭為PROFIBUS接頭并帶有終端電阻。MPI通訊如圖1所示。

圖1 側板生產(chǎn)線S7-300網(wǎng)絡系統(tǒng)圖

4 側板生產(chǎn)線的工作原理

一套完整的冰箱側板生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)由以下部分組成：

指令機構：S7-300可編程邏輯控制器。

檢測機構：光電二極管、行程開關、單雙張檢測裝置、接近開關、磁感應開關。

執(zhí)行機構：電磁閥、氣閥、變頻器、電機。

工作原理：生產(chǎn)線的操作方式分為手動、全自動、手自動，工藝流程圖如圖2所示。當運行在自動狀態(tài)時，使用光電二極管、行程開關等傳感器來判斷板料到達指定工位的具體位置，每個傳感器都是一個輸入信號，有固定的地址，例如I1.3，當輸入模塊收到某一光電二極管的輸入信號時，該地址的輸入信號由“0”變?yōu)椤?”，按照程序指令來判斷板料到達的工位和具體位置，然后按照順序指令啟動相應機構動作，即將輸出機構的地址Q*.*賦值“1”。以生產(chǎn)線一工位上料工位為例，首先完成機架的吸料動作，機架下降氣閥開啟Q0.4，安裝在機架下的接近開關接近板料時地址I1.3由“0”變?yōu)椤?”，機架上的真空吸盤打開，Q0.6賦值“1”，延時2S，機架上升氣閥開啟，Q0.5賦值“1”，機架帶料上升至機架頂端，磁限位開關I1.0由“0”變“1”，機架停止上升，啟動機架上的傳送電機，機架吸附板料運送到料臺位置，當機架到達料臺位置時，傳感器地址I1.6變?yōu)椤?”，電機停止，延時1s后，關閉真空吸氣閥，Q0.6賦值“0”，板料落在料臺，料臺傳感器檢測到板料后，延時1.5S，啟動料臺傳送電機 ，將板料傳送至沖切工位，上料工位的自動程序塊即按照以上流程進行編寫，上料工位的I/O地址如表1所示。

圖2 冰箱側板生產(chǎn)線工藝流程圖

表1 上料工位I/O地址表

5 生產(chǎn)線的軟件設計

采用STEP7軟件對側板生產(chǎn)線的S7-300程序進行編譯。STEP7是西門子SIMATIC可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的軟件包。編程設備可以是PG（編程器）或者PC，它通過編程電纜與PLC的CPU模塊相連。在STEP7中編寫程序和對硬件進行組態(tài)，并將程序和硬件組態(tài)信息下載到CPU，也可從CPU上載到PG或者PC。程序下載、調試完成以后，PLC系統(tǒng)就可以執(zhí)行生產(chǎn)線的各種任務了。

S7系列PLC的CPU中運行著兩種程序，操作系統(tǒng)程序和用戶程序。操作系統(tǒng)程序主要完成以下工作：處理工作（暖啟動和熱啟動）；刷新輸入的過程映像表和輸出的過程映像表；調用用戶程序；檢測中斷并調用中斷程序；檢測并處理錯誤；管理存儲區(qū)域；與編程設備和其他通訊設備的通訊。用戶程序即生產(chǎn)線功能模塊程序，是為了完成生產(chǎn)線自動化任務而編寫的程序塊，一般來說需要完成以下動作：暖啟動和熱啟動的初始化工作；處理過程數(shù)據(jù)（數(shù)字信號、模擬信號）；對中斷的響應；對異常和錯誤的處理。

本設備的用戶程序塊主要有以下幾種類型的塊：

組織塊—OB（Organization Block）

功能—FC（Function）

功能塊—FB（Function Block）

OB、FC、FB中包含由S7指令構成的程序塊。

在CPU中，用戶程序由啟動程序、主程序和各種中斷響應程序等不同的程序模塊構成，這些模塊在STEP7中的實現(xiàn)形式就是OB。OB1是對應于循環(huán)執(zhí)行的主程序的程序塊，它是STEP7程序的主干，其他大多數(shù)OB則對應不同的中斷處理程序，在側板生產(chǎn)線主程序中經(jīng)常調用的中斷處理程序有：日時鐘中斷：OB10~OB17，冗余錯誤：OB70、OB72，異步的故障：OB80時間錯誤、OB81電源故障、OB82診斷中斷、OB83 插入/移走模板中斷、OB84CPU硬件故障、OB85程序循環(huán)錯誤、OB86機架故障、OB87通訊錯誤；背景循環(huán)：OB90；啟動：OB100暖啟動、OB101熱啟動、OB102冷啟動。因為生產(chǎn)線運行過程中時常會受到工業(yè)環(huán)境中脈沖電磁的干擾，如果電磁干擾過大，抗干擾措施無法濾除脈沖，就會導致生產(chǎn)線故障停車，此時重新啟動CPU系統(tǒng)，執(zhí)行OB中調用的中斷處理子程序，可以初始化系統(tǒng)，消除故障中斷，迅速恢復生產(chǎn)。

FB和FC是用戶編寫的程序模塊，可以被其他程序塊調用。生產(chǎn)線的主要程序模塊都是在FC中編寫的，將各個工位的程序分為FC1、FC2、FC3等功能模塊，由主程序OB來調用。以上料工位FC1為例，工位功能模塊程序流程圖如圖3所示。

6 側板生產(chǎn)線的調試

整條側板生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程由以下幾個階段組成：機械圖紙

與電氣圖紙的設計階段、生產(chǎn)采購階段、機械設備加工階段、電氣儀表設備安裝階段、程序編寫階段、單機手動調試階段、全線自動調試階段、設備開車運行階段。調試階段在整個側板生產(chǎn)線的設計中有著至關重要的地位。它是一條生產(chǎn)線能夠成功開車的保障，很多問題都是在這個階段發(fā)現(xiàn)并及時解決的。

生產(chǎn)線的調試又分為單工位手動調試和全線自動調試，單工位手動調試主要是對輸入信號與輸出信號、執(zhí)行機構進行手動測試與地址校驗，校驗電機正反轉，并設置變頻器的低、中、高運行頻率，調試單工位手動/自動程序的切換，測試單工位的連鎖程序。全線自動調試主要是進行全線的連鎖程序測試，由于生產(chǎn)線力求效率最大化，板料之間的節(jié)拍很緊湊，為了防止側板板料碰撞，只有可靠的連鎖程序才能保證生產(chǎn)的安全性和連貫性。生產(chǎn)節(jié)拍即生產(chǎn)線生產(chǎn)相隔兩張成品側板的間隔時間，生產(chǎn)節(jié)拍是由冰箱制造廠家提出，也是設備交付使用的最后一道工序。調整生產(chǎn)節(jié)拍的主要方法：調整機械設備動作程序，達到生產(chǎn)的最高效率；調整變頻器的參數(shù)；調整連鎖程序。

圖3 上料工位程序流程圖

7 側板生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)的抗干擾措施

在這里再討論一下在工業(yè)環(huán)境中弱電設備的電磁干擾問題，由于側板生產(chǎn)線多使用在電磁環(huán)境比較復雜的生產(chǎn)廠房內，因此如何避免干擾，保障設備能夠平穩(wěn)可靠運行是十分必要的。

7.1 硬件措施

7.1.1 屏蔽

對電源變壓器、中央處理器、編程器等主要部件，采用導電、導磁性良好的材料進行屏蔽處理，以防止外界干擾信號影響。

7.1.2 濾波

對供電系統(tǒng)輸入線路采用多種形式濾波處理，以消除和抑制高頻干擾信號，也削弱模塊間相互影響。

7.1.3 隔離

在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地把他們隔離開來，以防外部干擾信號產(chǎn)生噪聲電信號通過公共地線進入PLC，從而影響正常工作。

7.2 軟件措施—指令重復執(zhí)行

指令重復執(zhí)行就是根據(jù)需要使作用相同指令重復執(zhí)行多次，適用于開關量或數(shù)字輸入，輸出抗干擾。在采集傳感器輸入開關量或數(shù)字量時，可重復采集多次，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結果完全相同時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，發(fā)出報警信號。

7.3 PLC系統(tǒng)安裝時抗干擾措施

7.3.1 電源接線和接地線

合理布置電源線，強電和弱電要嚴格分開。做好設備的接地，接地在消除干擾上起很大作用。

7.3.2 電纜的敷設

動力電纜與輸入輸出電纜并行放置在一個線槽內時，之間間隔100毫米以上，且用接地金屬屏蔽起來。特別是PLC主站與從站之間的通信電纜是傳送電壓低的高頻信號，很容易受到干擾。因此不能將它與其他電纜設在同一線槽內，并且使用屏蔽電纜。

8 結語

隨著工控技術的發(fā)展，PLC技術和產(chǎn)品發(fā)展迅速，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展。未來的側板生產(chǎn)線也必將采用功能更加強大的可編程邏輯控制器，伺服系統(tǒng)、機械手臂也將更多地應用到生產(chǎn)線中，來進一步提高設備的自動化程度和生產(chǎn)效率。

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Design of Control System of a Production Line for Side Shell of Refrigerator Based on S7-300 PLC

This paper compared the characteristics of control system of the production line for side shell of refrigerator, discussed the working principle of the electrical control system, hardware installation and network connections, and design of software and debugging of production line. The methods of antijamming in electrical system are also discussed in this paper.

A production line for side shell of refrigerator; Electrical control system; Hardware installation; Network connections; Design of software

B

1003-0492(2016)09-0088-04

TP273

張洋（1981-），男，遼寧遼陽人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國昆侖工程公司，主要研究方向為電氣工程及其自動化。