基于PLC的物料包裝輸送監控系統
1 引言
物料包裝輸送系統的工作環境通常比較惡劣,設備所處環境一般粉塵較大，空氣相對濕度高，操作分散，所以對輸送包裝控制系統工作的安全性、可靠性、維護簡便性要求較高。以前，電器控制系統中大多使用分立的繼電器，接觸器等電器元件作為控制元件，其控制系統復雜，操作難度大，并且安裝接線工作量大、修改控制策略難,維護量大，嚴重影響了正常生產。因此，物料輸送控制系統成了制約生產的瓶頸。而采用可靠性較高的PLC及其WINCC監控軟件[1]組成的控制系統作為數據采集、控制回路、自動順序操作和運算的主要設備。實現包裝系統的皮帶過程控制和輸送工藝流程的實時監測、自動控制和系統運行診斷，滿足了系統可靠性、穩定性和實時性的要求。
2 系統介紹
包裝輸送控制系統分為散庫和包裝庫兩組。散庫主要存儲不需要包裝的散料，包裝庫進行成品包裝。主要包括：1#～8#線、A線（9#、15#、16#）、B線（10#、19#、20#）、C線（11#、17#）、D線（12#、
18#）、E線（13#、21#）、F線（14#、22#）。各線工藝流程如圖1所示。在該工藝流程中，除了要考慮各皮帶內部按順序啟動停止以及皮帶的打滑、跑偏等問題外，還必須考慮相關配套設備。系統主要包括數字量輸入67路，模擬量輸入16路，數字量輸出52路；需要控制的過程有各皮帶的啟動、停車和安全運行，各料槽的選擇和設備故障時的處
2 PLC控制系統的硬件設計
2.1硬件配置
根據設備及工藝要求，包裝輸送系統采用上位機和下位機組成，上位機使用兩臺PC機：一臺作為操作站實現整個系統的監控和數據檢測；另一臺作為工程師站完成組態軟件的設計與開發、PLC程序的開發以及將軟件通過PROFIBUS[2]總線傳送至PLC的CPU單元。下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器西門子S7-300系列PLC完成對設備的控制功能，且下位機 分為兩個機架分別放置于包裝庫和散庫。散庫機架與包裝室機架的S7-300構成PROFIBUS-DP網絡結構。系統硬件結構配置如圖2所示,其具體組成如下。
(1) 中央控制單元
中央控制單元選用 CPU315-2DP[3]作為PLC的核心部件，進行邏輯和數字運算，協調整個控制系統各部分的工作。
(2) 電源單元
電源單元采用1：1隔離變壓器進行對PLC的220V交流開關量輸入卡件進行供電，采用SITOP電源對PLC的24V開關量輸出卡件供電。自帶的PS-307/5A直流電源對CPU和部分卡件進行供電。
(3) 輸入輸出單元
系統采用兩塊8點的模擬量輸入單元AI8×12Bit、兩塊32點輸出單元DO32×DC24V/0.5A、一塊
16點輸出單元DO16×DC24V/0.5A、五塊16點數字量輸入單元DI16×AC120/230V
(4)通迅模塊
為了確保包裝庫操作站與散庫操作站通信正常(距離約300米)，在本系統選用了CP 342-5通迅模塊。
通過PROFIBUS 進行配置和編程。
2.2 變量分配
控制對象的PLC變量分配情況表1所示。
3 包裝輸送控制程序設計思想
3．1 系統控制方式
包裝輸送控制系統的控制方式分為自動控制、單機控制和現場手動控制三種。單機啟動方式是指在上位機的連鎖圖中, 設有啟動及停車按鈕, 在未進入聯鎖狀態時，皮帶可以獨立啟動/停止。
3．2控制程序設計
該皮帶輸送系統共有二十二條皮帶，根據皮帶輸送工藝可以將其為兩大部分：1#～8#線與A~F線。根據包裝室和散庫控制室及現場皮帶運行情況，得出該輸送系統的控制策略：（1）選擇控制方式：遠程自動控制、現場手動控制或遠程手動控制方式。 （2）根據包裝與否控制包裝流水線和散庫流水線運行，并按要求順序停止。（3）根據料槽料位控制A~F線啟動、停止。
本系統中STEP7用戶程序分為組織塊（OB）、功能塊（FC）和數據塊（DB）。功能塊根據控制任務用于建立用戶程序。將整個控制過程按工藝分為模擬量信號處理、A~F線起/停、3~8#線皮帶起停、
總料位計算、模擬量變換、料槽料位運算、報警處理、1~6#皮帶速度處理、1~2#皮帶起停和分料器選擇等程序塊。針對工藝流程的具體情況，用語句表(LAD)形式編程。圖4給出了3#~6#皮帶控制流程圖。數據塊用來存放皮帶速度和料槽料位的數據。
3.3控制設計思想
(1) 回路啟動順序由下游向上游(來料方向為上游) , 按一定延時, 逐個啟動, 若回路啟動過程中無故障, 則為正常啟動; 若有故障則為異常啟動, 程序啟動遇到故障時, 就不再繼續往下啟動。
(2) 回路停止順序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止為順序停止,即正常操作時程序按一定時間延時由上游向下游逐個停止設備。事故停止是在啟動或正常運行過程中回路中某一設備發生故障時, 上游的設備立即停止,下游設備可運行。
(3) 在邏輯梯形圖中, 凡是帶有分支的聯鎖回路都有記憶功能。因為前一臺設備可以根據需要啟動下面的各個分支回路的設備, 回路梯形邏輯的記憶功能, 可保證有故障回路的設備能正確停車。
(4) 上位機能顯示出整個皮帶運行狀態。 亦能顯示單條回路運行的設備。
4 WINCC組態軟件結構設計
工業控制組態軟件是可以從可編程控制器、各種數據采集卡等設備中實時采集數據，發出控制命令并監控系統運行是否正常的軟件。組態軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示監控設備的運行狀態，方便的構成監控畫面和實現控制功能，并可以生成報表[4]、歷史趨勢等，為工業監控軟件開發提供了便利的軟件開發平臺，從整體上提高了工控軟件的質量。西門子公司開發的WINCC是運行在Windows2000上的一種組態軟件。它的功能是建立動態顯示窗口，通過提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史曲線圖和報警記錄顯示。在畫面窗口中，通過對多種圖形對象的組態設置，建立相應的動畫連接，用清晰生動的畫面反映工業控制過程。根據包裝控制系統的要求，圖5是監控軟件的結構。WINCC與S7-PLC同屬西門子產品，屬于無縫集成且自帶通訊協議連接。該控制系統和上位機組態軟件實現了物料輸送測控系統的要求。簡潔且形象的模擬了整個系統的工藝流程，操作人員能在控制室的計算機屏幕上觀察到輸送的全部情況，包括各種報警。取得權限的操作人員能在控制室對任何一條皮帶單獨操作或連鎖操作，并進行手動與自動切換。
5 監控系統主要實現的功能
(1) 顯示功能：工藝流程、測量值、設備運行狀態、操作模式、報警等顯示、畫面調用等功能；
(2) 報警處理和報表生成功能：紀錄報警發生時間、故障內容等信息，并對報警信息進行管理，系統報表有時報、日報、月報等；
(3)歷史趨勢功能：對現場的皮帶速度、料槽料位以曲線圖形顯示。每個趨勢曲線顯示的畫面主要包括畫面名稱、時間、趨勢等；
(4) 畫面系統對系統料位參數進行修改，實現對系統自動/手動的切換；
(5) 管理權限：實現不同級別的系統管理權限，系統操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報表等；系統工程師可以對監控軟件和下位機軟件進行修改。
(6) 操作控制功能：根據界面上的按鈕可以對各條皮帶進行操作，比如：啟動、停止；對料位按工藝要求進行設定并對其進行選擇。
6 結束語
本文所述物料運輸自動控制系統在工業現場已經正常運行一年。由于整個物料傳送工藝均在一個完整的控制系統控制下，各個分工藝之間的協調及互鎖設計嚴密。另外，在PLC控制程序和上位人機界面中對每一個參控變量均設置了報警信息提示，使操作員可以快速的查找故障點，及時處理故障。并且對于每一個關鍵操作命令都設有相應確認提示，消除誤操作的可能性。該控制方法提高了現有系統的自動化水平，降低了工人的勞動強度。
物料包裝輸送系統的工作環境通常比較惡劣,設備所處環境一般粉塵較大，空氣相對濕度高，操作分散，所以對輸送包裝控制系統工作的安全性、可靠性、維護簡便性要求較高。以前，電器控制系統中大多使用分立的繼電器，接觸器等電器元件作為控制元件，其控制系統復雜，操作難度大，并且安裝接線工作量大、修改控制策略難,維護量大，嚴重影響了正常生產。因此，物料輸送控制系統成了制約生產的瓶頸。而采用可靠性較高的PLC及其WINCC監控軟件[1]組成的控制系統作為數據采集、控制回路、自動順序操作和運算的主要設備。實現包裝系統的皮帶過程控制和輸送工藝流程的實時監測、自動控制和系統運行診斷，滿足了系統可靠性、穩定性和實時性的要求。
2 系統介紹
包裝輸送控制系統分為散庫和包裝庫兩組。散庫主要存儲不需要包裝的散料，包裝庫進行成品包裝。主要包括：1#～8#線、A線（9#、15#、16#）、B線（10#、19#、20#）、C線（11#、17#）、D線（12#、
18#）、E線（13#、21#）、F線（14#、22#）。各線工藝流程如圖1所示。在該工藝流程中，除了要考慮各皮帶內部按順序啟動停止以及皮帶的打滑、跑偏等問題外，還必須考慮相關配套設備。系統主要包括數字量輸入67路，模擬量輸入16路，數字量輸出52路；需要控制的過程有各皮帶的啟動、停車和安全運行，各料槽的選擇和設備故障時的處
2 PLC控制系統的硬件設計
2.1硬件配置
根據設備及工藝要求，包裝輸送系統采用上位機和下位機組成，上位機使用兩臺PC機：一臺作為操作站實現整個系統的監控和數據檢測；另一臺作為工程師站完成組態軟件的設計與開發、PLC程序的開發以及將軟件通過PROFIBUS[2]總線傳送至PLC的CPU單元。下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器西門子S7-300系列PLC完成對設備的控制功能，且下位機 分為兩個機架分別放置于包裝庫和散庫。散庫機架與包裝室機架的S7-300構成PROFIBUS-DP網絡結構。系統硬件結構配置如圖2所示,其具體組成如下。
(1) 中央控制單元
中央控制單元選用 CPU315-2DP[3]作為PLC的核心部件，進行邏輯和數字運算，協調整個控制系統各部分的工作。
(2) 電源單元
電源單元采用1：1隔離變壓器進行對PLC的220V交流開關量輸入卡件進行供電，采用SITOP電源對PLC的24V開關量輸出卡件供電。自帶的PS-307/5A直流電源對CPU和部分卡件進行供電。
(3) 輸入輸出單元
系統采用兩塊8點的模擬量輸入單元AI8×12Bit、兩塊32點輸出單元DO32×DC24V/0.5A、一塊
16點輸出單元DO16×DC24V/0.5A、五塊16點數字量輸入單元DI16×AC120/230V
(4)通迅模塊
為了確保包裝庫操作站與散庫操作站通信正常(距離約300米)，在本系統選用了CP 342-5通迅模塊。
通過PROFIBUS 進行配置和編程。
2.2 變量分配
控制對象的PLC變量分配情況表1所示。
3 包裝輸送控制程序設計思想
3．1 系統控制方式
包裝輸送控制系統的控制方式分為自動控制、單機控制和現場手動控制三種。單機啟動方式是指在上位機的連鎖圖中, 設有啟動及停車按鈕, 在未進入聯鎖狀態時，皮帶可以獨立啟動/停止。
3．2控制程序設計
該皮帶輸送系統共有二十二條皮帶，根據皮帶輸送工藝可以將其為兩大部分：1#～8#線與A~F線。根據包裝室和散庫控制室及現場皮帶運行情況，得出該輸送系統的控制策略：（1）選擇控制方式：遠程自動控制、現場手動控制或遠程手動控制方式。 （2）根據包裝與否控制包裝流水線和散庫流水線運行，并按要求順序停止。（3）根據料槽料位控制A~F線啟動、停止。
本系統中STEP7用戶程序分為組織塊（OB）、功能塊（FC）和數據塊（DB）。功能塊根據控制任務用于建立用戶程序。將整個控制過程按工藝分為模擬量信號處理、A~F線起/停、3~8#線皮帶起停、
總料位計算、模擬量變換、料槽料位運算、報警處理、1~6#皮帶速度處理、1~2#皮帶起停和分料器選擇等程序塊。針對工藝流程的具體情況，用語句表(LAD)形式編程。圖4給出了3#~6#皮帶控制流程圖。數據塊用來存放皮帶速度和料槽料位的數據。
3.3控制設計思想
(1) 回路啟動順序由下游向上游(來料方向為上游) , 按一定延時, 逐個啟動, 若回路啟動過程中無故障, 則為正常啟動; 若有故障則為異常啟動, 程序啟動遇到故障時, 就不再繼續往下啟動。
(2) 回路停止順序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止為順序停止,即正常操作時程序按一定時間延時由上游向下游逐個停止設備。事故停止是在啟動或正常運行過程中回路中某一設備發生故障時, 上游的設備立即停止,下游設備可運行。
(3) 在邏輯梯形圖中, 凡是帶有分支的聯鎖回路都有記憶功能。因為前一臺設備可以根據需要啟動下面的各個分支回路的設備, 回路梯形邏輯的記憶功能, 可保證有故障回路的設備能正確停車。
(4) 上位機能顯示出整個皮帶運行狀態。 亦能顯示單條回路運行的設備。
4 WINCC組態軟件結構設計
工業控制組態軟件是可以從可編程控制器、各種數據采集卡等設備中實時采集數據，發出控制命令并監控系統運行是否正常的軟件。組態軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示監控設備的運行狀態，方便的構成監控畫面和實現控制功能，并可以生成報表[4]、歷史趨勢等，為工業監控軟件開發提供了便利的軟件開發平臺，從整體上提高了工控軟件的質量。西門子公司開發的WINCC是運行在Windows2000上的一種組態軟件。它的功能是建立動態顯示窗口，通過提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史曲線圖和報警記錄顯示。在畫面窗口中，通過對多種圖形對象的組態設置，建立相應的動畫連接，用清晰生動的畫面反映工業控制過程。根據包裝控制系統的要求，圖5是監控軟件的結構。WINCC與S7-PLC同屬西門子產品，屬于無縫集成且自帶通訊協議連接。該控制系統和上位機組態軟件實現了物料輸送測控系統的要求。簡潔且形象的模擬了整個系統的工藝流程，操作人員能在控制室的計算機屏幕上觀察到輸送的全部情況，包括各種報警。取得權限的操作人員能在控制室對任何一條皮帶單獨操作或連鎖操作，并進行手動與自動切換。
5 監控系統主要實現的功能
(1) 顯示功能：工藝流程、測量值、設備運行狀態、操作模式、報警等顯示、畫面調用等功能；
(2) 報警處理和報表生成功能：紀錄報警發生時間、故障內容等信息，并對報警信息進行管理，系統報表有時報、日報、月報等；
(3)歷史趨勢功能：對現場的皮帶速度、料槽料位以曲線圖形顯示。每個趨勢曲線顯示的畫面主要包括畫面名稱、時間、趨勢等；
(4) 畫面系統對系統料位參數進行修改，實現對系統自動/手動的切換；
(5) 管理權限：實現不同級別的系統管理權限，系統操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報表等；系統工程師可以對監控軟件和下位機軟件進行修改。
(6) 操作控制功能：根據界面上的按鈕可以對各條皮帶進行操作，比如：啟動、停止；對料位按工藝要求進行設定并對其進行選擇。
6 結束語
本文所述物料運輸自動控制系統在工業現場已經正常運行一年。由于整個物料傳送工藝均在一個完整的控制系統控制下，各個分工藝之間的協調及互鎖設計嚴密。另外，在PLC控制程序和上位人機界面中對每一個參控變量均設置了報警信息提示，使操作員可以快速的查找故障點，及時處理故障。并且對于每一個關鍵操作命令都設有相應確認提示，消除誤操作的可能性。該控制方法提高了現有系統的自動化水平，降低了工人的勞動強度。
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