1  全自动称重式灌装机的基本组成及原理

设备主要由以下 6部分组成: 开始进桶灌装时, 由马达驱动的一条平板输送带 A 和由伺服马达驱动的一对进桶螺旋 B, 将桶分开并且同步地将桶送入进桶星轮; 进桶星轮由封盖部分通过链条驱动它将空桶送到灌装机 F 的秤盘, 检测到位开始灌装; 灌装完毕进入封盖区域 C 和 D, 分别进行放内盖、 封内盖和压外盖; 最后通过封盖检测合格的进入下一环节 E, 否则进入剔桶区域 E.

2  自控系统

包装线采用SIMATIC S7- 300 PLC, PLC 编程组态工具 STEP7采用 SIMATIC 软件的集成, 为实现 PLC 编程组态的易用性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了强大的软件平台。PROFIBUS- DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC) 程序循环时间短。

2. 1  S7- 300 PLC的硬件的组成及配置

( 1) 电源单元对交流电源进行整流、 滤波、 和稳压, 转换成供PLC 的中央处理器、 存储器等电子电路工作所需要的直流电源。

( 2)CPU 单元内部包括微处理器及其控制逻辑、 系统程序存储器、 用户数据存储器。CPU 的运算速度快, 指令丰富且具有多种寻址方式。

2. 2  程序编程软件 STEP7 V5. 3

STEP7 V5. 3 是用于对 SIMATIC 进行设计、 组态、 编程和故障排除的软件。用户可以在 STEP7 中编写程序和对硬件进行组态, 并将用户程序和硬件组态信息下载到 CPU, 或者从 CPU上传到 PC机。当程序下载、 调试完成后, PLC 系统就可以执行各种自动任务了。

控制系统的性能已经不仅取决于 PLC 的 CPU, 还受 PLC 所处的扩展环境( 即网络环境) 的影响。OCME 公司的 R5 全自动称重式灌装机的控制系统的包装线建立的 PROFIBUS 网络是应用于单元级和现场级 SIMATIC 的控制网络, 它应用了混合介质的传输技术以及令牌和主从的逻辑拓扑, 可以同时在双绞线或光纤上传输。

2. 3  S7- 300的通讯和组态

首先, 在 STEP7 中组态 2 个 S7- 300 站, 其中集成 DP 口选择为主站模式, CP342- 5 选择为从站模式。然后在 PROFIBUS- DP 的硬件列表下, 从【Configured Stations】/【S7- 300CP342-5DP 】中选择从站硬件组态中所选用的 CP342- 5 的型号, 拖拽到 DP 主站总线上, 单击【Connect】按钮, 将该从站连接在主站建立的 PROFIBUS 网上。选择从站, 在从站的 硬件插槽上 ( 如Slotl), 插入相应的输入输出模块, 也可以插入通用的【Universal module】模块, 自己定义输入输出字节。系统定义了 10 字节输入、 10字节输出的数据交换区。这样, 硬件组态就完成了。

灌装机的PROFIBUS- DP 网络是一个由 3个主站、 7 个从站构成的 PROFIBUS 系统。3 个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后, 该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内, 它可依照主- 从通讯关系表与所有从站通信,也可依照上- 主通讯关系表与所有主站通信。是一个典型的分布式主、 从系统。这种存取机制, 其中主站周期性的顺序同从站交换数据。

3  在线调试系统

在 PC机上完成的组态和用户程序必须下载到 PLC 中, 并且经过软硬件的调试才能够最终实现自动控制任务。

3. 1  建立在线连接

STEP7 中, 无论在项目界面、 编程界面、 数据查看界面还是主界面下, 都提供了离线和在线两种视图。离线视图显示的 PC本地存储的项目内容; 在线视图显示 CPU 中的实际内容。当PC通过编程电缆与 PLC 连接后, 就可以在 STEP7 中建立在线连接。在【SIMATIC Manager】中, 单击工具栏上的 Online 按钮, 就显示在线视图。接着进行用户程序(OB、 FC、 FB 和 DB) 和硬件组态信息( SDB)等下载到 PLC 的 CPU 中。

3. 2  硬件调式与诊断

要调试一个 PLC 系统, 查找故障, 可以直接利用硬件模块自身的信息。S7- 300 PLC系统提供的诊断机制可以帮助用户方便的发现故障, 并查找故障原因。

3. 2. 1  硬件状态指示灯

首先, 硬件状态指示灯是最直观的界面。S7 PLC 模块面板上都有相应的指示灯, 用于指示模块当前的状态。通过指示灯, 用户可以立即发现错误, 并可以初步判断错误的类型。因此, 当程序下载后, 首先要做的就是从指示灯判断模块状态。

(1) 电源模块。DC 24 V: 显示 24 V 直流电流供电状态。

(2)CPU 模块。SF: 程序错误时点亮或带有诊断功能的模块错误时点亮; BATF: 电池错误时点亮; ERCE: 有变量被强制时点亮;RUN: CPU 处于运行状态; STOP: 处于停机状态; BF: 现场总线故障时灯亮。

(3) 数字量 I/O 模块。在每个 I/O 点旁边有一个指示灯, 指示该位 I/O 的值, I/ O 值为 1时灯亮。

3. 2. 2  诊断缓冲区

诊断是 S7 PLC 内部集成的识别和记录功能。在 CPU 中,有一个诊断缓冲区用于记录事件或者错误的信息。当出错时系统会将该事件以及其发生的时间都记录到诊断缓冲区中, 如果诊断缓冲区已满, 最旧的信息会被覆盖。发生错误时, 除了在诊断缓冲区中记录, 还可能调用相应的错误处理 OB. 利用诊断功能, 用户可以发现 CPU 或其他模块的错误或者用户程序的错误。

3. 3  测试程序

程序中的逻辑错误往往需要通过对程序的跟踪调试查找。STEP7提供了对程序状态检测和跟踪调试的功能。

3．3．1  监视程序状态

在LAD 程序中, 监视界面会显示信号流的状态和变量值。处于有效状态的元件显示为绿色实线, 处于无效状态的元件显示为蓝色虚线。在变量位置会显示该变量的当前值。

3．3．2  断点调试

借助断点, 可以单步测试 STL 程序。是否支持断点, 以及支持断点的数目都与具体 CPU 型号有关。使用断点调试功能,必须先通过菜单【Debug】/【Operation】将 CPU 操作模式选择为测试模式(Test Operation), 出现断点调试画面。通过菜单【View】/【PLC Register】可以显示 PLC 内部寄存器的值。因此与程序状态检测相比可以更精确地观察程序的执行情况。

3. 4  系统功能的实现

通过上面一系列的系统调试, 基本上定位了软硬件的控制部分, 现在还需进行整机调试。这一步比较关键, 它关系到整个灌装机系统性能的体现, 最主要的则是影响整条线的灌装速度和品质。 它的工作过程就是按照这条路线如此循环工作下去的

4 典型故障分析

4. 1  PLC控制系统产生误动、 死机等现象

在调试过程中, 出现了 PLC 控制系统产生误动作、 死机等现象, 每次出现都会耽误时间, 影响生产, 于是就得重新安装驱动程序。经过外国专家对 PLC 程序的论证和仿真, 确认程序没有问题, 主要原因有以下 2 点:

(1)操作人员在调用品种配方文件后没有及时清除以前的文件, 致使死机, 因为此系统本身开发就有缺陷, 而且它还在追忆记录。这时只能重新启动, 调用新的配方文件, 该文件里的一系列参数必须重新设定, 包括 20 个灌装嘴的设置、 控制阀等。

( 2)来自信号线引入的干扰与 PLC 控制系统连接的各类信号传输线, 除了传输有效的各类信息之外, 总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有 2 种途径: 一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰, 这往往被忽视; 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰, 即信号线上的外部感应干扰, 这是很严重的。由信号引入干扰会引起 I/O 信号工作异常和测量精度大大降低, 严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统, 还将导致信号间互相干扰, 引起共地系统总线回流, 造成逻辑数据变化、 误动作和死机。PLC 控制系统因信号引入干扰造成 I/O 模件损坏数相当严重, 由此引起系统故障的情况也很多。返工后, 发现电源线和信号线有的很混乱, 重敷电缆。

若 PLC 系统置于射频场内, 就会收到辐射干扰, 其影响主要通过 2 条路径: 一是直接对 PLC 内部的辐射, 由电路感应产生干扰; 二是对 PLC 通信内网络的辐射, 由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小, 特别是频率有关, 一般通过设置屏蔽电缆和 PLC 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

4. 2  进桶螺旋与主旋转盘不同步

这是整条线运行的良好的关键, 进桶螺旋与主机旋转不同步, 致使产生 3种可能的结果: 一是桶已经到位, 可是灌装嘴部位还没到位; 二是根本就不能进一个完整的塑料桶, 可能夹扁桶子, 造成材料的浪费; 三是桶进入的速度与灌装速度不同步,即灌装速度与进桶螺旋不匹配。

产生此问题的原因主要有 2点:

(1)变频器的各项参数不是最优的, 致使主机各齿轮之间的传动速度不同步。

( 2)主机灌装区域靠编码器( encode)准确定位, 编码器与变频器也是通讯的, 通过信号反馈、 PID 调节, 这样整个同步和定位是比较准确的。但原来是伺服马达的部分参数丢失, 使其追忆到原来的出厂参数。需要在“Monitor”菜单的“ wormscrew for –mat”子菜单画面将进桶螺旋复位, 根据信息重新置参, 这时会发现在硬件诊断菜单里编码器的通讯状态也恢复良好, 再进行变频器参数优化, 重新启动发现一切正常。但是, 操作工停机需停在非灌装区, 若在灌装区, 开机灌装前需进行手动进桶螺旋找零位。

5  结束语

该灌装包装线经过安装、 调试, 经过几个月的运行, 没有发现任何故障, 运行良好, 基本上达到了预期的目的。尤其是停止旋转一称盘校零这一环节, 自动校称特别方便。
刘  辉, 哈新智, 张风平, 赵彦伟
 

 

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