實訓項目四計算機控制系統下位機(現場控制層)的應用任務一計算機控制系統下位機的結構與應用任務二計算機控制系統下位機的電氣與網絡接線任務三計算機控制系統下位機的I/O配置與編程習題四

實訓目的和意義

本項目首先介紹現場PLCS7-200SMARTSR40的內部結構,讓學生重點了解現場控制器(下位機)S7-200SMARTSR40中電源部分、輸入/輸出端子和網絡通信端口等硬件的配置與結構,并且讓學生充分了解下位機SR40PLC在工業現場完成傳感器信號采集和控制軸承去磁與清洗設備自動運行的全過程,最后讓學生完全掌握SR40PLC軸承去磁與清洗程序在線監控運行的方法。

本項目重點培養學生以小組合作的形式,采用0.75mm2的控制線、外部中間繼電器和工業以太網網線完成SR40PLC交流電源輸入、直流電源輸出、中間繼電器信號傳遞、I/O端子配置及網絡通信等方面的接線,并根據軸承去磁與清洗過程中手動和自動控制的要求,完成用戶程序編寫與調試。

實訓項目功能簡介

軸承去磁與清洗自動化生產線的現場控制器(下位機)系統主要由S7-200SMARTSR40、中間繼電器、光纖漫反射傳感器及必要的主令電器組成。其中SR40PLC作為下位機主要負責生產過程中軸承位置信息的采集,并且要負責傳送電機M、去磁機構、水泵電機M2和旋轉電機M3的啟/制動控制,如圖4-1所示。圖4-1軸承去磁與清洗自動化生產線的現場控制器(下位機)系統

實訓崗位能力目標

(1)了解現場控制器S7-200SMARTSR40中電源部分、輸入/輸出端子、網絡通信端口和主板等硬件的結構、性能和I/O配置情況。

(2)能正確應用電氣安裝工具、0.75mm2的控制線、中間繼電器和工業以太網網線構建現場軸承去磁與清洗的PLC控制系統。

(3)能根據軸承去磁與清洗生產過程中手動/自動控制以及工業機器人抓取、搬運軸承的需要,正確編寫生產線的主程序、手動控制子程序和自動控制子程序。

(4)能由編程計算機(PC機)向現場控制器SR40PLC下載生產線的主程序和手動/自動控制子程序,并能通過SR40實現去磁機和清洗機的在線監控運行。

任務一計算機控制系統下位機的結構與應用

任務目標(1)熟悉計算機控制系統下位機的基本結構;(2)掌握計算機控制系統下位機在軸承去磁與清洗生產過程中的應用。

子任務1計算機控制系統下位機的基本結構

西門子SIAMTICS7-200SMART系列PLC中的SR40屬于小型繼電器輸出型的中央處理器單元(CPU模塊)。SR40采用單相AC220V電源供電,且具備單相最高200KHz的高速脈沖輸入能力,能對高頻信號完成采集與控制,如圖4-2所示。圖4-2現場PLCS7-200SMARTSR40的主體配置

現場控制器S7-200SMARTSR40作為PLC主控系統的下位機,負責采集軸承去磁與清洗自動化生產線中1#和2#光纖漫反射傳感器的有效檢測信號(軸承去磁過程中的“上料完成”和“去磁完畢”兩個定位信號)及手動控制按鈕的動作狀態(去磁機和清洗機的手動啟停控制信號)。SR40的電源接線方式如圖4-3所示,SR40根據主程序和手動/自動控制子程序執行去磁與清洗設備的啟/制動控制。圖4-3現場PLCS7-200SMARTSR40的電源接線方式

1.現場PLCS7-200SMARTSR40的電源部分

S7-200SMARTSR40PLC的DC24V/2A電源輸出模塊包括直流電源輸出“L+”和直流電源公共端“M”。其中,“L+”端子為輸入輸出外設提供DC24V電源,“M”端子是直流電源的公共端子,其電壓為0V(萬用表測量值)。SR40PLC電源部分的輸入/輸出端子配置見表4-1。

2.現場PLCS7-200SMARTSR40的I/O端子配置及性能參數

S7-200SMARTSR40PLC具備40個端子的I/O配置。SR40開關量型輸入端子共計24個,平均分為三組,依次是“DIa.0~DIa.7”“DIb.0~DIb.7”和“DIc.0~DIc.7”,這三組輸入中每組包括8個輸入端子,如圖4-4所示。圖4-4-現場PLCS7-200SMARTSR40的I/O端子配置

SR40PLC具備三種工作狀態,依次是“RUN”“STOP”和“ERROR”。其中,“RUN”表示SR40的“運行”狀態,此時該PLC正在以循環掃描的方式運行用戶程序,“STOP”表示SR40的“停止”狀態,此狀態常見于編程計算機與SR40PLC之間程序塊、數據塊和系統塊的上傳與下載過程,“ERROR”則是SR40的“運行報錯”狀態,此時需要檢查PLC硬件和軟件設置,排除現有的故障。現場PLCS7-200SMARTSR40的主要性能參數見表4-2。

(1)SR40PLC具備24KB的程序存儲器,主要用于存儲軸承去磁與清洗生產過程中的主程序、手動控制子程序和自動控制子程序,另外其16KB的數據存儲器主要用于存儲用戶程序執行的中間結果。

(2)SR40PLC的主板上集成了高速16位處理器芯片,布爾運算執行時間可達0.15μs,字處理速度可達1.2μs,滿足自動化生產線中光纖漫反射傳感器的采樣周期和軸承去磁裝備與清洗裝備的控制周期對CPU處理能力的要求。

(3)SR40PLC內置有一個工業以太網接口和一個RS485接口,技術人員可以通過以太網接口,將SR40PLC連接至交換機,SR40PLC可以通過TCP/IP通信或者S7通信向主控PLCS7-300反饋軸承去磁與清洗的工作狀態。

子任務2計算機控制系統下位機在軸承去磁與清洗生產過程中的應用

本項目以S7-200SMARTSR40為核心,由光纖漫反射傳感器、手動輸入按鈕/旋鈕、中間繼電器(KA1~KA4)、傳送電機、電磁線圈、水泵電機和旋轉電機等設備共同構成了軸承去磁與清洗生產過程的自動控制系統,如圖4-5所示。圖4-5軸承去磁與清洗生產過程的自動控制系統

1.軸承去磁與清洗生產過程的自動運行模式

(1)若1#光纖傳感器檢測到軸承上料完成,SR40PLC的輸入端子I0.4=1(DC24V),此時傳送電機M直接啟動,軸承工件隨即進入去磁過程。

(2)若2#光纖傳感器檢測到軸承去磁完畢,SR40PLC的輸入端子I0.5=1(DC24V),此時傳送電機M直接制動,制動過程存在一定的慣性,因此將傳送帶制動過程的延時設為1s,當傳送帶緩沖停穩之后,軸承工件去磁結束。

(3)現場控制器SR40PLC通過工業以太網向主控PLCS7-300報告:軸承工件去磁完畢。主控PLCS7-300隨即命令機器人控制器觸發OMRON相機(FH1050)拍照,對軸承工件實施精確定位,視覺系統以機器人工作站的原點為參考,將換算好的軸承坐標回傳機器人控制器,引導機器人抓取、搬運并平穩地將軸承工件放置于清洗平臺上。

(4)當“軸承放置完畢”的信號(DO17=1)通過工業以太網反饋給主控PLCS7-300(I136.0=1)和SR40PLC(V0.5=1)時,SR40PLC作為現場的控制器直接驅動水泵電機M2和旋轉電機M3的啟動,軸承進入10s的旋轉清洗流程,且T=10s的定時時長由SR40PLC內部的定時器T37控制。

(5)當軸承工件“定時清洗”結束以后,現場控制器SR40PLC將“清洗完畢”的信號(V20.6=1)通過I/O通信反饋給ESTUN工業機器人(DI18=1)。

(6)工業機器人得知軸承“清洗完畢”后,再次下降至軸承清洗平臺的端面抓取、搬運并平穩地將軸承工件放置于半成品收集處。

2.軸承去磁與清洗生產過程的手動運行模式

(1)SR40PLC的輸入端接線端子共接有五個開關量輸入信號,依次是“手動啟動傳送帶”(I0.1)、“手動啟動去磁機”(I0.2)、“手動停止去磁機”(I0.3)、“手動啟動水泵電機”(I0.6)和“手動啟動旋轉電機”(I0.7)。

(2)當人工完成軸承上料后,手動啟動傳送帶和去磁機,軸承可以在手動控制下進入去磁流程。

(3)當軸承去磁完畢時,人工按下“手動停止去磁機”按鈕(I0.3=1),軸承停止去磁,并停留在傳送帶末端(一般為去磁機的第Ⅷ區)。

(4)機器人隨即在主控PLCS7-300和SR40PLC的聯合控制下,并在OMRON視覺系統的引導下,抓取、搬運并平穩地將軸承工件放置于清洗平臺上。

(5)當軸承工件平穩放置后,手動啟動清洗機的噴淋和旋轉機構對軸承實施清洗操作,清洗完成后,機器人再次抓取、搬運并平穩地將軸承工件放置于半成品收集處。

任務二計算機控制系統下位機的電氣與網絡接線

任務目標(1)掌握計算機控制系統下位機的電氣接線;(2)掌握計算機控制系統下位機的I/O地址分配情況。

子任務1計算機控制系統下位機的電氣接線

SR40PLC的I/O配置較為復雜,工程技術人員將兩個光纖傳感器的反饋信號、去磁機和清洗機的五個手動控制信號接至“DIa.1~DIa.7”共七個數字量輸入端子上;同時將傳送帶、

去磁裝置、水泵和旋轉電機對應的中間繼電器KA1~KA4的線圈分別接至“DQa.0~DQa.3”共四個數字量輸出端子上,如圖4-6所示。圖4-6現場PLCS7-200SMARTSR40的I/O配置

1.S7-200SMARTSR40輸入端子的電氣接線

技術人員按照如圖4-7所示的電氣接線圖分別將SA1(傳送帶啟停)、SB1(去磁裝置啟動)、SB2(去磁裝置停止)、OP1(1#光纖漫反射傳感器)、OP2(2#光纖漫反射傳感器)、SA2(水泵電機啟停)和SA3(旋轉電機啟停)共七個開關量外設接在SR40PLC的七個輸入端子(DIa.1~DIa.7)與公共端M(0V)之間,當其中某個輸入端子DIa.n=1(n∈Z[1,7])時,表明系統輸入側對應的開關量外設輸入有效。光纖傳感器的輸入可以啟動去磁機和清洗機的自動運行,其余按鈕和旋鈕的輸入用于軸承去磁與清洗生產過程的手動控制。圖4-7S7-200SMARTSR40輸入/輸出端子的電氣接線

(1)我們以旋鈕SA1(傳送帶啟動)輸入接通為例,按照如圖4-7所示的電氣接線圖,分析SR40PLC數字量輸入端子DIa.1=1輸入有效的全過程。注意:DIa.1是SR40PLC

數字量輸入端子的名稱,該端子的有效編程地址是I0.1。

(2)當去磁機控制面板上的旋鈕SA1(傳送帶啟停)常開觸點閉合時,控制電流由SR40的“L+”(1M)端子出發,流經電阻R、發光二極管LED和旋鈕SA1的觸點機構,再回到公共端“M”(0V),此時輸入映像寄存器中與DIa.1對應的I0.1=1(手動啟動傳送帶有效),隨后現場控制器SR40PLC正式啟動傳送帶單向運行,如圖4-8所示。圖4-8SR40輸入端子的內部接線圖(傳送帶啟動)

(3)在實際生產過程中,SR40常處于“自動狀態”,當SR40的輸入端子I0.4=1時,軸承上料完成,當I0.5=1時,軸承去磁到位。

2.S7-200SMARTSR40輸出端子的電氣接線

(1)中間繼電器KA1的常開觸點接入如圖4-9所示的傳送帶電機M的電氣控制電路中,其常開觸點閉合可以啟動電機M的運行,我們以中間繼電器KA1(傳送帶啟動)線圈得電為例,分析SR40PLC數字量輸出端子DQa.1=1輸出有效的全過程。圖4-9SR40輸出端子的內部接線圖(傳送帶啟動)

(2)當SR40PLC程序中Q0.0=1(啟動傳送帶有效)時,通過輸出映像寄存器,輸出繼電器DQa.0線圈得電,其常開觸點閉合,從而導致外部中間繼電器KA1線圈得電,當KA1常開觸點閉合時,驅動傳送帶電機M啟動。

子任務2計算機控制系統下位機的I/O地址分配情況

技術人員利用以太網網線,通過交換機分別將主控PLCS7-300和現場PLCSR40接入如圖4-10所示的軸承去磁與清洗自動化生產線的主控系統中。圖4-10主控PLCS7-300和現場控制器PLCSR40之間的控制網絡

1.現場PLCSR40輸入變量的I/O地址分配情況

現場PLCSR40的七個輸入端子DIa.1~DIa.7的I/O地址分配情況見表4-3,總計接入了兩個光纖傳感器的反饋信號———OP1(1#光纖漫反射傳感器)和OP2(2#光纖漫反射

傳感器),用于自動檢測軸承位置,以及五個手動控制信號———SA1(傳送帶啟停)、SB1(去磁裝置啟動)、SB2(去磁裝置停止)、SA2(水泵電機啟停)和SA3(旋轉電機啟停),用于手動啟動軸承去磁與清洗的生產過程。

2.現場PLCSR40輸出變量的I/O地址分配情況

現場PLCSR40的四個輸出端子DQa.0~DQa.3的I/O地址分配情況見表4-4,總計接入了四個中間繼電器線圈———KA1(傳送帶啟動)、KA2(去磁裝置啟動)、KA3(水泵機構啟動)和KA4(旋轉機構啟動),用于現場控制器SR40對傳送帶電機、去磁裝置、水泵電機和旋轉電機完成啟/制動控制。

任務三計算機控制系統下位機的I

任務目標(1)掌握計算機控制系統下位機內部寄存器的I/O配置;(2)掌握計算機控制系統下位機的編程與調試。

子任務1計算機控制系統下位機內部寄存器的I/O配置

1.SR40內部與MCGS觸摸屏控制按鈕對應的V區變量的設置

當技術人員通過MCGS觸摸屏發出生產線手/自動切換或者手動控制指令時,主控PLCS7-300通過S7通信,將相關指令的有效賦值傳遞給SR40PLC內部的變量寄存器(V區寄存器),形成由MCGS觸摸屏到主控PLCS7-300,再到現場控制器SR40PLC之間有效的變量映射,如圖4-11所示。圖4-11MCGS觸摸屏控制模式下V區變量映射的流程

注意:操作人員在觸摸屏上選擇了“手動”控制模式后,軸承去磁與清洗自動化生產線將處于手動控制模式,上述觸摸屏上的按鈕方可用來控制軸承的去磁與清洗生產過程。

SR40內部與MCGS觸摸屏控制按鈕對應的V區變量設置見表4-5。

2.SR40內部與軸承自動去磁和清洗過程對應的V區變量的設置

當軸承工件進入去磁與清洗流程后,SR40PLC采用輸入端子I0.4和I0.5,采集軸承去磁過程中的位置反饋信息,即1#和2#光纖漫反射傳感器的檢測信號;同時,采用輸出端子Q0.0~Q0.3的“得失電”狀態表示“傳送帶啟動”“去磁裝置啟動”“水泵電機啟動”和“旋轉電機啟動”的工作狀態。

主控PLCS7-300通過S7通信,按照如圖4-12所示的變量映射流程,將上述生產過程中傳感器的反饋信息和生產設備的狀態信息,準確映射到MCGS觸摸屏的監控程序中,以便實現現場工程技術人員對軸承去磁與清洗自動化生產過程的有效監控。圖4-12生產線狀態監控過程中V區變量映射的流程

當軸承進入去磁與清洗生產流程后,現場控制器SR40PLC采用其內部變量寄存器區的V20.0和V20.1位,表示軸承的“上料完成”和“去磁到位”狀態反饋。軸承去磁與清洗生產過程對應的V區變量的設置見表4-6。

子任務2計算機控制系統下位機的編程與調試

在軸承去磁與清洗自動化生產線中,現場控制器

S7-200SMARTSR40PLC的程序主要包括三部分:主程序、手動控制子程序和自動控制子程序。其中,手動控制子程序常

用于系統初始狀態的調節或復位操作,而自動控制子程序常用于生產線的自動運行。

主程序用于確定自動化生產線的工作狀態(手動控制或者自動控制模式),并將光纖傳感器的檢測信號(I0.4和I0.5)與生產設備的運行狀態(Q0.0~Q0.3)映射到SR40PLC內部對應的變量寄存器位(V20.0~V20.5)中。

自動控制子程序則應用ESTUN工業機器人實現軸承工件的全自動去磁、清洗、搬運和放置。現場控制器SR40PLC中主程序、手動控制子程序和自動控制子程序的整體布局,如圖4-13所示。圖4-13現場控制器SR40PLC中程序的整體布局

當編程計算機與SR40PLC建立網絡通信后,按照圖4-14和表4-7所示的編程與調試流程,我們可以在三個窗口內完成SR40PLC主程序、手動和自動子程序的編輯與調試。

1.SR40主程序的設計思路

在SR40PLC主程序中,當變量寄存器區V0.0=1時,系統進入手動模式;當V0.0=0時,系統進入自動模式。我們應用變量寄存器區V20.0和V20.1位與SR40輸入端子I0.4和I0.5發生映射,為軸承去磁進行定位;同時應用變量寄存器區V20