基于DOP人机界面的PLC洗梗机过程控制系统

    在烟草制品中，除烟叶可以加工烟丝外，加工过程中产生大量烟梗也可以利用，烟梗加工过程中需要去杂质，恢复柔韧性，才能利于烟梗切片加工，处理过程就需要烟梗回潮。水槽式烟梗回潮机是梗处理线上的一台主要设备，它利用循环恒水温介质将烟梗进行净化处理。设备主要由洗梗箱体、管路系统、输送网带和水分控制四部分。整个水分过程控制主要由水温、烟梗水中停留时间、压缩空气吹水量来控制水分达到工艺要求。
     
    根据设备工作的需要，我们设计基于DOP人机界面的PLC洗梗机控制系统必须保证洗梗机水份达到工艺要求，本系统DOP人机界面作为触摸显示屏，采用S7-300 PLC作为控制主机，组成控制系统，构成系统可以完成水温的模拟量闭环控制，水位的数字量闭环控制，循环水流速度可调节开环控制，上下游水位的联锁控制。系统工作稳定控制精度高，满足系统工艺要求。

    1、控制系统的硬件组成

    洗梗机硬件系统主要由四部分组成，第一部分是人机界面，系统选用中达电通公司的DOP—AE80THTD触摸屏，AE80触摸屏有65536色，32位RISC微处理器，32M存储器，512K断电保持，USB编程。有3个串行通讯口，RS232/RS422/RS485三种通讯接口可供选择，考虑我们用S7-312C直接通讯，我们用RS485接口，触摸屏完成系统显示和控制以及系统控制参数调整，温度变化趋势图、故障报警等任务。第二部分过程控制部分的PLC由S7-312-5BOO-OABO完成，它有1O个数字量输入，个数字量输出，可以满足本系统的数字量需要，除CPU312C外需要通过硬件组态配置一个模拟量输入模块6ES7331-7KFO2-OABO，它是8路12bit拟量A/D转换模块，12位控制精度可以满足本系统要求，8路输入可以可以配置成3路温度铂电阻PT100输入,0～10V电压输入供变频器输入速度信号，经转化量显示水流速度。一个模拟量输出模块6ES7332-5HB01-OABO,它是4路12位模拟输出模块系统一路输出4～20mA控制气动薄膜调节阀，通过阀门开度控制水箱温度恒定。第三部分是系统输入检测器，数字量输入完成基本起停联锁以及水位控制。模拟量输入温度检测，由pTl00传感器完成3路温度信号检测，供水箱温度闭环控制。一路电压输入，输入变频器输出频率，经系统转化为数字信号供触摸屏显示水流速度。第四部分是执行器，主要控制系统上下游联锁输出信号，水流变频器起停。加水电磁阀控制水位，入水加温电磁阀控制入水温度。保温气动薄膜调节阀，完成水箱温度的恒温控制。具体组成见图1。

图1 洗梗机控制系统组成原理图

    2、DOP触摸屏与西门子PLC通讯

    西门子S7-312C PLC通讯口只有MPI接口，不具有标准的RS232和RS485接口，通常触摸屏只连接西门子自己的触摸屏，用自己的MPI接口，但西门子触摸屏价格较高，有时考系统性价比，选用其它品牌，这样通讯协议设定就需要多一些技术，通常采用西门子公司PC-MPI转接电缆连接，这样简单可靠但成本较高，硬件安装多个转换盒，安装不方便。本系统采用直接连接，协议设定就尤其重要，具体设置过程如下：首先通讯速率：19200，8,EVEN,1.（RS485）；然后PLC站号：最后是控制区/状态区：DBWO/DBW20。需要注意事项的有此驱动只能用于1台DOP人机界面连1台PLC；PLC通讯速率需改为19200，（8,EVEN,1.）；不可使用2个通讯口都用；DOP站号需设为O～15，若超过此范围，则通讯协议自动改为15；没有接连接电缆时，DOP人机界面约5s后，会显示Error message。若接上连接电缆时，DOP人机界面需重新送电，才能连上通讯成功；送电后，因DOP需接受PLC通知后方可连上。故第1次联机所需时间较长，正常情况下，应在5s内连上；此协议为多段来回的通讯（1个命令需DOP HMI与PLC通讯多次，方可完成）。故通讯速度较一般控制器慢。但与S7-300使用PC adapter速度基本相同。具体DOP触摸屏与PLC硬件接线如图2。

图2 DOP触摸屏S7-300 PLC硬件接线

    3、模拟量模块的设计

    3.1 模拟量模块的设置

    在洗梗机水分控制部分中，选用SM331，模拟量输入模块是将模拟信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成是A/D转换器。一般模拟由变送器输出标准直流电压、直流电流信号。SM331可以直接连接不带变送器的温度传感器，这样不用温度变送器，不但节约硬件成本，而且减少故障点。但直接连接传感器需要对测量范围进行设置。S7331-7KFO2-OABO模拟量模块的输入类型用模块侧面的量程卡来设置。量程卡安装在模拟模块侧面，每2个通道一组，8个通道4个量程卡，当设定为温度时，2个通道为1路输入。供货时通常设置在默认的B位置（±10V）。需要设定3路温度检测，根据资料A为温度传感器输入。所以使用改锥，将量程卡从模拟量输入模块中松开，再将量程卡选好位置A指向模块标记点，插入量程卡。系统将3块量程卡设为A，第四块不变仍为B，这样完成3路温度、2路电压输入的量程卡设置。硬件设置完后要进行联机进入STEP7中硬件设置中选择模拟量量程，具体STEP7中模拟量输入模块量程设置如图3。

图3 STEP7中模拟量输入模块量程设置

    3.2 模拟值模块转换、循环和响应时间

    转换时间由基本转换时问和模块的测试及监控处理时间组成。基本转换时间直接取决于模拟量输入模块的转换方法（积分方法，瞬时值转换）。模拟量输入通道的扫描时间，即模拟量输入值本次转换到下一次转换时所经历的时间，是指模拟量输入模块的所有激活模拟量输入通道的转换时间总和。模拟量输出通道的转换时间由两部分组成：数字量数值从CPU存储器传送到输出模块的时问和模拟量模块的数一模转换时间。模拟量输出通道也是顺序转换，即模拟量输出通道依次转换。扫描时间，即模拟量输出值本次转换到再次转换时所经历的时间，是指模拟量输出模块的所有激活的模拟量输出通道的转换时间总和，所以可以通过在STEP7中禁用所有没有使用的模拟量通道，来降低I/O扫描时间。

    3.3 连接传感器至模拟量输入

    根据测量方法的不同，我们可以将电压或电阻等不同类型的传感器连接到模拟量输入模块。为了减少电磁干扰，对于模拟信号应使用屏蔽双绞电缆，并且模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电势耦合电流，造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一端接地。对于带隔离的模拟量输入模块，在CPU的M端和测量电路参考点MANA（一般是端子10和11）之间没有电气连接。如果参考电压UN和CPU的M端存在一个电位差UISO,必须选用隔离模拟输入模块。通过在MANA端子和CPU的M端子之间使用一根等电位连接导线，可以确保UISO不会超过允许值。如果使用的传感器是非隔离传感器，在输入通道的测量线M-和测量电路的参考点MAA之间会发生有限电位差UCM（共模电压）。为了防止超过允许值，在测量点之间必须使用等电势连接导线。

    4、温度控制程序功能块设计

    STEP7程序允许在线和离线编辑程序，首先创建OB1系统组织块，然后创建定时中断组织块OB35,在OB35中调用温度控制功能块FB58，调用FB58前提是在STEP7中安装标准库（Standard Library）,调用过程是打开OB35→点击View→点击Overview→点击右侧Library→点击Standard Librar→点击PID Control Blocks→点击FB58温度控制功能块，在输入参数时，输入背景数据库DB1。DB1作为OB35背景数据库，背景数据库中的数据结构是由系统自动生成，用户不能修改，必须按标准库中的数据格式要求输入数据，在背景数据库中还有一些系统控制参数设定，有些控制参数也可以在背景数据库中修改，打开背景数据库DB1,选择参数视图，就可以修改参数如：采样周期、PID参数、上下限、脉冲输出等。

    在OB35中调用FB58功能，输入响应控制量、数字量及模拟量等，当参数输入完成，系统就可以运行程序。在程序调用LAD显示当中有十几个输入中可以选择必须的输入，有些必须输入，有些可以用系统默认值，在本系统启动后输出M6.0,启动FB58。设定值用变量SP＿INT是浮点数格式必需输入，通过触摸屏输人数据MW2,MW2转化成浮点数MD6中，MD6作为SP＿INT；过程变量输入用PV＿PER（外围过程控制变量）输入外围设备（I/O）格式过程变量，即用S7—331—7KF02模拟量输入模块的PIW258的数字值作为过程变量，如果将此数据转化为浮点数，即可输入PV＿IN，梯形图中程序PV＿IN和PV＿PER输入1个即可，输入PV＿PER即简单又减少转化控制程序的编写，在控制功能块中，一般常输入PV＿PER在功能块中将PV＿PER转化为浮点数PV＿IN，用设定值SP＿INT减去PV＿IN就是误差。在系统中参与PID控制。功能块还有手动功能，当外界条件不满足自动工作条件可以用手动控制工作，具体是将其中MAN＿ON设置为M1.O,当M1.0为1时，可以将设定触摸屏设定手动输出数据MD10,设定MAM为MD10中，LMN＿PER过程输出直接输出控制值。　

    控制器有7个输出可以作为系统控制的控制输出和显示用输出，其中主要利用PV格式化过程变量，可以作为蒸气调节阀阀开度显示。LMN＿PER是I/O格式的控制量输出值，这里直接输出到PQW272，在模拟量输出端输出4～10mA控制气动薄膜调节阀。功能模块还有QLMN＿HLM、QLMN＿LLM上下限报警。这样功能块程序设计基本完成。温度控制功能块编程界面如图4。

图4 温度控制功能块编程界面

    5、结束语　

    DOP人机界面美观大方、具有直观的图形化界面、操作简单、使用方便，把复杂生产线监控变得简单明了，大大减少了劳动强度，在洗梗机控制系统的生产实践表明，该系统各项功能满足生产需要，提高了生产效率。应用DOP人机界面完成的梗丝水温自动控制系统，从而保证梗丝的水份在合格范围内。