實訓(xùn)項目四計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)(現(xiàn)場控制層)的應(yīng)用任務(wù)一計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用任務(wù)二計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的電氣與網(wǎng)絡(luò)接線任務(wù)三計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的I/O配置與編程習(xí)題四

實訓(xùn)目的和意義

本項目首先介紹現(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的內(nèi)部結(jié)構(gòu),讓學(xué)生重點了解現(xiàn)場控制器(下位機(jī))S7-200SMARTSR40中電源部分、輸入/輸出端子和網(wǎng)絡(luò)通信端口等硬件的配置與結(jié)構(gòu),并且讓學(xué)生充分了解下位機(jī)SR40PLC在工業(yè)現(xiàn)場完成傳感器信號采集和控制軸承去磁與清洗設(shè)備自動運(yùn)行的全過程,最后讓學(xué)生完全掌握SR40PLC軸承去磁與清洗程序在線監(jiān)控運(yùn)行的方法。

本項目重點培養(yǎng)學(xué)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(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)通信等方面的接線,并根據(jù)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(diào)試。

實訓(xùn)項目功能簡介

軸承去磁與清洗自動化生產(chǎn)線的現(xiàn)場控制器(下位機(jī))系統(tǒng)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(jī)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程中軸承位置信息的采集,并且要負(fù)責(zé)傳送電機(jī)M、去磁機(jī)構(gòu)、水泵電機(jī)M2和旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(chǎn)線的現(xiàn)場控制器(下位機(jī))系統(tǒng)

實訓(xùn)崗位能力目標(biāo)

(1)了解現(xiàn)場控制器S7-200SMARTSR40中電源部分、輸入/輸出端子、網(wǎng)絡(luò)通信端口和主板等硬件的結(jié)構(gòu)、性能和I/O配置情況。

(2)能正確應(yīng)用電氣安裝工具、0.75mm2的控制線、中間繼電器和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)線構(gòu)建現(xiàn)場軸承去磁與清洗的PLC控制系統(tǒng)。

(3)能根據(jù)軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程中手動/自動控制以及工業(yè)機(jī)器人抓取、搬運(yùn)軸承的需要,正確編寫生產(chǎn)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(jī)(PC機(jī))向現(xiàn)場控制器SR40PLC下載生產(chǎn)線的主程序和手動/自動控制子程序,并能通過SR40實現(xiàn)去磁機(jī)和清洗機(jī)的在線監(jiān)控運(yùn)行。

任務(wù)一計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

任務(wù)目標(biāo)(1)熟悉計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的基本結(jié)構(gòu);(2)掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)在軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。

子任務(wù)1計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

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(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的主體配置

現(xiàn)場控制器S7-200SMARTSR40作為PLC主控系統(tǒng)的下位機(jī),負(fù)責(zé)采集軸承去磁與清洗自動化生產(chǎn)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(tài)(去磁機(jī)和清洗機(jī)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(jù)主程序和手動/自動控制子程序執(zhí)行去磁與清洗設(shè)備的啟/制動控制。圖4-3現(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的電源接線方式

1.現(xiàn)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(shè)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(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的I/O端子配置及性能參數(shù)

S7-200SMARTSR40PLC具備40個端子的I/O配置。SR40開關(guān)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(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的I/O端子配置

SR40PLC具備三種工作狀態(tài),依次是“RUN”“STOP”和“ERROR”。其中,“RUN”表示SR40的“運(yùn)行”狀態(tài),此時該P(yáng)LC正在以循環(huán)掃描的方式運(yùn)行用戶程序,“STOP”表示SR40的“停止”狀態(tài),此狀態(tài)常見于編程計算機(jī)與SR40PLC之間程序塊、數(shù)據(jù)塊和系統(tǒng)塊的上傳與下載過程,“ERROR”則是SR40的“運(yùn)行報錯”狀態(tài),此時需要檢查PLC硬件和軟件設(shè)置,排除現(xiàn)有的故障?，F(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的主要性能參數(shù)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(chǎn)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(shù)據(jù)存儲器主要用于存儲用戶程序執(zhí)行的中間結(jié)果。

(2)SR40PLC的主板上集成了高速16位處理器芯片,布爾運(yùn)算執(zhí)行時間可達(dá)0.15μs,字處理速度可達(dá)1.2μs,滿足自動化生產(chǎn)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(nèi)置有一個工業(yè)以太網(wǎng)接口和一個RS485接口,技術(shù)人員可以通過以太網(wǎng)接口,將SR40PLC連接至交換機(jī),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(tài)。

子任務(wù)2計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)在軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程中的應(yīng)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(jī)、電磁線圈、水泵電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備共同構(gòu)成了軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng),如圖4-5所示。圖4-5軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)

1.軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程的自動運(yùn)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(jī)M直接啟動,軸承工件隨即進(jìn)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(jī)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(shè)為1s,當(dāng)傳送帶緩沖停穩(wěn)之后,軸承工件去磁結(jié)束。

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

(4)當(dāng)“軸承放置完畢”的信號(DO17=1)通過工業(yè)以太網(wǎng)反饋給主控PLCS7-300(I136.0=1)和SR40PLC(V0.5=1)時,SR40PLC作為現(xiàn)場的控制器直接驅(qū)動水泵電機(jī)M2和旋轉(zhuǎn)電機(jī)M3的啟動,軸承進(jìn)入10s的旋轉(zhuǎn)清洗流程,且T=10s的定時時長由SR40PLC內(nèi)部的定時器T37控制。

(5)當(dāng)軸承工件“定時清洗”結(jié)束以后,現(xiàn)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(yè)機(jī)器人(DI18=1)。

(6)工業(yè)機(jī)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(yùn)并平穩(wěn)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(chǎn)過程的手動運(yùn)行模式

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

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

(3)當(dāng)軸承去磁完畢時,人工按下“手動停止去磁機(jī)”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(jī)的第Ⅷ區(qū))。

(4)機(jī)器人隨即在主控PLCS7-300和SR40PLC的聯(lián)合控制下,并在OMRON視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)下,抓取、搬運(yùn)并平穩(wěn)地將軸承工件放置于清洗平臺上。

(5)當(dāng)軸承工件平穩(wěn)放置后,手動啟動清洗機(jī)的噴淋和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對軸承實施清洗操作,清洗完成后,機(jī)器人再次抓取、搬運(yùn)并平穩(wěn)地將軸承工件放置于半成品收集處。

任務(wù)二計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的電氣與網(wǎng)絡(luò)接線

任務(wù)目標(biāo)(1)掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的電氣接線;(2)掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的I/O地址分配情況。

子任務(wù)1計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的電氣接線

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

去磁裝置、水泵和旋轉(zhuǎn)電機(jī)對應(yīng)的中間繼電器KA1~KA4的線圈分別接至“DQa.0~DQa.3”共四個數(shù)字量輸出端子上,如圖4-6所示。圖4-6現(xiàn)場PLCS7-200SMARTSR40的I/O配置

1.S7-200SMARTSR40輸入端子的電氣接線

技術(shù)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(jī)啟停)和SA3(旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟停)共七個開關(guān)量外設(shè)接在SR40PLC的七個輸入端子(DIa.1~DIa.7)與公共端M(0V)之間,當(dāng)其中某個輸入端子DIa.n=1(n∈Z[1,7])時,表明系統(tǒng)輸入側(cè)對應(yīng)的開關(guān)量外設(shè)輸入有效。光纖傳感器的輸入可以啟動去磁機(jī)和清洗機(jī)的自動運(yùn)行,其余按鈕和旋鈕的輸入用于軸承去磁與清洗生產(chǎn)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(shù)字量輸入端子DIa.1=1輸入有效的全過程。注意:DIa.1是SR40PLC

數(shù)字量輸入端子的名稱,該端子的有效編程地址是I0.1。

(2)當(dāng)去磁機(jī)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(fā),流經(jīng)電阻R、發(fā)光二極管LED和旋鈕SA1的觸點機(jī)構(gòu),再回到公共端“M”(0V),此時輸入映像寄存器中與DIa.1對應(yīng)的I0.1=1(手動啟動傳送帶有效),隨后現(xiàn)場控制器SR40PLC正式啟動傳送帶單向運(yùn)行,如圖4-8所示。圖4-8SR40輸入端子的內(nèi)部接線圖(傳送帶啟動)

(3)在實際生產(chǎn)過程中,SR40常處于“自動狀態(tài)”,當(dāng)SR40的輸入端子I0.4=1時,軸承上料完成,當(dāng)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(jī)M的電氣控制電路中,其常開觸點閉合可以啟動電機(jī)M的運(yùn)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(shù)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(nèi)部接線圖(傳送帶啟動)

(2)當(dāng)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(dǎo)致外部中間繼電器KA1線圈得電,當(dāng)KA1常開觸點閉合時,驅(qū)動傳送帶電機(jī)M啟動。

子任務(wù)2計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的I/O地址分配情況

技術(shù)人員利用以太網(wǎng)網(wǎng)線,通過交換機(jī)分別將主控PLCS7-300和現(xiàn)場PLCSR40接入如圖4-10所示的軸承去磁與清洗自動化生產(chǎn)線的主控系統(tǒng)中。圖4-10主控PLCS7-300和現(xiàn)場控制器PLCSR40之間的控制網(wǎng)絡(luò)

1.現(xiàn)場PLCSR40輸入變量的I/O地址分配情況

現(xiàn)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(jī)啟停)和SA3(旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟停),用于手動啟動軸承去磁與清洗的生產(chǎn)過程。

2.現(xiàn)場PLCSR40輸出變量的I/O地址分配情況

現(xiàn)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(jī)構(gòu)啟動)和KA4(旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動),用于現(xiàn)場控制器SR40對傳送帶電機(jī)、去磁裝置、水泵電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)完成啟/制動控制。

任務(wù)三計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的I

任務(wù)目標(biāo)(1)掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)內(nèi)部寄存器的I/O配置;(2)掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的編程與調(diào)試。

子任務(wù)1計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)內(nèi)部寄存器的I/O配置

1.SR40內(nèi)部與MCGS觸摸屏控制按鈕對應(yīng)的V區(qū)變量的設(shè)置

當(dāng)技術(shù)人員通過MCGS觸摸屏發(fā)出生產(chǎn)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(guān)指令的有效賦值傳遞給SR40PLC內(nèi)部的變量寄存器(V區(qū)寄存器),形成由MCGS觸摸屏到主控PLCS7-300,再到現(xiàn)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)過程。

SR40內(nèi)部與MCGS觸摸屏控制按鈕對應(yīng)的V區(qū)變量設(shè)置見表4-5。

2.SR40內(nèi)部與軸承自動去磁和清洗過程對應(yīng)的V區(qū)變量的設(shè)置

當(dāng)軸承工件進(jìn)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(tài)表示“傳送帶啟動”“去磁裝置啟動”“水泵電機(jī)啟動”和“旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動”的工作狀態(tài)。

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(chǎn)過程中傳感器的反饋信息和生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)信息,準(zhǔn)確映射到MCGS觸摸屏的監(jiān)控程序中,以便實現(xiàn)現(xiàn)場工程技術(shù)人員對軸承去磁與清洗自動化生產(chǎn)過程的有效監(jiān)控。圖4-12生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控過程中V區(qū)變量映射的流程

當(dāng)軸承進(jìn)入去磁與清洗生產(chǎn)流程后,現(xiàn)場控制器SR40PLC采用其內(nèi)部變量寄存器區(qū)的V20.0和V20.1位,表示軸承的“上料完成”和“去磁到位”狀態(tài)反饋。軸承去磁與清洗生產(chǎn)過程對應(yīng)的V區(qū)變量的設(shè)置見表4-6。

子任務(wù)2計算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)的編程與調(diào)試

在軸承去磁與清洗自動化生產(chǎn)線中,現(xiàn)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(tǒng)初始狀態(tài)的調(diào)節(jié)或復(fù)位操作,而自動控制子程序常用于生產(chǎn)線的自動運(yùn)行。

主程序用于確定自動化生產(chǎn)線的工作狀態(tài)(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(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(Q0.0~Q0.3)映射到SR40PLC內(nèi)部對應(yīng)的變量寄存器位(V20.0~V20.5)中。

自動控制子程序則應(yīng)用ESTUN工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)軸承工件的全自動去磁、清洗、搬運(yùn)和放置?，F(xiàn)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(xiàn)場控制器SR40PLC中程序的整體布局

當(dāng)編程計算機(jī)與SR40PLC建立網(wǎng)絡(luò)通信后,按照圖4-14和表4-7所示的編程與調(diào)試流程,我們可以在三個窗口內(nèi)完成SR40PLC主程序、手動和自動子程序的編輯與調(diào)試。

1.SR40主程序的設(shè)計思路

在SR40PLC主程序中,當(dāng)變量寄存器區(qū)V0.0=1時,系統(tǒng)進(jìn)入手動模式;當(dāng)V0.0=0時,系統(tǒng)進(jìn)入自動模式。我們應(yīng)用變量寄存器區(qū)V20.0和V20.1位與SR40輸入端子I0.4和I0.5發(fā)生映射,為軸承去磁進(jìn)行定位;同時應(yīng)用變量寄存器區(qū)V20