脉冲cpu的作用

S7-200SmartPLC、SmartLine和V20变频器在旋转式灌装机上的应用李泽宇西门子(中国)有限公司成都分公司[摘要]本文介绍了S7_200SmartPLC、SmartLine和V20变频器在旋转式灌装机上的应用及其选型[关键词]灌装机,S7_200SmartPLC,SmartLine,V20,脉冲捕捉位,高速计数器,USS[Abstract]ThispaperintroducesthattheapplicationofS7_200SmartPLC,SmartLineandV20inthefillingmachineandit'sconfigurationmaking.
[KeyWord]Fillingmachine,S7_200SmartPLC,SmartLineV20,Pulsecatch,HighSpeedCounter,USS目录1.
液体灌装机概述32.
项目简介33.
控制方案43.
1旋转台及输瓶链道43.
2灌装计量信号43.
3系统结构73.
4设备清单74.
编程调试84.
1PLC1程序设计84.
2PLC2程序设计84.
3V20变频器参数95.
遇到的问题96.
扩展测试96.
应用体会11参考文献121.
液体灌装机概述灌装机械是包装机械中的一种,通常将液体产品充填到包装容器内的机器称为灌装机械.
广泛应用于食品饮料、医药、日化行业.
液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机.
常压灌装机是在大气压力下靠液体自重进行灌装.
这类灌装机又分为定时灌装和定容灌装两种,只适用于灌装低粘度不含气体的液体如白酒、食醋、矿泉水等.
压力灌装机是在高于大气压力下进行灌装,也可分为两种:一种是贮液缸内的压力与瓶中的压力相等,靠液体自重流入瓶中而灌装,称为等压灌装或微压灌装;另一种是贮液缸内的压力高于瓶中的压力,液体靠压差流入瓶内,高速生产线多采用这种方法.
压力灌装机适用于含气体的液体灌装,如啤酒、汽水等.

真空灌装机是在瓶中的压力低于大气压力下进行灌装.
这种灌装机灌装速度高,还能减少包装内残余空气,对物料的粘度适应范围较广,如油脂类、糖浆、等均可适用.
该类灌装机另一特点是可以避免液体喷溅,有效限制毒有害液体逸散,常用于农药、化学试剂等领域.

2.
项目简介四川宜宾岷江机械制造有限责任公司,座落在风景秀丽的历史文化名城---宜宾.
公司是一家集科研、设计、制造、安装为一体的科技型民营企业.
主要从事酿酒机械、酒类饮料包装机械、输送提升机械、非标设备等产品的研发、设计、制造、销售、安装.
该公司生产的GCP、GFP两种灌装机,主要适用于罐装不含气体和固体颗粒的酒类、饮料、食品调料等低粘度液体.

GCP机型是该公司产量最高的低配机型,主要由主旋转机构,输瓶链道,进出瓶机构,灌装阀体,瓶位检测装置和灌装量检测装置构成.
其中主旋转机构,输瓶链道需要调速运行,且两者之间存在简单的速度匹配关系;瓶位检测通常为非接触式光电开关,配合进出瓶机构,控制灌装阀打开;最为关键检测信号是灌装量检测装置,该机型采用的是脉冲式流量计进行检测,PLC需要实时检测并根据HMI预设定的灌装量控制灌装阀及时关闭,以避免液体溢出.
3.
控制方案该公司GFP机型所采用的S7315-DP/PN,W788-1PRO,IWLAB/PBLink,ET200M属于其高端产品的解决方案.
ET200M接口模块丰富,满足各类灌装流量计量信号的采集;而无线通讯方案,非常好的解决了依靠传统机械滑环传输数据信号所造成的信号不稳定、使用寿命短等问题.
且贵金属机械滑环价格昂贵,无线方案还降低了成本.

但是相对于GCP机型苛刻的成本压力,上述方案不可复制.
新的控制方案的选型,需要符合"旋转机构"这一机械结构,还需考虑计量灌装流量计量信号类型及其技术参数,同时严格控制配置方案的成本.

旋转台及输瓶链道根据工艺要求,这2台设备需要进行调速.
运行过程中,希望两者按一定速度比例关系平稳运行.
我们认为常规的V/F模式就可以胜任平稳运行这一工艺要求;两者的速度比例关系,可通过PLC设定来实现.
根据PLC选型情况,可通过USS协议控制V20.

灌装计量信号常见的灌装计量方式有延时计量,液位检测计量,计量泵定量杯计量,称重计量,流量计量等.
本项目中,GCP机型采用的是脉冲流量计计量.
如图:该流量计是用户自主开发定制的产品,用户能够提供的技术数据非常有限.
大致为1个脉冲对应0.
8-1.
0ML液体.
S7-200Smart支持最多4个高速脉冲计数功能,且使用该功能实现酒桶灌装的方法已在青岛某项目中成功应用.
但是鉴于该项目是实现2个啤酒桶的灌装,采用HSC功能当然是最佳解决方案.
而本项目提出的需求是12个酒瓶灌装头,若都采用高速计数功能,将需要3个PLC才能实现.
由于灌装头之间还存在一定的逻辑连锁关系,那么还需要在3个PLC之间传递逻辑信号.
所以这样的解决方案,不科学,不经济.
S7-200SmartPLC还支持脉冲捕捉功能,且SR20/ST20能够支持支持12个输入点的脉冲捕捉功能.
若该功能可以满足工艺需求,那么1个PLC即可完成灌装计量的功能,也就避免了逻辑信号传递的问题.
具体设置如图:查询《S7-200Smart系统手册》,关于脉冲捕捉功能有如下描述:通过启用脉冲捕捉功能,将可以帮助CPU在物理输入上,捕捉到持续时间短于PLC扫描周期的脉冲信号.
同时,我们需要避免PLC扫描周期过长.
在一个扫描周期类,脉冲信号重复出现的情况.
于是,我们进一步与用户沟通,了解到用户希望每一个灌装头在5s内,完成1瓶500ML的白酒灌装.
即每秒大约灌装100ML,折算出该型号计量装置的正常工作脉冲频率≈100HZ-150HZ.
由于该机型为常压灌装机,故而开阀瞬间的极限频率也不会超过200HZ.

通过以上数据,可大致推算出PLC扫描周期极限为5ms,就可以保证成功在一个扫描周期中,不会出现2次脉冲,从而保证准确的计数.
参考《S7-200Smart系统手册》中,关于高速输入降噪的描述,并结合实际设备测试,我们将输入滤波时间设置为0.
8ms,该脉冲型流量计的信号,便不会因持续时间太短而丢失.
保证PLC硬件可以分辨出每一个脉冲信号,同时仍保留进一步调整的空间.

系统结构结合上述3.
1,3.
2小节描述的功能和技术参数,若将USS协议控制V20、脉冲计量功能,集成在1个S7-200SmartPLC中,那么5ms的极限扫描周期将无法得到保障.
由于旋转式灌装机的特殊机械结构,若将PLC安装于旋转台上部,随旋转台同步旋转,则USS总线需要透过机械滑环,导致通讯超时故障的可能性较大.
鉴于上述2点原因,我们提出的控制方案是:采用2套S7-200SmartPLC.
PLC1:安装于旋转台上部,完成灌装计量、灌装位检测、灌装阀开闭功能;PLC2:安装于旋转台底部,固定配线,用于控制V20变频器速度调节;PLC1通过机械滑环用RJ45/RS485接口HMI通讯(用于设定计量参数和修正系数),PLC2通过RJ45接口与HMI通讯.
设备清单名称订货号说明数量备注PLC16ES7288-1SR30-0AA0220VAC供电,18输入/12输出1PLC26ES7288-1SR20-0AA0220VAC供电,12输入/8输出1HMI6AV6648-0BC11-3AX0SMARTLINE触摸屏,7寸1MC-V206SL3210-5BE21-5UV03AC,400V,1.
5KW1输瓶链道MC-V206SL3210-5BE23-0UV03AC,400V,3KW1主旋转台4.
编程调试使用新的STEP7-Micro/WinSmart软件,新的软件满足IEC1131-3标准,易学、易用,支持LAD(梯形图),STL(语句表),FBD(功能块)编程语言,沿用STEP7-Micro/Win编程理念,更多地人性化设计使编程更容易上手,项目开发更加高效.
新颖的设置向导,可完成复杂功能的设定,便利的指令库,不仅西门子公司提供了丰富的功能指令库,用户还可以自定义指令库.

PLC1程序设计CPU属性设置的关键点,参考3.
2小节截图;工艺流程;正常运行流程:检测到进瓶位有瓶,则进瓶机构将空瓶动作,将空瓶推入灌装头;延时200ms灌装阀打开,同时开始累积脉冲计量装置的脉冲数,根据HMI设定的脉冲→流量的补偿值(0.
8-1.
0mL),计算灌装量;灌装量到达设定值点后,立刻关闭灌装阀.
随着旋转工作台转动,灌装头的各工位依次旋转到出瓶工位,则推瓶机构将灌装完成的产品推到输瓶链道,进入盖瓶机.
辅助功能1:手动将某灌装头旋转到进瓶工位时,为该灌装头设定编号,后续进入工位的灌装头将依次加1,按12个头循环.
辅助功能2:统计成功灌装的瓶数,供生产班组计件核算.
故障判断:打开灌装阀门的同时,开始计时.
在5.
1s内,灌装计量仍没有达到设定值,则关闭灌装阀门,同时输出报警信号.
根据故障判断结果,报警信号被置位灌装头运行到出瓶工位时,推瓶机构反向动作,将该瓶推到待检工位,等待人工检测.
PLC2程序设计典型的USS协议轮询方式控制2台V20变频器,实现简单的启停控制和速度控制;变频器故障时,输出故障信号到PLC1.
V20变频器参数V20变频器可通过Cn010宏非常快捷的设置USS协议的通讯参数,下图为采用Cn010应用宏后的默认参数设置.
通常我们需要对P2010,P2011,P2014进行适当调整.
参数描述工厂设置Cn010备注P0700[0]选择命令源15RS485控制P1000[0]选择速度给定15RS485速度给定P2023[0]RS485协议选择11USS协议P2010[0]USS/MODBUS波特率88波特率38400bpsP2011[0]USS地址01变频器USS地址P2012[0]USSPZD长度22PZDP2013[0]USSPKW长度127127PKWP2014[0]USS/MODBUS报文监控时间2000500监控时间5.
遇到的问题在方案描述3.
3小节中,我们的初步方案是PLC1也采用RJ45以太网口与Smart700IE通讯.
由于该通讯的物理介质不可避免的需要经过机械滑环,但是由于用户为了节省成本,在降低电气控制系统成本的同时,也同样选用了性能较差的机械滑环.
其特性不足以支撑PLC1-HMI之间采用以太网通讯,造成HMI通讯连接常常中断的现象.

将PLC1-HMI之间通讯方式,由RJ45该为传统的RS485,该问题解决.
如果用户希望扩展更多的灌装头,可以增加SB信号板扩展额外的2个通道.
6.
扩展测试在3.
2小节的图片中,我们可以看出PLC1安装位置位于旋转台上方的控制箱内.
当旋转台处于运行状态时,若需要对PLC1进行程序监控、在线调试,采用有线方式其实非常的不方便(网线会随着转台的旋转,而围绕中心轴缠绕在外部设备上).
故而,我们希望能够采用家用的无线路由器,来实现无线调试.

测试准备:SR40Demo一只;家用无线路由器1个,型号Netgear614v10;准备PG一台,本测试为办公电脑HP6470b,安装STEP7-MicroWINSMART软件(V2.
0);将SR40RJ45口连接到路由器的局域网端口;测试过程:新建1个空项目,打开"通信"功能页面,设置通讯接口卡为电脑的无线网卡.
IP地址分配如下:PG-192.
168.
1.
200;Netgear614v10-192.
168.
1.
2;SR40-192.
168.
1.
9;用Ping指令测试,连接已经畅通.
用软件自带的"查找CPU"功能搜索SR40CPU.
实际测试结果是无法自动搜索到CPU.
在该功能页面"添加CPU",正确填入SR40的IP地址,点击"确认"按钮.
见证奇迹的时刻到了.
虽然此时回到"通信"功能页面,依然无法通过查找CPU功能搜索访问CPU的MAC地址、IP地址等信息,但是STEP7-MicroWINSMARTV2.
0已经可以通过无线路由调试S7-200SmartSR40CPU.
后来我们发现,通讯接口卡的设置选项,是否选择为电脑的无线网卡对上述测试无影响.
即设置为有线网卡,以上方法仍然可以使用.
6.
应用体会S7-200SmartPLC、SmartLine,V20作为西门子经济型系统解决方案,功能齐备,具备较高的性价比.
提出控制方案前,针对用户的工艺控制要求,正确的选择我们产品的技术功能,合理的分配控制系统及功能,将有利于项目的顺利实施.