紡機設(shè)備控制系統(tǒng)伴隨PLC技術(shù)的同步發(fā)展
張慧芳 (上海一紡機械有限公司 200051)
摘要： 簡要介紹了棉紡精梳機及可編程序控制器（PLC）的發(fā)展，回顧了歐姆龍PLC在本公司歷代產(chǎn)品電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用概況，著重介紹了運用歐姆龍CP1H小型機在棉紡精梳機電氣控制中的方案實例及應(yīng)用體會。
關(guān)鍵詞 精梳機；PLC；控制方案；同步發(fā)展
Abstract: This paper introduces the development of combing machine & PLC , reviews the application of OMRON PLC in the control system of our products, focusing on the specific solution and experiences of the combing machine control system with OMRON sysmac CP1H.
Key words Combing Machine PLC Control Solution Synchronized Development
引言
我們上海一紡機械有限公司（原上海第一紡織機械廠、上海紡織機械總廠），建立已有80余年的歷史，專業(yè)生產(chǎn)紡織機械也有近半個世紀。公司常年致力于開發(fā)、生產(chǎn)、銷售的紡織機械品種涉及棉、毛、麻、絹、化纖等多種領(lǐng)域的前紡設(shè)備。
在科學技術(shù)飛速發(fā)展的歷史進程中，公司的紡織機械電氣控制系統(tǒng)的自動化程度也發(fā)生了較大的變化，控制系統(tǒng)從最早的十幾個繼電器控制，發(fā)展到用單板機、可編程序控制器（PLC）、可編程序計算機控制器（PCC）、工業(yè)控制器等多種控制形式，這些控制方式各有特點，例如，純繼電器線路可以用在控制極為簡單的紡織設(shè)備中，其價格低廉、維護方便，但不易于改變功能；單片機具有一定的編程靈活性、價格又低于一般的PLC，但控制點位和編程能力受到一定限制；PLC以其方便易掌握的編程指令及可擴展的輸入/輸出模塊、成熟的抗干擾技術(shù)而深受工程技術(shù)人員歡迎；PCC具有高可靠性、豐富的編程語言、強大的功能、良好的耐惡劣環(huán)境的能力，但由于價格問題較難在普通紡機設(shè)備中普遍應(yīng)用；工業(yè)控制器的性能完善同時也與高價格相伴，因此只有在少數(shù)的大型紡織設(shè)備中采用。所以現(xiàn)在一般的紡機設(shè)備，PLC是最常見的控制器。因此，本文僅對PLC逐代應(yīng)用于公司的“四代”精梳機等產(chǎn)品加以回顧和介紹。
1.棉精梳機簡介
本公司的主導產(chǎn)品是棉紡廠使用的精梳機（其主要功能是通過對從梳棉機產(chǎn)出的生條棉網(wǎng)的梳理來去除其中的短纖維、雜質(zhì)、棉結(jié)和疵點等，同時也提高棉纖維的伸直度，使得精梳后的棉條通過后道工藝最終能紡制出60支以上的高支紗，由此來滿足人們舒適著裝或一些特殊的需求），公司也正是伴隨著精梳機不斷的升級換代而發(fā)展壯大的。十幾年前，我們公司的精梳機在全國棉紡廠的市場占有率曾經(jīng)是90%以上，多么值得驕傲和令人羨慕的數(shù)字！由于人們生活水平的不斷提高，即使是在全國棉紡業(yè)壓錠的年代，人們對棉精梳設(shè)備的需求也絲毫沒有削弱過。當然在市場經(jīng)濟的模式下，誰也無法壟斷任何產(chǎn)品，并且隨著歐洲發(fā)達國家制造的棉精梳機大舉進入、國內(nèi)同行的多方夾擊，使得棉精梳設(shè)備制造業(yè)的市場競爭日益激烈，也對我們公司的精梳機市場份額形成了強烈的沖擊。形勢所迫，我們只有不斷的開發(fā)出新的紡機產(chǎn)品，才有繼續(xù)生存的空間。可見，做好和不斷開發(fā)新型精梳設(shè)備于國、于民、于企業(yè)的生存和發(fā)展是何等重要。
2.可編程序控制器（PLC）的發(fā)展與流派
可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十世紀70-80年代一直簡稱為PC。到了90年代，由于個人計算機發(fā)展起來后也簡稱為PC，加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，為了方便，乃簡稱可編程序控制器為“PLC”。
1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。
隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。在制造工業(yè)的發(fā)展過程中，除了以連續(xù)量為主的反饋控制外，存在著大量的開關(guān)量為主的開環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作或按照時序動作；另外還有與順序、時序無關(guān)的按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制；以及大量的開關(guān)量、脈沖量、計時、計數(shù)器、模擬量的越限報警等狀態(tài)量為主的離散量的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視。由于這些控制和監(jiān)視的要求，所以PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產(chǎn)品。
為了使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統(tǒng)梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統(tǒng)，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應(yīng)用程序時可以調(diào)用。指令系統(tǒng)大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統(tǒng)有:基本指令、定時器/計數(shù)器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、BCD運算指令、二進制運算指令增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等。另外PLC還提供了充足的計時器、計數(shù)器、內(nèi)部繼電器、寄存器及存貯區(qū)等內(nèi)部資源，為編程帶來極大方便。
世界上PLC產(chǎn)品可按地域分成三大類：一是美國產(chǎn)品，一是歐洲產(chǎn)品，一是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。日本的小型PLC最具特色，在小型機領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機或大型機才能實現(xiàn)的控制，日本的小型機就可以解決。在開發(fā)較復雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機，所以格外受用戶歡迎。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型PLC市場上，日本產(chǎn)品約占有70％的份額。
3.回顧本公司產(chǎn)品伴隨PLC技術(shù)的同步發(fā)展
3.1 C60P用于“第一代”（以使用PLC算起，下同）FA252型棉精梳機
我們公司在1990年以前三十多年的精梳機研發(fā)歷史中，電氣控制部分都是通過繼電器來完成的，其價格雖然低廉，但不易于改變功能。隨著控制要求的不斷提高，純繼電器的控制線路已顯得越來越不能滿足，而且太多的繼電器使得電控柜的體積變得越來越大，線路錯縱復雜，給設(shè)計、制作和維護都帶來麻煩。
九十年代初，我們在開發(fā)新的棉精梳機FA252、FA253時，正好是PLC進入國內(nèi)自動化領(lǐng)域不久，我們認真對比了當時世界著名的幾個品牌，首先確定小型機就能滿足控制需求，又由于日產(chǎn)PLC在編程語言方面更適應(yīng)東方人的邏輯思維方式，所以首選日產(chǎn)PLC。
在日本多家PLC制造商中，比較下來歐姆龍自動化集團的PLC是引領(lǐng)工業(yè)自動化產(chǎn)品和應(yīng)用先進技術(shù)的產(chǎn)品，它進入中國市場的時間早、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、編程簡易、調(diào)試方便（軟件雖然還只是基于當時DOS平臺的“LSS”，但已經(jīng)有較豐富的功能，與其他日產(chǎn)PLC軟件相比，它的現(xiàn)場監(jiān)控能力尤為出色），成為當時自動化領(lǐng)域的佼佼者。在中國，歐姆龍有遍布全國的物流、銷售和技術(shù)支持，可及時提供客戶最直接的服務(wù)。
基于以上理由，我們在“第一代”用PLC作為主控制器的棉精梳機時首選了日本歐姆龍公司的產(chǎn)品——九十年代初期的“C60P型PLC”。
“C60P型”可編程序控制器，以現(xiàn)在的目光來看，體積可謂龐大，但該款PLC當時比起我們原先計劃要在電氣箱安裝幾十個繼電器來說體積可大大縮小了，而且控制邏輯可隨時修改，不需動一根電線和任何電氣元件就可改變控制功能，這些技術(shù)和元氣件的進步對于我們從事自動化設(shè)計的簡直是革命性的！
我們第一臺棉精梳樣機成功后就于1993年參加了在日本大阪的國際紡機展，當時國內(nèi)外的棉精梳機還都在用繼電器控制著精梳設(shè)備的運轉(zhuǎn)。由于較早地使用了PLC，使得我們當時的精梳設(shè)備在控制技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平。
緊接著，公司的精梳配套設(shè)備—FA355系列條并卷機也同樣采用了C60P型PLC。
3.2 CQM1用于“第二代”PX2型棉精梳機
我們在九十年代后期，將歐姆龍公司的CQM1型PLC用于公司的“第二代”PX2棉精梳機以及為之配套的SR80條并卷機，開發(fā)成功后幾年中銷量就達幾千臺。但由于CQM1型PLC差不多可以歸入中型PLC的范疇，從現(xiàn)在來看價格也比較昂貴，而且目前已被下文提及的CP1H小型PLC取代，因此本文不再作介紹。
3.3 CPM1A用于“第三代”CJ25型棉精梳機
隨著時代的發(fā)展，我們的精梳設(shè)備同各行各業(yè)一樣也需要不斷的更新，首先要增強功能又不能擴大電氣箱空間，這就要依靠PLC的進步相輔佐。
九十年代后期，隨著歐姆龍公司PLC的新產(chǎn)品—CPM1A的推出，其比起原來的C60P體積差不多縮小了一倍，而且在指令種類(90多種)、指令執(zhí)行時間（LD指令1.72μm）、數(shù)據(jù)存儲、定時器/計數(shù)器數(shù)量（128位）、中斷輸入和脈沖輸入、高速計數(shù)器、模擬量設(shè)定、通信距離（50M）等關(guān)鍵指標上比C60P都前進了一大步，完全能夠滿足我們的控制要求，于是，再次采用歐姆龍的CPM1A及顯示器MPT002組合作為我們“第三代”棉精梳機（此屬于公司一款中檔精梳機，與“第二代”精梳機同步生產(chǎn)、銷售）的控制及顯示單元。開發(fā)成功的“第三代”CJ25型棉精梳機在眾多用戶廠經(jīng)多年使用，運行可靠、反映良好。
3.4 CPM2A用于公司其他產(chǎn)品
CPM2A系列PLC是OMRON公司在CPM1A基礎(chǔ)上推出的升級產(chǎn)品。它與CPM1A相比，在程序容量、指令種類、指令執(zhí)行時間、數(shù)據(jù)存儲、定時器/計數(shù)器數(shù)量諸方面都有明顯進步，并新加了RS232通訊端口，支持各種無協(xié)議通訊方式，特別是脈沖輸出和同步功能的增加給設(shè)備的自動化控制提供了更大的方便。我們在承擔下屬公司的外協(xié)產(chǎn)品“高能聚焦超聲治療儀”的調(diào)試臺時，充分運用了CPM2A的脈沖輸出功能和同步功能，使得對于定位精度要求很高的該治療儀，在制作調(diào)試過程中就能很好把握設(shè)備的質(zhì)量關(guān)，滿足了用戶的訂貨要求。
4.最新款CP1H用于“第四代”CJ60型棉精梳機
近年來，PLC技術(shù)的不斷進步，為我們開發(fā)新的產(chǎn)品提供了自動控制上的保證。歐姆龍公司2006年推出的新款CP1H小型PLC，在I/O的擴展能力、程序容量（20K）、指令種類、指令執(zhí)行時間（LD指令0.1μm）、DM數(shù)據(jù)區(qū)（32K）、定時器/計數(shù)器數(shù)量（相當多）、功能塊、復雜的函數(shù)運算、浮點運算（ST）、內(nèi)置模擬量輸入/輸出功能、串行PLC的連接功能、Modbus-Rtu的簡易主站功能、三個通訊口等諸方面比CPM2A又有長足進步。這些指標差不多與業(yè)內(nèi)的中型PLC所相當，而CP1H的體積和價格又類同于其他小型PLC。所以CP1H的性價比確實是很令人吸引的。另外，CP1H還引進了USB的標準配置接口與個人電腦連接，增加了設(shè)備的通用性（但是該功能在現(xiàn)場調(diào)試過程中一旦受到變頻器工作的干擾就時有掉線情況發(fā)生，這時我們可以通過CP1H自帶的RS232串口來實現(xiàn)監(jiān)控）。
軟件方面，與CP1H同步推出的CX-One也比原來歐姆龍公司的各種軟件版本更為人性化。在指令編寫、地址搜索、條文注釋、軟件保護、功能塊編制、多種編程語言、調(diào)試監(jiān)控等方面為用戶提供了高水平的應(yīng)用平臺。尤其是功能塊的調(diào)用及多種編程語言的靈活性給方案設(shè)計提供了極大的便利。值得一提的是歐姆龍公司居然允許在今天的CX-One軟件上把我們近20年前在計算機的DOS操作環(huán)境下使用“LSS”軟件編制的、Win 98環(huán)境下使用的“SSS”軟件編制的、以及所有Windows 環(huán)境下編制的歷史程序，都能通過CX-One的轉(zhuǎn)換而方便的讀出或進行老程序的升級。這與有些歐洲大的跨國公司相比確實體現(xiàn)出其優(yōu)勢，后者不同等級的PLC甚至是地處不同國家的不同團隊開發(fā)的，因此分別使用了兩套完全不同的軟件開發(fā)體系，很難做到像歐姆龍公司那樣，一直保持軟件開發(fā)的延續(xù)性，使得每個新軟件的推出都考慮到對歷史產(chǎn)品具有很好的兼容性，這也是我們長期愿意使用歐姆龍PLC產(chǎn)品的理由之一。
2006年，我們在開發(fā)最新的“第四代”CJ60型高速棉精梳機時，由于設(shè)備的自動控制功能比前三代產(chǎn)品都大大增加，系統(tǒng)中包含了模擬量控制、函數(shù)運、Modbus通訊、數(shù)據(jù)高速采集等，如果沒有CP1H，我們只能選用中型PLC才能滿足控制方案的要求。經(jīng)綜合考慮，我們還是選擇了歐姆龍的CP1H小型機。
4.1 整體方案
通過歐姆龍的小型機CP1H可編程控器、日本Pro-face的觸摸屏、德國KEB變頻器等強強聯(lián)合，組成了公司“第四代”CJ60型棉精梳機的控制方案，其核心技術(shù)是分別采用RS232接口和Modbus通訊方式連接PLC與觸摸屏及變頻器、運用PLC的內(nèi)置模擬量輸入功能直接連接8個模擬量傳感器，實現(xiàn)對設(shè)備關(guān)鍵部位自停的智能化、數(shù)字化的控制、設(shè)備歷史故障發(fā)生與解除時間及次數(shù)的記憶、多級密碼分層管理等，并可通過觸摸屏的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)向上通訊的功能，為紡織廠的現(xiàn)代化管理提供必要的保證。
對于PLC的軟件編程，根據(jù)需要將不同功能的程序段分列，每個任務(wù)分別用最合適的編程語言如梯形圖、高級語言等來完成。
4.2 I/O配置、標志位、變量聲明
通過I/O配置、標志位、變量聲明表，可方便靈活地查到各個I/O點位、標志、變量等的類型、地址、功能注釋等，部分聲明如下：
系統(tǒng)中的一些邏輯量控制基本采用了梯形圖法編制。梯形圖信號流向清晰、簡單、直觀、容易看懂，是一種面向?qū)ο髮崟r的、圖形化的編程語言。 節(jié)載如下：（見圖2）
Cx-One軟件的特點之一，是可在程序段下方同頁顯示某變量的地址攔，方便觀察和調(diào)試等。
4.4 ST語言的應(yīng)用
ST語言用在具有多個循環(huán)和具有函數(shù)運算的控制程序中尤其方便，諸如此類的編程方法一般在中型PLC機中才具有，但CP1H型小型機也具備了，很有特色。在CJ60的整機控制系統(tǒng)中除了邏輯量的控制之外，其他的控制則是運用了靈活的ST語言來實現(xiàn)，例如對于功能相同的N個傳感器的信號讀入和處理等，使用該語言編制控制程序，取得了很好的效果。節(jié)選如下：（見圖3）
4.5 功能塊的編制與調(diào)用
功能塊編程方式是CP1H型小型機的另一具有特色的功能。在反復出現(xiàn)的相同邏輯的程序編制時，預先做好各種功能塊，然后在主程序需要時隨處調(diào)用，精簡了整個編程語句，使整個控制系統(tǒng)的設(shè)計顯得更加簡潔、易讀、易修改、易維護。實例如下：（見圖4及圖5）
5.結(jié)束語
迄今為止，除了本公司前兩年采用PCC系統(tǒng)開發(fā)的多軸驅(qū)動CJ40S型棉精梳機之外，應(yīng)用了歐姆龍公司最為先進的小型機CP1H作為中央控制器的CJ60型棉精梳機電氣自動化的控制水平是國內(nèi)外同類產(chǎn)品中最為先進的。CJ60型棉精梳機已銷售了近200臺，深受用戶的歡迎，日前，CJ60還成功地通過了國家權(quán)威機構(gòu)的新產(chǎn)品科技成果鑒定和國家專項撥款項目驗收工作，整機的鑒定結(jié)論是：“CJ60型棉精梳機處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的水平”。
歐姆龍的CP1H小型機還用于本公司與CJ60配套的CL15條并卷機以及更新?lián)Q代的CJ40、SR80等前紡設(shè)備。歐姆龍PLC具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久占有市場的根本原因。在自動化、計算機、數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)極為普及的今天，紡機設(shè)備的自動化水平只有與時俱進地不斷提高，才能在激烈的市場競爭中占有一席之地，才能不斷為改善人們的生活水平做出應(yīng)有的貢獻。
對于PLC的發(fā)展商來說，它的市場潛力也是很大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調(diào)查表明，PLC配套的機電一體化產(chǎn)品的比例占40%左右，采用繼電器、接觸器控制尚有20%多。所以說，需要應(yīng)用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。所以，我們也希望PLC的制造商們能不斷推出性能越來越優(yōu)質(zhì)的工業(yè)控制產(chǎn)品，來滿足各個領(lǐng)域的自動化控制需求。
PLC與紡織機械的前途同樣都將一片美好。
參 考 文 獻
歐姆龍公司歷代PLC的編程手冊、操作手冊。
