摘要：本文主要介绍na200系列plc在棉花异纤清除机中自动控制系统的构成，并说明各部分控制功能的实现，以及与上位机通讯功能的设计。设备运行稳定，具有很高的可借鉴性。

关键词：plc ；异纤清除机；逻辑控制；通讯协议；梯形图

 

1、前言

　　随着可编程控制器（简称plc：programmable logic controller）的从无到有，功能从弱到强，应用领域从小到大，其已经成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

　　1.1 plc应用的必要性

　　棉花异纤清除机作为一种在线清除棉花中异纤的设备，其主要作用是代替人工挑拣棉花中所含的各类异纤，从而保证纱线的质量。棉花异纤清除机作为一种生产质量控制设备，其运行的稳定性和设备的可操作性是首要要求。第一，一旦设备运行不正常不仅会影响产量，还会造成纱线质量下降，因此，设备的控制单元必须选用可靠性高的器件。第二，设备自身的操作方法以及与生产线其他设备的级联控制方式，需要适应纺织厂工人的操作习惯，尽可能做到一键式启动、停止。基于以上需求，棉花异纤清除机采用plc作为逻辑控制单元能够很好的满足设备的设计要求。

　　1.2 na200系列plc的特点

　　作为小型一体化plc 产品，na200plc包括一个单独的cpu模块，以及各种可供选择的功能扩展模块，无论是独立运行，还是相互连接构成网络，均可以实现强大而复杂的控制功能。该系列plc具有以下特点：①可靠性高，抗干扰能力强，适合各种工业现场的使用。②配套齐全，功能完善，适用性强。cpu本体具有多种i/o规格可以选用，还具备高速计数、定时、标准rs232和rs485接口。多种扩展模块可供选择。③支持梯形图（ld）、指令列表（il）、功能块图（fbd）、顺序流程图（sfc）和结构化文本（st）五种语言编程，易学易用。④标准的modbus rtv通讯协议，可以很方便的与计算机组成控制网络。⑤输入输出端口分组设计，可以适应不同电气性能的使用。⑥安装方便，支持平面安装和din导轨安装。⑦体积小，重量轻，能耗低。⑧高性价比，在棉花异纤清除机中使用，既可以满足设备的需求，又能够降低设计成本。

2、设备概况及系统组成

　　棉花异纤清除机是一种能在线检测并剔除棉花中有害杂质的集机、光、电、气于一体的自动化电子设备，可无缝接入到前纺工序中。设备主要包括前级输棉风机、打手电机、罗拉电机、吸废棉风机、光源系统、高速相机、大规模集成处理板卡、工控机和高速气阀等，各部分负载类型不同，所需电压不同，对电源稳定程度的要求也不同；其启动流程为：首先启动工控机，20秒后启动光源系统，工控机启动完成后启动吸废棉风机，然后启动打手电机，待打手转速正常后，启动罗拉电机，启动前级输棉风机，最后启动相机、板卡，最后设备自动进入运行状态。另外，设备安装与纺织厂的生产线中，采用统一的供电线路和控制中心，来进行整条生产线的启动及故障报警等。生产线启动时，首先启动滤尘系统，然后启动后级梳棉设备，接着启动异纤清除机，最后启动前级开棉机，整条生产线开始过棉生产。

　　基于以上工艺设计要求，系统采用plc进行启停逻辑控制。系统组成由南大奥拓cpu201-4002的plc、中间继电器、工控机、rs232通讯电缆和异纤清除机的输入输出开关等构成，其中plc主要负责接收生产线开启信号，对棉花异纤清除机进行电气逻辑控制，同时完成光源寿命计时统计、打手电机转速测量以及与工控机进行modbus rtv通讯。系统硬件组成如图1所示：

图1 系统组成

3、软件功能设计

　　3.1硬件配置及端口设定

　　在系统设计之前，根据其复杂程度，从经济性、可靠性等方面考虑，选择na-200plc作为棉花异纤清除机控制系统的控制主机。plc采用220v交流供电，本体具有24个数字量输入点（可设计为源型或漏型输入）和16个数字量继电器输出点，cpu内部集成两个rs232（modbus rtv）、128k程序存储空间和8k掉电保持存储空间、4通道的高速单相计数器。具体plc的i/o分配如图2所示。

图2 plc外部i/o分配

　　3.2 plc内部资源分配

　　在设计程序过程中，会使用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前先列出可能用到的软元件，现将与上位机通讯及关键元件进行规定，如表1所示。

mw1

输入端口状态映射

mw2

打手转速测量值

mw3

可见光源寿命计时

mw4

光源预热时间计时

mw5

紫外光源寿命计时

mw6-mw8

上位机下发指令

nw1

可见光源寿命10分钟计时存储

nw2

可见光源寿命小时计时存储

nw3

紫外光源寿命10分钟计时存储

nw4

紫外光源寿命小时计时存储

nw5

高速计数器模式设定

nw6-nw7

高速计数器计数当前值

nw8-nw9

高速计数器预置值

m120-m167

接收上位机指令按位分解

表1 plc内部关键资源分配表

　　3.3控制软件设计

　　制软件采用梯形图语言编写，采用模块式设计，针对不同的控制功能采用不同的功能子程序完成，主程序中通过控制条件对各个子程序进行调用。如图3所示。

图3 程序整体设计

　　plc上电以后，执行main主程序，主程序采用顺序执行方式，根据不同的状态，调用不同的子程序；主程序根据plc的初始化状态，调用init、recmd、calspeed这三个初始化和状态初始检测程序；待初始化完成后，plc根据输入的“自动/手动”信号以及上位机的控制命令，开始进行光源预热、寿命统计、输入输出逻辑控制、数据通讯等功能；程序执行过程中，全程监控通讯、打手转速等状态，如出现异常，则立即将异常状态上报上位机，并转入执行protect子程序，对整机进行保护，防止出现更为严重的故障。

　　3.4设计中的问题及解决措施

　　①硬件方面：在异纤清除机的设计中，主要的硬件问题是plc的输入设计和外围线路接线设计。

　　plc本体所具备的24v输出电流驱动能力有限，再加上节能的考虑，plc的输入端口接线方式设计为漏型，外围开关尽量使用常开触点，保证正常工作时，所需电流最小，只有在开关特定操作或异常时才导通，减少对plc驱动电流和各个输入端口的损耗。plc的输出端口大部分与接触器等元件连接，接触器的突然断开和闭合会形成浪涌，对plc的输出端子造成损坏，因此在每个接触器上加装一些保护装置，例如，浪涌抑制器等，增加触点的寿命。

　　②软件方面：在plc控制软件的设计中，主要是控制逻辑的设计和验证的问题。

　　为了保证plc控制命令的及时响应，在程序设计中应对程序的长度进行优化，尽量采用模块化设计，利用状态命令字来切换需要执行的功能模块，减少执行周期内的指令数目。在程序编写完毕后，首先在电脑上利用napro自带的仿真软件对程序执行结果进行软件仿真，主要是检查是否存在错误；然后通过plc联机的方式检查程序是否存在逻辑上的缺陷。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。

　　③通讯方面：plc支持自由协议通讯和modbus rtv通讯。根据异纤清除机整体设计的需要，plc采用modbus rtv协议、上位机查询模式进行通讯，提高plc程序执行的效率，降低上位机中断响应的频率。

4、结束语

　　目前，该plc控制系统已在陕西长岭纺织机电科技有限公司的cs系列异纤机种使用。经过长达4年的使用表明，采用南大傲拓科技有限公司的na200系列plc作为核心控制设备，运行稳定，性价比高，效果很好！该系列plc具有丰富的内部资源，支持多种编程语言，程序设计简单，对于需要严格控制成本的异纤清除机产品是一个不错的选择。

 

参考文献

【1】    王永华．现代电气控制及plc应用技术[m]．第2版．北京：北京航空航天大学出版社，2008

【2】    宋伯生．plc编程实用指南[m]．北京：机械工业出版社．2007

【3】    南大奥拓科技有限公司．na200可编程控制器（plc）硬件手册[m] ．2009

【4】    廖常初．plc编程及应用[m] ．北京：机械工业出版社．2005

【5】    秦贞俊．世界棉纺织前沿技术[m]．北京：中国纺织出版社．2010.6

 

作者简介：张得旺（1979-），男， fpga及plc程序设计，现任陕西长岭软件开发有限公司异纤机产品组系列主管，通讯地址：陕西省宝鸡市高新大道188号，721013