Synchronized Development of Textile Machinery Control System and PLC Technology

　　Zhang Huifang

　　(Shanghai Yifang Machinery Co.,Ltd 200051)

　　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

　　0.引言

　　我們上海一紡機械有限公司(原上海第一紡織機械廠(chǎng)、上海紡織機械總廠(chǎng))，建立已有80余年的歷史，專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)紡織機械也有近半個(gè)世紀。公司常年致力于開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的紡織機械品種涉及棉、毛、麻、絹、化纖等多種領(lǐng)域的前紡設備。

　　在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的歷史進(jìn)程中，公司的紡織機械電氣控制系統的自動(dòng)化程度也發(fā)生了較大的變化，控制系統從最早的十幾個(gè)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(diǎn)，例如，純繼電器線(xiàn)路可以用在控制極為簡(jiǎn)單的紡織設備中，其價(jià)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(jià)格又低于一般的PLC，但控制點(diǎn)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(yǔ)言、強大的功能、良好的耐惡劣環(huán)境的能力，但由于價(jià)格問(wèn)題較難在普通紡機設備中普遍應用;工業(yè)控制器的性能完善同時(shí)也與高價(jià)格相伴，因此只有在少數的大型紡織設備中采用。所以現在一般的紡機設備，PLC是最常見(jiàn)的控制器。因此，本文僅對PLC逐代應用于公司的“四代”精梳機等產(chǎn)品加以回顧和介紹。

　　1.棉精梳機簡(jiǎn)介

　　本公司的主導產(chǎn)品是棉紡廠(chǎng)使用的精梳機(其主要功能是通過(guò)對從梳棉機產(chǎn)出的生條棉網(wǎng)的梳理來(lái)去除其中的短纖維、雜質(zhì)、棉結和疵點(diǎn)等，同時(shí)也提高棉纖維的伸直度，使得精梳后的棉條通過(guò)后道工藝最終能紡制出60支以上的高支紗，由此來(lái)滿(mǎn)足人們舒適著(zhù)裝或一些特殊的需求)，公司也正是伴隨著(zhù)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(chǎng)的市場(chǎng)占有率曾經(jīng)是90%以上，多么值得驕傲和令人羨慕的數字!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，人們對棉精梳設備的需求也絲毫沒(méi)有削弱過(guò)。當然在市場(chǎng)經(jīng)濟的模式下，誰(shuí)也無(wú)法壟斷任何產(chǎn)品，并且隨著(zhù)歐洲發(fā)達國家制造的棉精梳機大舉進(jìn)入、國內同行的多方夾擊，使得棉精梳設備制造業(yè)的市場(chǎng)競爭日益激烈，也對我們公司的精梳機市場(chǎng)份額形成了強烈的沖擊。形勢所迫，我們只有不斷的開(kāi)發(fā)出新的紡機產(chǎn)品，才有繼續生存的空間?？梢?jiàn)，做好和不斷開(kāi)發(fā)新型精梳設備于國、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(jiǎn)稱(chēng)為PC。到了90年代，由于個(gè)人計算機發(fā)展起來(lái)后也簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)可編程序控制器為“PLC”。

　　1968年美國GM(通用汽車(chē))公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿(mǎn)足了GM公司裝配線(xiàn)的要求。

　　隨著(zhù)集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現在已有第五代PLC產(chǎn)品了。在制造工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，除了以連續量為主的反饋控制外，存在著(zhù)大量的開(kāi)關(guān)量為主的開(kāi)環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作或按照時(shí)序動(dòng)作;另外還有與順序、時(shí)序無(wú)關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護動(dòng)作的控制;以及大量的開(kāi)關(guān)量、脈沖量、計時(shí)、計數器、模擬量的越限報警等狀態(tài)量為主的離散量的數據采集監視。由于這些控制和監視的要求，所以PLC發(fā)展成了取代繼電器線(xiàn)路和進(jìn)行順序控制為主的產(chǎn)品。

　　為了使用戶(hù)等完成類(lèi)似繼電器線(xiàn)路的控制系統梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱(chēng)為指令系統，固化在存貯器ROM中，用戶(hù)在編制應用程序時(shí)可以調用。指令系統大致可以分為兩類(lèi)，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統有:基本指令、定時(shí)器/計數器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指令、二進(jìn)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(shí)器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區等內部資源，為編程帶來(lái)極大方便。

　　世界上PLC產(chǎn)品可按地域分成三大類(lèi)：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(kāi)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(jìn)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(shí)現的控制，日本的小型機就可以解決。在開(kāi)發(fā)較復雜的控制系統方面明顯優(yōu)于歐美的小型機，所以格外受用戶(hù)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(chǎng)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(guò)繼電器來(lái)完成的，其價(jià)格雖然低廉，但不易于改變功能。隨著(zhù)控制要求的不斷提高，純繼電器的控制線(xiàn)路已顯得越來(lái)越不能滿(mǎn)足，而且太多的繼電器使得電控柜的體積變得越來(lái)越大，線(xiàn)路錯縱復雜，給設計、制作和維護都帶來(lái)麻煩。

　　九十年代初，我們在開(kāi)發(fā)新的棉精梳機FA252、FA253時(shí)，正好是PLC進(jìn)入國內自動(dòng)化領(lǐng)域不久，我們認真對比了當時(shí)世界著(zhù)名的幾個(gè)品牌，首先確定小型機就能滿(mǎn)足控制需求，又由于日產(chǎn)PLC在編程語(yǔ)言方面更適應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(lái)歐姆龍自動(dòng)化集團的PLC是引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品和應用先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，它進(jìn)入中國市場(chǎng)的時(shí)間早、產(chǎn)品性能穩定、編程簡(jiǎn)易、調試方便(軟件雖然還只是基于當時(shí)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，它的現場(chǎng)監控能力尤為出色)，成為當時(shí)自動(dòng)化領(lǐng)域的佼佼者。在中國，歐姆龍有遍布全國的物流、銷(xiāo)售和技術(shù)支持，可及時(shí)提供客戶(hù)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(shí)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，以現在的目光來(lái)看，體積可謂龐大，但該款PLC當時(shí)比起我們原先計劃要在電氣箱安裝幾十個(gè)繼電器來(lái)說(shuō)體積可大大縮小了，而且控制邏輯可隨時(shí)修改，不需動(dòng)一根電線(xiàn)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(jìn)步對于我們從事自動(dòng)化設計的簡(jiǎn)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(shí)國內外的棉精梳機還都在用繼電器控制著(zhù)精梳設備的運轉。由于較早地使用了PLC，使得我們當時(shí)的精梳設備在控制技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平。

　　緊接著(zhù)，公司的精梳配套設備—FA355系列條并卷機也同樣采用了C60P型PLC。

　　3.2.CQM1用于“第二代”P(pán)X2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”P(pán)X2棉精梳機以及為之配套的SR80條并卷機，開(kāi)發(fā)成功后幾年中銷(xiāo)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，從現在來(lái)看價(jià)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(zhù)時(shí)代的發(fā)展，我們的精梳設備同各行各業(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(jìn)步相輔佐。

　　九十年代后期，隨著(zhù)歐姆龍公司PLC的新產(chǎn)品—CPM1A的推出，其比起原來(lái)的C60P體積差不多縮小了一倍，而且在指令種類(lèi)(90多種)、指令執行時(shí)間(LD指令1.72μm)、數據存儲、定時(shí)器/計數器數量(128位)、中斷輸入和脈沖輸入、高速計數器、模擬量設定、通信距離(50M)等關(guān)鍵指標上比C60P都前進(jìn)了一大步，完全能夠滿(mǎn)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(xiāo)售)的控制及顯示單元。開(kāi)發(fā)成功的“第三代”CJ25型棉精梳機在眾多用戶(hù)廠(chǎng)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基礎上推出的升級產(chǎn)品。它與CPM1A相比，在程序容量、指令種類(lèi)、指令執行時(shí)間、數據存儲、定時(shí)器/計數器數量諸方面都有明顯進(jìn)步，并新加了RS232通訊端口，支持各種無(wú)協(xié)議通訊方式，特別是脈沖輸出和同步功能的增加給設備的自動(dòng)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”的調試臺時(shí)，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，在制作調試過(guò)程中就能很好把握設備的質(zhì)量關(guān)，滿(mǎn)足了用戶(hù)的訂貨要求。

　　4. 最新款CP1H用于“第四代”CJ60型棉精梳機

　　近年來(lái)，PLC技術(shù)的不斷進(jìn)步，為我們開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品提供了自動(dòng)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(lèi)、指令執行時(shí)間(LD指令0.1μm)、DM數據區(32K)、定時(shí)器/計數器數量(相當多)、功能塊、復雜的函數運算、浮點(diǎn)運算(ST)、內置模擬量輸入/輸出功能、串行PLC的連接功能、Modbus-Rtu的簡(jiǎn)易主站功能、三個(gè)通訊口等諸方面比CPM2A又有長(cháng)足進(jìn)步。這些指標差不多與業(yè)內的中型PLC所相當，而CP1H的體積和價(jià)格又類(lèi)同于其他小型PLC。所以CP1H的性?xún)r(jià)比確實(shí)是很令人吸引的。另外，CP1H還引進(jìn)了USB的標準配置接口與個(gè)人電腦連接，增加了設備的通用性(但是該功能在現場(chǎng)調試過(guò)程中一旦受到變頻器工作的干擾就時(shí)有掉線(xiàn)情況發(fā)生，這時(shí)我們可以通過(guò)CP1H自帶的RS232串口來(lái)實(shí)現監控)。

　　軟件方面，與CP1H同步推出的CX-One也比原來(lái)歐姆龍公司的各種軟件版本更為人性化。在指令編寫(xiě)、地址搜索、條文注釋、軟件保護、功能塊編制、多種編程語(yǔ)言、調試監控等方面為用戶(hù)提供了高水平的應用平臺。尤其是功能塊的調用及多種編程語(yǔ)言的靈活性給方案設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(guò)CX-One的轉換而方便的讀出或進(jìn)行老程序的升級。這與有些歐洲大的跨國公司相比確實(shí)體現出其優(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(kāi)發(fā)的，因此分別使用了兩套完全不同的軟件開(kāi)發(fā)體系，很難做到像歐姆龍公司那樣，一直保持軟件開(kāi)發(fā)的延續性，使得每個(gè)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(cháng)期愿意使用歐姆龍PLC產(chǎn)品的理由之一。

　　2006年，我們在開(kāi)發(fā)最新的“第四代”CJ60型高速棉精梳機時(shí)，由于設備的自動(dòng)控制功能比前三代產(chǎn)品都大大增加，系統中包含了模擬量控制、函數運算、Modbus通訊、數據高速采集等，如果沒(méi)有CP1H，我們只能選用中型PLC才能滿(mǎn)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(guò)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的內置模擬量輸入功能直接連接8個(gè)模擬量傳感器，實(shí)現對設備關(guān)鍵部位自停的智能化、數字化的控制、設備歷史故障發(fā)生與解除時(shí)間及次數的記憶、多級密碼分層管理等，并可通過(guò)觸摸屏的以太網(wǎng)接口實(shí)現向上通訊的功能，為紡織廠(chǎng)的現代化管理提供必要的保證。

　　對于PLC的軟件編程，根據需要將不同功能的程序段分列，每個(gè)任務(wù)分別用最合適的編程語(yǔ)言如梯形圖、高級語(yǔ)言等來(lái)完成。

　　4. 2. I/O配置、標志位、變量聲明

　　通過(guò)I/O配置、標志位、變量聲明表，可方便靈活地查到各個(gè)I/O點(diǎn)位、標志、變量等的類(lèi)型、地址、功能注釋等，部分聲明如下：

　　圖1 標志位聲明

　　4. 3. T型圖

　　系統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(jiǎn)單、直觀(guān)、容易看懂，是一種面向對象、實(shí)時(shí)的、圖形化的編程語(yǔ)言。節載如下：(見(jiàn)圖2)

圖2 梯形圖

　　T型圖的結構給程序設計中的邏輯判斷和分支操作提供了極大的方便。

　　Cx-One軟件的特點(diǎn)之一，是可在程序段下方同頁(yè)顯示某變量的地址攔，方便觀(guān)察和調試等。

　　4.4. ST語(yǔ)言的應用

　　ST語(yǔ)言用在具有多個(gè)循環(huán)和具有函數運算的控制程序中尤其方便，諸如此類(lèi)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(yǔ)言來(lái)實(shí)現，例如對于功能相同的N個(gè)傳感器的信號讀入和處理等，使用該語(yǔ)言編制控制程序，取得了很好的效果。節選如下：(見(jiàn)圖3)

　　圖3 使用ST語(yǔ)言編程

　　4.5. 功能塊的編制與調用

　　功能塊編程方式是CP1H型小型機的另一具有特色的功能。在反復出現的相同邏輯的程序編制時(shí)，預先做好各種功能塊，然后在主程序需要時(shí)隨處調用，精簡(jiǎn)了整個(gè)編程語(yǔ)句，使整個(gè)控制系統的設計顯得更加簡(jiǎn)潔、易讀、易修改、易維護。實(shí)例如下：(見(jiàn)圖4及圖5)

　　圖4 功能塊編制實(shí)例

　　
圖5 功能塊的調用

　　5. 結語(yǔ)

　　迄今為止，除了本公司前兩年采用PCC系統開(kāi)發(fā)的多軸驅動(dòng)CJ40S型棉精梳機之外，應用了歐姆龍公司最為先進(jìn)的小型機CP1H作為中央控制器的CJ60型棉精梳機電氣自動(dòng)化的控制水平是國內外同類(lèi)產(chǎn)品中最為先進(jìn)的。CJ60型棉精梳機已銷(xiāo)售了近200臺，深受用戶(hù)的歡迎，日前，CJ60還成功地通過(guò)了國家權威機構的新產(chǎn)品科技成果鑒定和國家專(zhuān)項撥款項目驗收工作，整機的鑒定結論是：“CJ60型棉精梳機處于國內領(lǐng)先、國際先進(jìn)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等前紡設備。歐姆龍PLC具有穩定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點(diǎn)，這是它能持久占有市場(chǎng)的根本原因。

　　在自動(dòng)化、計算機、數字化、互聯(lián)網(wǎng)極為普及的今天，紡機設備的自動(dòng)化水平只有與時(shí)俱進(jìn)地不斷提高，才能在激烈的市場(chǎng)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有的貢獻。

　　對于PLC的發(fā)展商來(lái)說(shuō)，它的市場(chǎng)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(shuō)，需要應用PLC的場(chǎng)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(lái)越優(yōu)質(zhì)的工業(yè)控制產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)足各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)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。

　　2008年元旦于上海