1. 糖纸机为什么需要PLC项目来源与控制需求拆解先说这个项目的来龙去脉。去年接了一个糖果厂的包装线改造线体编号刚好排到 44所以内部就叫 No.44。糖间里原来的包装机是纯机械凸轮联动结构一台机器对应一种糖型换规格要换凸轮、调连杆折腾一次少说得半天。而且老设备的计数靠机械计数器经常和实际装箱数对不上车间统计每天差异几百颗财务和仓库两头扯皮。厂里早就想改电控但一直担心小糖果包装机节拍快、动作密集普通继电器控制根本跟不上所以拖到老设备故障率实在压不住才定了这条线做 PLC 改造。接手之后我先蹲了三天现场把包装动作拆了一遍。糖果从振动盘出来是散乱的需要先排单列然后按固定节拍送进裹包工位糖纸卷在滚筒上要按张裁切、包裹、两端扭结或热封包完的糖还要经过金检机最后由输送带推进包装盒。整条线看着动作多但真正需要 PLC 参与的核心控制点其实很集中喂糖的节拍、送纸的长度与时机、封口温度和切断位置、以及异常停机。这四件事如果协调不好就会出现缺糖空包、纸膜切偏、封口漏气这几个最常见的质量缺陷。No.44 这条线的控制需求列出来大概是这样的运行模式手动/自动/单步调试三种手动用于换型调试和维修自动用于正常生产节拍要求设计速度 120 颗/分钟也就是一秒两颗每个工位动作时间必须控制在 500ms 以内接口数量输入点位大概需要 32 点光电、接近开关、编码器、按钮、限位输出点位 24 点电磁阀、电机接触器、加热器、报警灯、变频器启停模拟量需求一封口加热温度需要采集热电偶信号一套 PID 调温通信要求需要和变频器走 Modbus RTU和触摸屏做一个简单以太网或 MPI 通信。选 S7-200 不是因为它性能有多强说实话 200 的扫描周期和通信能力放到现在只能算够用但这类糖果包装项目有几个实际约束第一现场电工对 Step 7 Micro/WIN 非常熟后期维护不用重新培训第二S7-200 的继电器输出型和晶体管输出型响应速度差别明显晶体管型能扛高速脉冲输出正好适合步进喂糖第三整条线的 I/O 分布比较分散S7-200 的扩展模块可以就近布置省了一大截电缆。所以方案上最终定了 226 CPU 加两个扩展模块后面讲硬件选型的时候细说。2. 硬件选型与系统框架从CPU到传感器怎么搭2.1 CPU与扩展模块的选型逻辑S7-200 家族里常用的就是 214、224、224XP、226 这几款。No.44 这条线最终选的 CPU 226理由是它的本体自带 24 输入/16 输出基本把数字量主站覆盖掉了再加一块 EM223 数字量混合模块补足现场分散的十几个点又加了一块 EM235 模拟量模块处理封口温度信号。有人问我为什么不用 224XP 加更多扩展我说不是不行但 226 的 40 个本体点在做柜内布线时更从容而且 CPU 226 支持两个通信口一个口给触摸屏一个口留给变频器走 Modbus不会出现调试时口不够用、来回拔线的尴尬。这里有个选型细节很多人忽略S7-200 的输出类型。糖果包装线有大量快速动作元件步进喂糖需要 20kHz 左右的脉冲输出如果选了继电器输出型 CPU脉冲信号根本发不出来只能后续加脉冲模块平白多花钱还占导轨空间。所以凡是涉及定位、脉冲的控制优先选晶体管输出型CPU 226 DC/DC/DC订货号 6ES7216-2AD23-0XB8继电器输出型留给那些只做通断的接触器、电磁阀、报警灯。供电方面也要提前算清楚。CPU 226 本体带 24V 传感器电源大概能输出 400mA但一条包装线的光电传感器加上编码器、接近开关可能超过 20 个还有触摸屏和扩展模块都在吃 24V这点电流根本不够。所以我们另外配了一个 10A 的明纬开关电源给传感器回路单独供电CPU 自带的 24V 只给本体的输入回路用。很多改造项目的毛病就出在这——传感器一多24V 被拉低PLC 输入信号不稳现场现象就是某个光电偶尔闪断查半天找不到原因。2.2 I/O分配表的整理方法很多初学者拿到项目就急着写程序结果点位用到一半发现不够或者输入输出混排导致接线混乱。我习惯的做法是先画工艺流程图再把每个工位的传感器和执行器件拆出来最后统一编地址。No.44 线的 I/O 分配大致是这样地址功能信号类型备注I0.0振动盘料位光电24V NPN缺料报警输入I0.1喂糖轮编码器A相高速计数HSC0I0.2喂糖轮编码器B相高速计数HSC0I0.3送纸长度编码器高速计数HSC1I0.4糖纸断料检测24V NPN断纸停机I0.5封口工位温度上限模拟量EM235I1.0-I3.7各工位光电/接近/按钮24V NPN按工位分区输出的分配原则是隔离一路输出控制一组同类型负载比如电磁阀全部接到 Q0.0-Q0.7步进驱动器的脉冲和方向接到 Q0.1/Q0.2 这类高速输出口加热器接到带继电器输出的扩展模块上避免感性负载切换时干扰高速脉冲。I/O 表编完以后一定要把地址写到端子排标签上同时打印一份贴在柜门上。糖果车间潮湿糖粉大写字容易糊用标签机打出来的才耐用。2.3 传感器选型与接线避坑包装线用得最多的是光电传感器和接近开关。喂糖工位的糖颗检测我选的是漫反射式光电但要求检测距离可调因为糖纸有反光某些糖果颜色又偏深光电的灵敏度要现场微调。送纸工位的断料检测选了对射式光纤加放大器因为糖纸很薄很透明普通光电会被穿透只有光纤放大器能靠设定阈值稳定识别“有没有纸”。接线的时候特别注意 NPN 和 PNP 的匹配。S7-200 标准输入是漏型接法M 接公共端传感器 NPN 输出如果采购时不小心买了 PNP 的传感器接上去信号死活不来或者直接烧输入点。No.44 这批传感器全部统一为 NPN 常开目的就是让 PLC 内部逻辑统一有信号时输入为 1没信号时为 0编写梯形图时不用每个点都去考虑反逻辑。还有一个安全原则所有传感器到 PLC 的电缆必须走单独的屏蔽线槽和电机电缆、变频器输出线分开。糖果包装线变频器功率不大但运行频率变化频繁空间狭小的话很容易干扰编码器信号后面我专门有一节讲这个坑。3. 控制程序架构与梯形图实现要点3.1 工艺流程的状态机划分写 S7-200 程序最忌讳的就是把整个逻辑写成一个巨型扫描循环靠标志位跳来跳去改一处崩三处。我习惯把糖果包装流程拆成 6 个稳定状态待机、自动运行、喂糖、裹包成型、封口、故障停机再用状态字加上步进逻辑去驱动。具体落梯形图的时候我用了三个字节作为状态标志MB0 存主状态MB1 存当前工步MB2 存故障代码。主状态驱动的原则是“同一时间只允许一个状态为 1”典型写法是LD SM0.1 R M0.0, 8 // 上电清零 LD M0.0 // 待机 A I0.6 // 启动按钮 S M0.1, 1 // 进入自动运行 R M0.0, 1每个工步用 M1.0 到 M1.7 表示进入条件写在前退出条件写在后。不要用 SET/RST 满天飞的写法否则程序跑乱了根本没法查。S7-200 支持使用 STL 指令列表写步进程序我的经验是梯形图为主关键状态转移用 S/R置位/复位来写比用逻辑线圈更不容易产生竞争。对糖果包装这种有一定节拍要求的设备我会故意在状态转移里加“稳定延时”。比如喂糖轮启动后不能立刻让送纸电机动作要等编码器计到设定脉冲数确认糖到了裹包工位才触发。这些延时不是拍脑袋定的是根据机械实际走位量反推出来的调试时用秒表掐了几十次后取了一个中间值。3.2 高速计数与脉冲输出糖果包装的节拍核心S7-200 CPU 226 自带 6 个高速计数器HSC0-HSC5和两个高速脉冲输出Q0.0/Q0.1。No.44 线的喂糖轮和送纸长度测量全部依赖编码器这是设备节拍的核心。我的做法是喂糖轮轴上的编码器每转一圈对应一定数量的糖粒用 HSC0 工作在模式 12带外部方向的四倍频正交计数每转一圈产生 1000 个脉冲。糖粒间距固定时程序里把“每 N 个脉冲触发一次喂糖”做成一个阈值比较——当当前计数值达到累计目标值时置位喂糖工步完成标志同时清除计数器重新累计。用高速计数器有个容易错的点计数方向。编码器正转和反转会产生加/减计数如果你忘了初始化控制字节中的方向控制启动时计数方向是乱的喂糖时机全错。我的初始化程序固定写LD SM0.1 MOVB 16#F8, SMB47 // HSC1 模式 12允许计数、写新方向 MOVD 0, SMD48 // 预置值0 MOVD 2000, SMD52 // 目标值2000 HSC 1 // 激活注意 SMB47 的每一位都有明确含义模式 12 是带方向控制的正交计数方向正负由外部输入决定适合安装在固定转向的轴上。如果是双向轴就要把方向位打开并外部接线控制。这个细节我当年第一次用 HSC 时被坑过方向没锁导致机械反转时程序乱跳。步进喂糖电机接在 Q0.0用 PLS0 指令发脉冲。每包一颗糖需要的脉冲数由步进驱动器细分和丝杠导程决定在 HMI 上做一个“脉冲/颗”的设定参数换糖型时直接改触摸屏不用改程序。这块参数我存储在 V 区VW100 放脉冲数VW102 放速度VW104 放加减速时间全部断电保持。3.3 温度PID执行的正确打开方式封口温度最影响糖果外观和密封性。No.44 的封口刀用的是电加热管加热电偶我通过 EM235 采集温度在 S7-200 里跑 PID 指令。S7-200 的 PID 指令是一个专用的 PID 回路指令PID 0需要配合 TBL 参数区、给定值、反馈值和输出值来使用。初次整定时厂里总工说“直接用默认参数”但默认参数跑起来温度超调非常大升到 150 度还能冲到 180。我把回路改成如下结构采样时间500ms固定在一个定时中断里读取 EM235 的 AIW0P 值起初设为 3.5I 值设为 0.03D 值设为 0输出限幅0-100%对应加热器的固态继电器通断占空比周期 2 秒。调完以后观察趋势图温度稳定在 ±2 度以内。糖果糖纸如果换成铝箔复合膜传热快目标温度要降 10 度左右这时只需要在 HMI 上改设定值PID 会自动收过去但 P 值最好跟着微调否则升温过程还是会波动。这里有个重点PID 的输出不能直接接加热器接触器因为接触器频繁通断寿命很短。我输出端接的是固态继电器 SSR由晶体管输出点以 2 秒周期、0-100% 占空比方式控制。S7-200 的 PID 输出值是 0-32000 线性量需要先把 PID 输出归一化到 0-100再和周期定时器比较产生占空比波形。这一步用比较指令就能写出来LD M10.0 // PID 周期开始 TON T37, 200 // 2 秒周期 LD T37 // 周期进行中 AW VW200, VW210 // PID输出值0-100与扫描累计值比较 Q2.0 // SSR 驱动这个思路比直接用 PID 的 PWM 输出更可控而且能在 HMI 上看当前输出百分比调试温度时非常有帮助。4. 现场调试中最容易踩的坑编码器干扰与传感器误触发4.1 第一次试机编码器信号全乱硬件装完、程序下载好按下启动键振动盘开始出糖喂糖电机转起来然后我就看到触摸屏上的当前累计脉冲数像抽风一样乱跳600、15000、-3200、8000完全没规律。当时我第一反应是编码器坏了拿示波器测 A/B 相波形发现波形确实有毛刺但编码器本体是新的供电也正常。接下来我做了几个排除实验只开 PLC不开变频器和电机计数正常开启变频器不运行计数轻微跳动变频器运行到 30Hz计数乱跳严重断开电机动力线变频器运行计数恢复正常。这一下就明白是变频器输出电缆的高频噪声辐射到了编码器线。原因有三一是编码器线和电机线绑在同一个线槽里间距不够二是编码器用的普通屏蔽线屏蔽层单端接地接在了 PLC 柜的接地排上但柜体本身接地电阻偏大三是编码器线路过长没有加信号隔离器。整改方案很简单但也得彻底做第一编码器线从原线槽撤出来单独套金属软管而且和动力线保持至少 20cm 距离第二屏蔽层两端都接地现场设备端和 PLC 柜端因为编码器属于高频信号两端接地才能有效泄放高频干扰第三在 PLC 输入侧加了三个快速熔断器外加一个信号隔离安全栅把干扰和 PLC 隔离两层。改完后再测120Hz 运转下计数纹丝不动。这个经验我当时写进了调试记录里凡是变频器和编码器同时存在的设备布线规则优先于一切宁可多走 20 米线也不要图近省事把信号线和动力线平行。4.2 糖粉引起的传感器误触发No.44 运行了大概两周后车间反映送纸光电经常误报警停机。打开光电护罩一看探头镜面上全是糖粉混合水汽形成的一层白雾光纤头的透镜直接被糊住了。漫反射光电的检测距离本来就受被测物反射率影响镜面脏了以后灵敏度漂移纸膜没断它也以为断了。处理办法不复杂但是必须从三方面同时做选型时把送纸检测位的光纤放大器灵敏度余量留大一些现场把增益从 80% 调高到 150% 左右调节旋钮数字式放大器可以直接看当前入光量每周保养加一组“吹扫”动作在糖纸送纸路径上接一路压缩空气每次自动停机时电磁阀打开吹 3 秒把光电镜面吹干净最后是柜内维护加一条每班用酒精棉擦拭光电探头一次。南通一个老师傅跟我说过一句话我觉得特别在理包装线的传感器不在好在于“不太脏也能稳定工作”。所以后来选传感器我优先看防护等级和镜面材质IP67 起步镜头玻璃要耐磨塑料镜片的直接淘汰。4.3 封口温度PID参数是怎么一步步调稳的前面说过我初始 P3.5 时超调大。这里把整定过程做个记录方便大家复现。第一步把 I 和 D 全部设为 0只保留 P2看温度曲线。跑下来结果是稳态偏差约 8 度超调降到 12 度左右。第二步升 P 到 4超调明显减少但开始有 2 度左右的周期振荡周期大约 20 秒。这说明 P 偏大于是退到 3.2振荡消失但稳态偏差偏大。第三步把 I 设为 0.02缓慢消除偏差温度曲线收敛到目标 ±2 度。D 我一直设为 0因为这个加热系统惯性不大D 加不好反而更容易引入噪声。调完 PID 后我还顺手做了一个保护逻辑温度高于目标 10 度持续 5 秒或低于目标 20 度持续 3 秒都触发停机并报警。这样即使 PID 出了意外也不会跑出一堆废糖。超温报警的故障代码固定存到 MB2触摸屏上显示“E-03 封口温度异常”维修工一看就懂。5. 人机界面与日常运维让操作工愿意用的关键细节5.1 触摸屏状态页别做成工程师自嗨页糖果线的操作工老师傅大多对电脑一知半解触摸屏做太复杂他们反而不愿意用。我见过一些项目的 HMI画面堆满参数、趋势图、配方表操作工看一眼就蒙了最后还是在柜门上贴了张 A4 纸用回按钮操作。No.44 的触摸屏我只做了四页主页面一个启动按钮、一个急停复位按钮、当前产量、当前速度、当前温度以及 6 个工位的状态指示灯绿色三角代表运行、红色圆代表故障、灰色代表待机参数页每秒糖数、喂糖脉冲数、送纸脉冲数、封口温度目标值、故障自动停机选择开关报警页最近 20 条报警记录带时间戳按“确认”键清掉已看到的信息班次统计页每个班次的产量、废品数、运行时间、停机次数。界面上的文字全部用大号宋体按键不小于 40×40 像素方便戴着棉纱手套按。还加了一个“启动前蜂鸣器响三声”的小功能提醒周边人员设备要动了。厂里的老电工后来跟我说这个屏他们用得挺顺手下班前扫一眼产量就知道今天干得正常不正常。5.2 产量统计与报警记录的实现产量统计用到的是 S7-200 的中断程序。喂糖工步完成信号触发一个上升沿中断中断程序里把 VW300当日产量加 1再把 VW400班次总产量加 1同时比较当前产量和目标产量达到目标量置位“产量完成”标志并通知触摸屏弹窗。这个逻辑用普通梯形图也能写但用中断的好处是不受主程序扫描时间影响——糖果节拍快时主程序可能还在处理其他工步中断保证了计数不丢失。报警记录我没有让 PLC 存而是全部丢给触摸屏做。PLC 只维护一个故障代码字节 MB2触摸屏脚本去读写这个字节并转换成中文提示。触摸屏SD卡可以存最近 1000 条报警带时间戳对车间追查哪台设备半夜停机非常有用。还有一个细节断电保持。产量统计用的是 V 区变量默认掉电不保持糖果厂晚上经常拉总闸第二天产量清零会很麻烦。我在系统块里把 VW300-VW499 设为断电保持区同时在触摸屏上放了一个“产量清零”按钮限制条件必须输入密码才能执行防止操作工手滑把产量清了。5.3 后期维护与程序备份的几条建议S7-200 已经停产很多年了但二手市场存量非常大备件也好买。不过正因为停产程序备份比新设备更重要。我给厂里做了两处备份一是 Step 7 Micro/WIN 项目文件存在工程师电脑和 U 盘各一份二是 CPU 内部的 V 区参数表通过 TP 口导出到触摸屏 SD 卡。这样就算 CPU 坏了买一台同型号的空机把 SD 卡数据倒回去再下载程序半小时就能恢复生产。内存电池要定期换。S7-200 CPU 226 用一块 3V 锂电池保持 RAM 和时钟电池电压不足时 SM66.5 特殊寄存器会变 1。我把这个位拉出来接到报警灯上电池低电量提前报警不然哪天断电时间一长程序没丢但参数表乱了现场恢复也得折腾一阵。日常维护上我给车间留了一张点检表每班清理光电探头、检查压缩空气吹扫压力、看封口温度稳定范围每周用酒精擦触摸屏和柜内风扇滤网、检查编码器联轴器螺丝是否松动每月紧固柜内端子排螺钉、复测接地电阻、备份一次 PLC 程序。说到接地我最后想强调一句S7-200 这类 PLC 的抗干扰能力不比现在的新款差前提是接地做对。很多厂里的控制柜根本没有专门的接地铜排PLC 外壳地和动力地接在一起干扰问题反反复复。No.44 改造时我在柜底加了一根 6mm² 黄绿铜线做的独立接地排把所有传感器的屏蔽层、触摸屏通信线屏蔽层、CPU 的接地端子全部汇总到这里再单点引到车间接地网。就这一个动作解决了我之前说的大部分“闪断”和“计数乱跳”问题。回头看看这个项目难度不在 S7-200 本身有多复杂而在对糖果包装工艺的理解够不够深。摸清楚喂糖、送纸、封口这三个核心动作的时序关系再回头写梯形图思路就非常顺。调试那些天虽然被编码器干扰和糖粉误报折腾得不轻但正是这些问题把方案打磨得可靠了。到现在 No.44 已经稳定跑了快一年产量从原来每班 8 万颗提到了 11 万颗返工率降了 60% 还不止。如果后续厂里要再升级我的建议是把整套程序移植到 S7-200 SMART 平台用 SR30 加 ST60 扩展通信口换成以太网触摸屏直接走网线调试和远程维护都会方便很多。但核心的工艺流程状态机不用大改这套东西放在哪个 PLC 上都站得住脚。