西门子6ES7231-7PD22-0XA8功能介绍

西门子6es7231-7pd22-0xa8功能介绍

石英晶体谐振器是数字化设备中不可缺少的关键器件之一，其主要作用是产生基准时钟信号，协调整体电路的工作，广泛用于计算机、通信设备、智能化仪器仪表及家用电器等产品上。晶体真空退火炉是石英晶体元器件生产过程中的专用设备，用于石英晶体的退火处理，以消除晶体产品在加工过程中产生的应力及轻微表面缺陷。目前在国内石英晶体元件生产线上使用的真空退火炉绝大部分都从日本或韩国进口，价格昂贵，同时维护非常不便。2005年，笔者与其他单位合作研制成功了国产的石英晶体真空退火炉，各项性能指标达到或超过了国外同类产品。

　　可编程控制器(plc)是一种结构简单、通用性好、功能较完备的新型控制元件，其主要优点是抗干扰能力强，可以**系统的可靠性和稳定性，**生产效率，所以特别适用于工业控制。因此，在石英晶体真空退火炉研制过程中，设计了以plc为核心的电气控制系统。

　　1真空退火炉的工艺过程

　　该退火炉主要由左右2个真空室、真空机组、冷却水系统、气路系统和电气控制系统等组成。2个真空室可分别独立工作。考虑到石英晶体元件体积较小，为充分利用真空室内工作空间，将每个真空室分割成4个工作区，如图l所示，每区装有热电偶和电阻加热管，可单独控制该区的温度。这样，每个真空室的真空度一致，但各工作区的温度可以是不同的，使用起来更加方便。

　　设备的工艺过程主要分为3步。

　　第l步，抽真空。真空机组将真空室由大气压抽到低真空(10 pa左右)，再抽到高真空(5×10_3pa左右)。

　　第2步，温度控制。由加热管对工作区加热，使工作区的温度跟随设定曲线变化，对晶体元件进行退火处理。

　　第3步，真空释放。退火时间到后，依次打开放气阀和排气阀将真空释放，恢复到大气压力后可打开炉门取出晶体元件，完成真空退火处理。

　　2控制系统硬件设计

　　西门子plc具有丰富的指令和多种功能的控制模块，能满足各种不同场合的控制需求，在中国工控市场具有较高的占有率。根据设备工艺过程及控制要求，考虑系统可靠性和性价比等因素，决定采用以西门子87-300plc为控制核心，以工业触摸屏为人机界面的控制方案。

　　根据外围元件需要的控制点的种类和数量来选取plc各扩展模块。选择1个数字量输入模块sm321(dc 24v，32入)用于接收各主令电器、阀门位置检测开关、真空测试仪等元器件的输入信号;选择1个数字量输出模块sm322(dc 24v，32出)用于控制真空泵和阀门等执行元件。

　　左右真空室各有4个工作区，每区都独立控温，因此，每区构成1个闭环控制回路，总共需要8个温度闭环控制回路。选择1个模拟量输入模块sm331(热电偶型，8人)接收各工作区热电偶的测量信号;选择1个模拟量输出模块sm332(12位，8出)用于控制调压器的输出电压，从而调节加热管的加热功率。

　　根据扩展模块的数量和程序的复杂程度选择cpu314作为中央处理单元;直流电源选用ps307(dc 24 v，5a)。考虑与plc的兼容性，选择西门子tpl70b彩色触摸屏作为人机界面。控制系统硬件结构如图2所示。

　　3控制系统软件设计

　　3.1真空系统控制

　　真空系统负责对机械泵、分子泵和各阀门进行顺序控制，以保证真空室内的真空度。根据工艺要求和各阀门之间的连锁关系，确定程序流程见图3。

　　3.2温度控制

　　3.2.1算法选择

　　退火炉采用电阻加热管加热，其温度控制过程具有热惯性大、滞后大、参数时变和非线性的特点。常规的pid控制虽然稳态精度较高，但对于炉温这种非线性被控对象，其参数调整非常困难，控制效果往往并不理想。

　　模糊控制是智能控制的一种，对于非线性、时变性和大滞后对象具有较好的控制作用。但常规模糊控制器的主要缺点是存在稳态误差，通过调整量化因子或比例因子只能减小误差，并不能彻底消除，并且过大的量化因子或比例因子还会引起系统在目标值附近振荡。因此，综合考虑模糊控制和pid控制的特点，各取所长，设计了一种具有智能积分环节的模糊控制器，如图4所示。

　　3.2.2积分环节引入时机的推导

pid控制中的积分环节能够消除稳态误差，因此在常规模糊控制器引入积分环节能直接**稳态精度。但由于积分控制对系统的动态品质不利，容易产生超调甚至使系统振荡，因此如何充分发挥积分环节的优点，抑制其缺点，是控制性能优劣的关键。

　　1)从避免超调的角度考虑

　　积分环节的本质是对过去一个时间段内的偏差e的积累，具有落后性。因此在何时引入积分环节需要对被控变量的响应过程进行分析。图5所示的响应曲线中，在oa段和bc段，尤其是靠近a和c时不能引入积分环节，否则会引起过大的超调;在ab段和cd段需要引入积分环节以使被控变量尽快返回到目标值。结合各段偏差p和偏差变化率ec的正负号可知：e·ec>o时可引入积分环节，e·ec<o去掉积分环节。

　　2)从消除稳态误差的角度考虑

　　常规模糊控制器以离散论域为基础，在数据离散化过程中必然存在误差，例如0~0.49均被四舍五人作为0，此时控制器“错误”地认为现在偏差和偏差变化率已经是零，无需调节了。但实际上此时偏差并不为零。偏差量化公式为

　　式中e为偏差的离散论域，round为取整到近的整数。

　　令e=0可得

　　整理得到

　　同样对于偏差变化率也有

　　同时满足式(3)和式(4)时模糊控制器停止调节，此时需要引入积分环节来消除这一偏差。通过以上分析，可以把引进积分的条件综合如下：

　　式中and表示逻辑“与”，or表示逻辑“或”。

　　3.2.3温度控制算法的程序实现

　　在本系统中，偏差e和偏差变化率ec的隶属函数曲线均为三角形，离散论域均取[一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6]，根据模糊规则。经离线推理得到13行13列的查询表。在plc中实现查询表的方法如下：将控制量u1的数据存储在以vbl00为中心的169个变量存储区中，即vbl6一vbl84。查询时ul的存储地址vbu’可根据式(6)计算得到。

　　在plc中积分根据下面数字积分公式计算。

　　式中：mi。，mi。一。分别为第咒个和第竹一1个采样时刻的积分值;ts为采样时间;tl为积分时间;kc为增益系数。

　　3.3触摸屏界面设计

　　采用西门子wincc flexible2005软件来组态tpl70b触摸屏界面，共开发了12幅画面。包括画面选择、工作主界面、温度设定、真空设定、报警信息和温度曲线等。图6为其工作主界面。

　　4应用效果

　　控制系统设计完成后，经几次实验调整确定了模糊查询表和积分时间，运行后系统性能参数如下。

　　1)加热温度：加热高温度为500℃，工作温度为150--300℃;

　　2)炉温均匀度：≤±5℃;

　　3)控温精度：士1℃;

　　4)温升超调量：≤10%;

　　5)调整时间：≤240 s。

　　数据表明采用具有智能积分环节的模糊控制算法可使真空退火炉具有较高的控温精度和较短的调整时间，同时超调量也不大，能够较好地满足真空退火工艺要求。设备在2年多的使用过程中，没有出现电气故障，操作安全方便，系统稳定可靠，各项性能指标均满足工艺要求。

　0引言

　　磨矿过程主要是将矿石经过磨矿处理成细粒度级的颗粒，提供给选别作业，它是选矿的中间工序。矿石经过物理的研磨、分级作用，颗粒由大变小到一定的程度，才能达到矿石的单体解离或近于单体解离，有利于选别工序的金属回收和金属富集，因此磨矿过程是影响选矿生产的关键环节，它起着承上启下的作用，是整个选矿厂的作业。瓶颈”，它直接制约着选矿产品质量和金属回收率。此外，磨矿作业能耗占选矿厂整个选矿过程的40%一60%，因此，为了**磨矿效率、节能降耗、**有用矿物的精矿品位和回收率和**选矿厂的经济效益，实现磨矿过程的自动控制具有十分重要的意义。

　　1磨矿分级过程简述

　　云南某选矿公司的磨矿分级过程主要有两套一段棒磨机和三套二段球磨机，其主要工艺过程足：矿仓内的矿石经由振动给矿机和给矿皮带机送人棒磨机内，经过一段棒磨机、螺旋分级机组成的一段磨矿系统细磨后送人泵池，再经过由变频器控制的泵抽至旋流器，旋流器的溢流被送入浮选工序.大颗粒的矿石经过分矿器送人二段球磨机继续再磨。为了保证磨矿分级效果，必须在一段棒磨机的入口和出口处以及泵池分别加入一定**的清水，即给矿水、排矿水和泵池补加水。

　　通过对该公司磨浮作业的综合分析，我们确定该磨矿过程的主要被控变量为一段棒磨机给矿量、给矿水量、排矿水量、泵池补加水量、泵池液位和泵池浓度等。

　　2控制系统的设计

　　2.1系统结构

　　控制系统工艺控制流程如图1所示。其中：uvf为变频器;fqt为**检测累计;fv为电动调节阀;ft为**检测;te为温度检测;it为电流检测;lt为液位检测;dt为密度检测?。

　　本系统以西门子s7，400plc为下位主机，研华多媒体工业计算机为上位主机，配以检测仪表和执行仪表等，组成集检测、控制、监控管理等功能于一体的控制系统。下位主机负责数据采集和控制，可以脱离上位主机独立工作，上位主机负责控制系统的监控管理，在上位主机内插入一块cp561l通信卡，与下位plc进行通信。本控制系统的组成结构如图2所示。

　　2.2 plc的硬件配置

　　根据图1所示的磨矿分级作业的工艺控制要求，本系统共有两套完全相同的振动给矿机、给矿皮带机、一段棒磨机、分级机，此外还有三台二段球磨机。主要测控点有给矿**、给矿水**、排矿水**、泵池补加水**磨机前轴温度、磨机后轴温度、分级机温度、泵池液位、泵池矿浆浓度等，其巾实现控制的参数有给矿**、给矿水**、排矿水**、泵池补加水**、泵池矿浆浓度和泵池液位，考虑到加药控制部分、手动/自动切换和本地/远程控制等，经综合分析设计，本系统的plc硬件配置为电源模块(ps4054a)、cpu模块(cpu412—1)、数字量输入模块(sm421)和模拟量输出模块(sm432)各一个，两个数字量输出模块(sm422)，三个模拟量输入模块(sm431)，一个通信卡(cp5611)。其中的通信接口卡cp5611插在上位主机的pci插槽上。

　　2.3控制系统的软件设计

　　软件系统设计包括下位主机plc的控制软件和上位主机的监控软件的设计。plc控制软件的设计在西门子专用的step7编程软件环境下完成，主要包括硬件配置及参数设置、通信定义和用户程序的编写等。本系统的控制程序主要由主程序和磨给矿设备顺序控制、给矿量控制、给矿水控制、排矿水控制、泵池补加永控制、泵池浓度控制、泵池液位控制和电动阎伺服控制等子程序模块构成。每个子程序调用与否要根据上位机下传的相关控制参数进行判断。此外，还设计了1s中断程序模块01332和100ms循环中断处理程序模块0835，1 s中断程序0832用来实现磨机的模糊控制和参数报警功能，100ins循环中断处理程序0835则用来实现数据的采样和磨机参考电流值的计算以及磨机的“胀肚”判断等功能。本系统的主程序流程如图3所示”。

　　上位主机采用bbbbbbsxp操作系统，监控软件采用北京亚控公司的组态王软件开发。其主要功能包括磨矿工艺控制流图、控制面板操作、实时数据显示、设备运行状态显示、电动阀伺服操作控制、报警显示、历史趋势显示等。可实现控制系统的参数设定、设备启/停、控制方式选择和语音报警等多项功能。

3.主要控制方法

　　为保证控制系统具有高可靠性、高抗干扰能力，本系统采用了串级控制、模型控制、模糊控制、联锁控制、pid控制等多种控制方法，实现了磨矿分级的智能化控制。

　　3.1给矿**的pid控制

　　给矿量由给矿控制回路进行控制，该控制回路外围设备由皮带秤、振动控制器和振动给矿机组成。该回路的输出值直接控制振动控制器，并通过振动控制器调节振动给矿机的转速，通过控制振动给矿机的振动量来调节给矿量。该控制回路设有。自动/手动”控制方式，只有当运输皮带机和给矿机都启动后，该回路才起作用;当给矿机停止时，为了避免误控制，该回路自动变为“手动”方式。

　　3.2模糊控制

　　模糊控制是控制系统根据球磨机的运行状态自动调整给矿量和其他参数的智能控制。当在上位机中选择“模糊控制”时，控制系统将自动根据一段球磨机的电**及其变化规律，判断球磨机的运行状态，从而采取措施。模糊控制状态下，每隔30min改变一次给矿量给定值”。

　　3.3联锁控制

　　当在上位机中选择“联锁”控制方式时，控制系统处于联锁控制状态。这时给矿设备的启动或停止与一段球磨机负荷量联锁，当一段球磨机出现“胀肚”时，控制系统将自动停止给矿，待“胀肚”解决后，自动恢复给矿。

　　3.4给矿水**控制

　　给矿水**由给矿水控制回路进行控制，该控制回路外围设备由电磁**计、电动阀等组成。该回路的输出值直接控制电动阀开度，通过调节电动阀开度来控制给矿水量。该控制回路设有“自动/手动”和“数学模型”控制方式，选择“数学模型”控制方式时，给矿水的给定值将由数学模型自动算出。只有在自动控制方式下，“数学模型”控制才真正起作用。

　　3.5排矿水**控制和一段溢流浓度控制

　　一段磨机排矿水**由排矿水控制回路控制，该控制回路的外围设备由电磁**计、电动阀等组成。该回路的输出值直接控制电动阀开度，通过调节电动阀开度来控制排矿水量。

　　该控制回路设有“自动/手动”和“数学模型”控制方式，选择“数学模型”控制方式时，排矿水的给定值将由数学模型自动算出。只有在自动控制方式下，“数学模型”控制才真正起作用。一段溢流浓度的控制主要通过排矿水量来控制。一段溢流浓度控制回路主要由软件功能实现，但溢流浓度的给定值必须设定在工艺要求范围内。

　　3.6泵池补加水控制和泵池浓度控制

　　泵池补加水可以单独实现pid控制，其外围设备由电磁**计、电动阀等组成。该回路的输出值直接控制电动阎的开度，通过调节电动阀开度来控制泵池补加水量。

　　泵池浓度控制回路主要由密度计、pid控制器等组成，与泵池补加水控制回路共同构成串级控制(其主参数为泵池浓度，副参数为泵池补加水**)。只有在上位机中将泵池浓度控制回路设置为“串级”.并且将泵池补加水控制回路设置为“自动”控制方式时，串级控制才起作用。

　　3.7泵池液位控制

　　泵池液位是确保旋流器正常工作的重要因素。泵池液位过低，容易出现“抽空”现象;泵池液位过高。容易造成溢出。故泵池液位必须控制在一个适当的范围内，以确保旋流器稳定高效运行。

　　泵池液位控制回路主要由pid控制器、超声波物位计、变频器和泵组成。泵池液位通过超声波物位计检测。并通过控制泵**而控制，即控制泵的转速而控制。通过变频器控制泵，可以达到节能降耗的目的。

　　4结束语

　　本系统利用西门子s'/一400plc对大埙性、时变、非线性的磨矿分级过程实现了智能化控制。在控制过程中。采用了模糊控制、联锁控制、串级控制等多种控制方法，使系统具有控制精度高、调节速度快、抗干扰能力强、稳定可靠等特点。此外，本系统还实现了上位监控管理功能。该系统自2006年8月开始实施，同年“月开始投入生产运行，运行结果表明：该系统操作方便、控制灵活、质量可靠、功能强大，可实时准确地调节操作参数，进而**磨矿分级的工效和产品质量，经济效益和社会效益显著。