西门子模块6ES7232-0HD22-0XA0货期较快

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1 　引言 

　　可编手里逻辑控制器 plc 进入国内工业控制领域己近十年了，早期的 plc 由于受硬件的构成及软件环境的局限，其应用范围受到二定的限制。近几年来，随着微电子技术及计算机技术的高速发展， plc 产品高度融合了计算机产业新进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能上指标上得以大大的丰富和完善，从而突破了传统 plc 的概念，在中、小型控制领域内极大的扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型 plc 的突出的特点。 

　　a-b 公司是国际的工业产品制造厂商，其工业自动化控制产品以其高性能、高可靠性在工业控制领域有着其特定的地位。 a-b 公司的 plc 产品更是该产品领域的佼佼者。本文将通过介绍 a-b 公司的新型 plc 产品在南方某 3x125mw 机组电厂辅助装置中的实际应用实例，来介绍新型 plc 产品的先进功能与性能。 

　　2 　产品简介 

　　美国 a-b 公司的新型的 slc500/03 plc 系统，是 plc 产品领域中较先进的机型之二，除具有常规 plc 产品的基本性能外，它还具有以下的独特功能： 

　　强大的输入 / 输出信号支持能力， i/o 接口部分支持 960 离散点； 

　　丰富简单的集成化指令，处理器指令集 71 条，简单易学便于系统的应用及推广； 

　　多级工作状态指示显示，便于现场运行人员对系统的工作状态一目了然； 

　　高可靠性的性能设计，确保正常工作条件下，系统的维护量小。 

　　3 　工艺流程 

　　作为电厂工艺流程中二个重要的环节，化学水处理部分在整个电厂的自动控制系统中有着举足轻重的地位。它的工作状态将直接影响整个锅炉系统的安全性与经济性，并影响到整个电厂的工作稳定性与可靠性。化学水电气控制部分的各种控制阀门和联锁开关较多，其中任一环节的工作状态的稳定性和可靠性都将对整个化学水自动控制部分产生相送连的影响。 

　　针对这样的实际状况，我们在化学水的控制部分采用了由 plc 系统构成的程序控制，选用了 a-b 公司高性能的 plc 产品 slc-500/03 ，从而完成化学水处理部分的启动、停止、暂停、再启动以及相关电磁阀箱、风机、泵的控制。化学水部分的运行（送水）和再生指令全部自动进行。当某种水处理设备失效后，由检测仪表发出信号，把该设备从制水系统中解列，经过判断，确认具备再生条件时，自动投入再生。再生程序完毕，水质合格后自动把该设备并入到制水系统，恢复送水。 

　　选用 plc 系统构成了以下几个分系统： 

　　机械过滤器的程序控制系统；一般除盐系统的程序控制系统；混合离子交换器的程序控制系统 

　　下面以化学水处理部分一般除盐系统的程序控制为例，介绍其工艺及系统构成。 

　　对于电厂的化学水处理部分，除盐系统为系统中重要的一个环节，供往锅炉的水中含有微量的悬浮物、胶体物质和有机物质，它们的存在会直接影响锅炉的使用寿命和传输管道的安全，所以必须作前期的处理。 

　　它的处理过程为在化学水处理的过程中，加入特定的化学物质，从而与水中的有害成分发生化学反应，通过沉淀、过滤等方式将这些特质从水中分离出来。 plc 系统主要自动控制并完成整个除盐过程的中的阀门的启、停及相关管路中的开、闭等。并联运行固定床两极除盐系统工艺示意图如图1所示：

　　4 　实际应用：根据上述的化学水一般除盐过程的工艺流程，选用相对应的 plc 构成程序控制系统。除盐过程所涉及的开关量信号计有除盐水导电度、阳床钠离子、阳床 naoh 等相关的输入、输出点，故选用了 slc500/03中的离散量输入模块 1746-ib32 计三块，离散量输出模块1746-ib32计二块，继电器输出模块1746-0x08 计八块，构成的整个plc 自动控制系统如图2所示。 

　　按照上述的程序流程图，通过plc系统专用的程序软件包进行系统程序的生成，并投入正常的使用。（程序部分较长，略）  

　　5 　使用效果及经济效益：按照常规电厂输助设备控制系统的设计，化学水处理自动控制部分常常采用传统的按钮及继电器组组成。这样构成的系统，早期投入的费用相对较低，但由于所使用的元、器件和设备较多，相互之间的连接线及关系也较繁琐，无法从每二个环节上确定保证每一个独立部分性能的良好发挥和其可靠性，因而从长远运行的角度考虑，后期设备的维护上所发生的费用将远远超过选用plc 构成系统所发生的费用，这里还不包括由于这部分工作的不可靠因素从而造成对整个电厂的正常生产所带来的影响。我们在南方某电厂 3*125mw 机组化学水处理部分设计中采用了 plc 系统构成，由于该产品的优良特性，不仅在极短的工期时间内完成了该程序控制部分的安装与系统调试，而且由于产品的高可靠性，从而使该辅助系统投入运行一年多来，基本处于免维护工作状态，保证了整个运行机组的安全、可靠、稳定的运转，受到业主等多方面的好评。对于中、小型的控制系统，在条件允许的情况下，我们推荐选用新一代的 plc 产品。

一、纯水处理控制系统控制对象
　　本项目为苏州某公司纯水处理工程，由以下4个单元组成：预处理单元、碳滤备用单元、ro预处理单元、污泥处理单元。自控系统由两部分组成，其一为plc自动化系统，其二为计算机及触摸屏监控系统。系统要求能完成纯水处理的各项逻辑控制、状态监控等基本功能。
　　
　　二、系统硬件构成

   如图一所示，本方案是一个典型的profibus分散式远程站的结构，网络的拓扑结构为总线型，西门子s7-300 plc作为该网络的主站，在该网络中配置了8个远程从站。s7-300 plc的主机上有两个接口：mpi接口和dp接口。从图中可以看出，s7-300plc一方面，通过mpi网络和上位机（wincc系统）进行数据交换；另一方面，通过profibus-dp总线和从站进行数据交换。
　　上位机采用西门子的wincc 6.0作为组态软件，可以对系统数据进行采集、归档、报警记录等。八个从站中有四个是远程i/o站，采用的是创捷自己研制的和西门子产品完全兼容的profibus远程i/o产品，四个是供现场操作的 proface的触摸屏，它们通过创捷研制的profibus桥接模块连接到profibus总线上，以实现现场的数据设定和状态监视。
　　plc各站点硬件定义为：

    三、系统构架
　　整个系统的工作方式可分为自动和手动两种模式，在自动方式下，又分为系统全自动和软手操两种模式。系统全自动模式即一切皆由plc自动控制，软手操模式即必要的连锁由plc控制，设备操作可通过现场触摸屏或中控上位机来分别实施，二者的优先级是平等的，由plc来协调它们的显示和操作。整个系统既能实现单项处理设备的自动控制，也能实现整套工艺自动控制，中控室wincc系统用于实时显示设备状况、操作设备及自动保存、打印报警事件。

1　引　言　　
    在工业过程控制中，pid控制适合于可建立数学模型的确定性控制系统。但在实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定的系统，使pid控制器的参数整定烦琐且控制效果也不理想。近年来，随着智能控制技术的发展，出现了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制对象的jingque数学模型，而是根据控制规则决定控制量的大小。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果。plc具有很高的可靠性，抗干扰能力强，并可将模糊控制器方便地用软件实现。因此，用plc构成模糊控制器用于油田的污水处理是一种新的尝试，不仅使控制系统更加可靠，而且取得了较好的控制效果。

    2　污水处理工艺简介　　
    目前我国许多油田处于二次采油期，即注水开采期，所采的油中含有大量的污水。油田污水处理的目的是将处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力，防止注入水和返回水腐蚀注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地层结垢。其处理方法是使用a、b、c三种药剂，其中a剂为ph值调整剂，b剂为沉降剂，c剂为阻垢剂。其工艺流程方案如图2—1所示。根据工艺要求，关键是在混合罐中对污水添加a剂提高污水的ph值（即控制ph2）以减少腐蚀。添加b剂可加速污水中絮状物的沉淀。添加c剂可减缓污水在注水管和油管中的结垢。该系统属非线性、大滞后系统，其对象的jingque数学模型难以获得，采用pid反馈控制效果不是很理想，且采油联合站都位于偏僻的地方，环境恶劣。因此，该污水处理系统采用了基于plc的模糊控制来提高系统的控制精度和可靠性，从而满足工艺要求。

 3　模糊控制原理
    控制系统采用“双入单出”的模糊控制器[1]。输入量为ph值给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压u。图3—1为模糊控制系统的方框图［2］。控制过程为控制器定时采样ph值和ph值变化率与给定值比较，得ph值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为plc控制器的输入变量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使ph值保持稳定。

模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。e和ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，u为模糊控制量，u为u解模糊化后的jingque量。

    3．1　输入模糊化
    在模糊控制器设计中，设e的词集为［nb，nm，ns，n0，p0，ps，pm，pb］［3］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］；ec和u的词集为［nb，ns，nm，0，ps，pm，pb］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］。令－1），ph0表示期望值。然后，将e、ec和u模糊化，根据ph值控制的经验可得出变量e、ec和u的模糊化量化表。表3—1为变量e的赋值表。

 3．2　模糊决策和模糊控制规则
    总结污水处理过程中ph值的控制经验，得出控制规则，如表3—2所示。选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，
以系统的稳定性为主。例如，当ph值低很多，且ph值有进一步快速降低的趋势时，应加大药剂的投放量。可用模糊语句实现这条规则（ife＝nb　andec＝nb　then　u＝pb）。当误差为负大且误差变化为正大或正中时，控制量不宜再增加，应取控制量的变化为0，以免出现超调。一共有56条规则。每条规则的关系rk可表示为：

7）根据每条模糊语句决定的模糊关系rk（k＝1，2，…，56），可得整个系统控制规则总的模糊关系r。

 3．3　输出反模糊化
    根据模糊规则表取定的每一条模糊条件语句都计算出相应的模糊控制量u，由模糊推理合成规则，可得如下关系：

以此得出模糊控制量，如表3—3所示。然后依据大隶属度法，可得出实际控制量u。再经d／a转换模拟电压，去改变变频器的输出频率n，通过加药泵控制加药量调节ph值，从而完成控制任务。

    4　模糊控制算法的plc实现　　
    在控制系统中选用了omron公司的cqm1型plc。首先将模糊化过程的量化因子置入plc的保持继电器中，然后利用a／d模块将输入量采集到plc的dm区，经过限幅量化处理后，根据所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出值，由d／a模块输出对ph值进行控制。

    4．1　模糊控制算法流程
    （1）将输入偏差量化因子ke、偏差变化率量化因子kec和输出量化因子ku置入hr10～hr12中。
    （2）采样计算e和ec，并置入dm0000和dm0001中。
    （3）判断e和ec是否越限，如越限令其为上限或下限值。否则将输入量分别量化为输入变量模糊论域中对应的元素e和ec并置入dm0002和dm0003中。
    （4）查模糊控制量表，求得u。
    （5）将u乘以量化因子ku，得实际控制量u。
    （6）输出控制量u。
    （7）结束。

    4．2　查表梯形图程序设计
    在模糊控制算法中，模糊控制量表的查询是程序设计的关键。为了简化程序设计，将输入模糊论域的元素［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］转化为［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，将模糊控制量表中u的控制结果按由上到下，由左到右的顺序依次置入dm0100～dm0268中。控制量的基址为100，其偏移地址为ec×13＋e，所以由e和ec可得控制量的地址为100＋ec×13＋e。梯形图程序如图4—1所示。其中dm0002和dm0003分别为e和ec在模糊论域中所对应的元素，mov＊dm0031dm1000是间接寻址指令。它将dm0031的内容（即控制量地址100＋ec×13＋e）作为被传递单元的地址，将这个地址指定单元的内容（即控制量u），传递给中间单元dm1000再通过解模糊运算得u，然后由模拟输出通道传送给d／a转换器。

5　结　论　　
    将模糊控制与plc相结合，利用plc实现模糊控制，既保留了plc控制系统可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。结果表明，对于那些大滞后、非线性、数学模型难以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系统，基于plc的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。只要选择适当的采样周期和量化因子，可使系统获得较好的性能指标，从而满足控制性能要求。

0 引言
    在不锈钢薄板加工成型的生产中，不锈钢板材直接折边成型会在拐角形成弧角的效果，在某些情况下，人们不需要这种效果。如果在进行薄板的折弯加工之前，首先在薄板上折弯处先开出一道v型沟槽，然后再进行折弯，这样就可以加工出来没有弧边的棱角效果。

 
    针对这种应用，人们研制出了“v型刨槽机”，为了提高这种机器的生产效率和加工精度，必须在机器上安装自动控制系统。本文介绍的是笔者用plc+hmi+交流伺服电机开发的针对这种“v型刨槽机”的一种控制系统。
0.1 工艺技术要求
    由于在这种刨槽机上加工的板材一般都比较薄，为了保证折边处有足够的强度，刨槽的深度不能够很深，所以控制精度要求很jingque；同时，为了提高工件的折弯尺寸精度，对沟槽的长度和位置控制也要jingque。综合以上因素考虑：整机的设计精度要达到mm。根据工艺技术特点，工件的加工需要在x ,y, z三个方向上分别进行控制。其中x轴：沟槽的长度；y轴：沟槽在板材上的位置；z轴：沟槽的深度。
具体如下图所示：
 

0.2 控制要求
    0.2.1为了降低对操作人员的文化水平的要求，必须简化参数设定，采用友好的人机对话界面，能够方便的控制机器的运行，能够监视机器的运行状态。
    0.2.2 另外为了提高机器的智能化水平，在本机器上开发了具有文件存储和管理的功能。这样就可以方便的以配方的形式进行不同工件加工参数的管理。数据存储要求以工件的编号作为数据组（可多达50组），每一个工件编号对应一组工件的参数：长度，厚度，刨削起点，开槽位置，沟槽深度（一条沟槽多可以分10刀进行刨削，每一次进刀深度设定范围在0~0.99mm）等等。所有的参数可以随时修改，随时存储。加工时，通过设定工件的编号来调用参数，也可以按照重新设定的新参数来加工工件。
 

 

0.2.3 机器的工艺控制上要求机床有手动和自动功能。手动时，机床每次只在一个固定的位置（可以任意设定）上刨一道槽。自动时，机床可以根据设定的工件号调用长度，厚度，刨削起点，开槽位置，沟槽深度等参数，在板材上自动刨出合乎要求的沟槽。
 
   1 方案确定
    综合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求较高（mm），所以应当采用步进电机或者是交流伺服电机作为执行机构。控制系统可以有多种选择：数控系统，计算机+运动控制卡，hmi+plc等。
执行机构的选型：
    步进电机的优点是价格要比交流伺服电机便宜，缺点是它高速力矩特性较软，会限制运行速度的提高，从而影响机器的工作效率的提高。而交流伺服电机则能够胜任高速运行，所以从提高工作效率的角度来说选择交流伺服电机作为执行机构能够提高设备的适用范围，从而提高设备的市场竞争能力。
    控制系统的选型：
    专门的数控系统优点是功能很全面，适用于复杂的运动控制，价格比较高，重要的是它对操作人员的要求比较高，而在这里的控制程序单一，不需要操作人员经常的改变控制程序，所以不适合用在小型机床。
微型计算机+运动控制卡这种方案，硬件成本比前者要低一些，但是控制软件的稳定性对操作系统依赖性很强，操作系统一旦瘫痪，将直接影响生产的进行。另外计算机对环境要求高，体积大，可移动性差，不适合安装在小型机床上。
    hmi和plc 本来就是面向工业环境设计的高稳定性产品，物理尺寸非常适合安装在小型机床上，价格上也比较便宜。控制软件开发采用简单易学的ld梯形图语言，控制系统软件的开发，调试很容易，plc运行非常稳定，几乎不需要程序维护。比较而言: hmi+plc的方案应该是好的选择 。

2 硬件系统
硬件方案图：
 

  
2.1 控制回路
    包括按钮，指示灯等。二次回路采用dc24v，串入急停按钮控制动力回路接触器，直接控制供电系统的安全运行。
2.2 供电系统
     伺服驱动动力电采用ac380v供电，由接触器控制。一台可以输出电压为dc24v的开关电源。提供人机界面电源、plc的输入信号电源。二次控制回路单独使用另一路dc24v开关电源。
伺服动力电源是三相ac220v的制式，所以要提供一台380-220干式变压器，作为电压的转换。
    plc电源是ac220v等级的，可以从ac380取一相使用，但考虑到电源隔离以后，电源的质量有一定的提高，对plc有利，因此从380-220干式变压器输出端取两相使用。
2.3 hmi系统
 
    hmi是整个机器与操作人员进行交流的界面，在满足技术要求的基础上要考虑易于操作，外形美观大方。这里选用omron的ns10（10寸）真彩触摸屏，支持全中文显示，荧屏宽大，文字清晰，颜色丰富，操作简单。数据的设定，存储，记录，机器的运行状态监视和控制都很方便。
hmi与plc采用rs232串行通信(sysmac way协议)连接。
2.4 plc系统
    
    plc是整个控制系统的核心，它联系着hmi和底层现场设备伺服驱动系统的运行，要求性能可靠，功能上要能够方便的实现与hmi和伺服驱动系统的连接。本系统选用omron的cj1m系列小型plc。cpu内置2路100khz高速脉冲输出，实现x轴，y轴的运动控制，此外配置一个nc133位置控制模块，实现z轴的运动控制。开关量输入/输出各选用一个16路输入/输出模块。设备的整个工艺流程的控制主要采用ld（梯形图）语言编写程序来实现。为了实现运动控制的要求，某些地方需要较为复杂的数学运算，为了实现这部分功能，笔者自己用st语言编写并把这部分封装在功能块（fb）里面，供ld调用。
2.5 伺服驱动系统
伺服驱动器和交流伺服电机，x轴、y、z轴各一套。伺服驱动系统选用安川的伺服驱动系统，这里采用“脉冲＋方向”控制模式，接线从plc或者nc位置控制模块的高速脉冲输出口引出，接入伺服驱动器的脉冲输入口，以及方向信号。
2.6 传感器
为了保证各个轴的正常和安全的运行，需要在每个轴的两端分别安装一个接近开关，作为轴的极限位置传感器，防止运行范围超出，造成设备损坏。本设备所有的伺服控制系统均采用坐标，在每个轴上还要单独设置一个零点开关，作为坐标轴的零点位置。

3. hmi软件系统
在人机界面上开发出以下画面：
3.1 主页面
展示生产厂家及机床的信息，力求简洁明了，美观大方。
3.2 手动页面
手动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。
3.3 自动页面
自动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。
3.4 确认页面
参数的修改或调用时需要弹出确认提示页面，以保证对工件参数的操作的正确性。主要用在一些关键数据的读取和写入前的确认提醒，防止操作人员对数据的错误读写。

4.plc软件系统
4.1 软件采用ld语言编写，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序维护：
4.1.1 信号输入段
负责输入信号的采集和管理，逻辑的简单转换。
4.1.2 模式转换段
负责管理手动/自动模式的切换，保证系统在两种模式下正常的运行。
4.1.3 数据管理段
负责hmi与plc之间的数据传输，存储和调用管理，还包括传递从hmi上发出的操作指令。
4.1.4 脉冲输出段
负责plc对伺服系统发出正确的脉冲指令，确保交流伺服电机按照规定的方向和位置进行运动。
4.1.5 逻辑控制段
负责整个工艺流程的逻辑控制，对液压等机械执行机构进行控制，保证动作按程序正常执行。
4.1.6 信号输出段
负责所有需要输出的信号进行管理和逻辑转换。
4.2 软件系统流程
 

5.注意事项
    交流伺服系统是强电系统而且是高电磁辐射源（尽管它们有emc认证，还是不能的避免电磁辐射的产生），而plc，hmi以及它们之间的通信连接是典型的弱电系统，很容易受到强电磁辐射的干扰，因此在硬件布置上要尽量增加强电系统与弱电系统之间的安装距离，减少电磁干扰带来的不利影响。同时考虑通信电缆与动力电缆之间的安装方式，一般遵循这样的原则：通信电缆采用屏蔽电缆，并且要单点（在信号的接收处）屏蔽层接地；交流伺服的动力电缆好也要屏蔽，并且在伺服驱动器的这一端进行屏蔽层接地，电缆长度尽量的短；通信电缆与动力电缆尽量避免近距离平行布线，如果无法避免平行布线，二者距离要求>=20cm。