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西门子模块6ES7321-1FF10-0AA0

西门子扩充了旗下Simatic HMI（人机界面）面板中高性能精智面板家族的产品阵容，推出极其坚固的全新设备，以供在环Simatic HMI TP700和Simatic HMI TP1500精智系列户外面板正面采用防紫外线材料，防护等级达IP65，是冷藏间、船舶和石油天然气行业的理想之选。全新的精智系列户外面板的工作环境温度范围为-30℃到60℃，环境湿度可达90%，几乎能应用于任何环境和行业。7英寸和15英寸宽屏高亮显示屏，在各种光线条件下都清晰易读，可自动调节亮度在日光下可读的高分辨率7英寸和15英寸宽屏显示屏，其宽高比为16:9，屏幕色彩高达1600万色，能清晰地显示复杂的工艺参数和整个工厂的生产全景。高度防眩、广角可视及自动亮度调节功能使操作人员能轻松可靠地监控设备。这使得用户在多变的天气或光线条件下也可以正常读取数据。

可垂直安装并能存储足够的电能为优化工厂的空间利用，满足特殊的机器设计需要，新面板还可以实现垂直安装，方便以纵向模式进行操作。因为储存有足够的电能，即使在意外断电的情况下，几乎无需任何维护的精智系列户外面板也能够确保的数据安全，，保证所有的归档进程能够正常退出，并对数据进行备份。WINCC组态，旧操作画面可轻松导入目前，该系列面板正在申请应用于危险区域的Ex2/22和FM Class I Div.2认证以及船级社认证。我们通过工业以太网（Profinet）将面板集成到自动化解决方案中，并使用TIA 博途（TIA Portal）工程软件平台中的Simatic WinCC工程工具进行组态。此前为其他精智系列面板开发的操作画面可以便捷地应用到新款面板中，只需针对户外应用进行特定补充。此外，西门子还为这些坚固的设备提供长达22年的服务和支持。

凡是参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。目前，人机界面HMI在各个领域有着广泛的应用，但在使用人机面过程中，常常会遇到很多问题。针对这些情况，本文总结了人机界面在日常工作中常出现的故障及其处理的方法。
一、人机界面无响应，按触摸任何部位都无响应。
处理方法：遇到这种情况，首先检查各接线接口是否出现松动，然后检查串口及中断号是否有冲突，如果是由于冲突引起的，那么应调整资源，避开冲突。其次，检查人机界面表面是否出现裂缝，如发现有裂缝应及时更换。此外，还需要检查人机界面表面是否有尘垢，若有，用软布进行清除。观察检查控制盒上的指示灯是否工作正常，正常时，指示灯为绿色，并且闪烁。如果上面的部分均正常，可用替换法检查人机界面，先替换控制盒，再替换触摸屏，后替换主机。
二、人机界面正常但电脑不能操作。一台人机界面，经试验其本身一切正常，但接上主机后，电脑不能操作。
处理方法：对于这种情况，原因有二。其一，可能是人机界面驱动程序版本过低，需要安装的驱动程序。其二，可能是在主机启动装载人机界面驱动程序之前，人机界面控制卡接收到操作信号，只需重新断电后，再启动计算机即可。
三、触摸不准。一台表面声波人机界面，用手指触摸显示器屏幕的部位不能正常地完成对应的操作。
处理方法：这种现象有2种原因。一种可能是声波屏的反射条纹受到轻微破坏，如果遇到这种情况则将无法*修复；第二种可能是声波人机界面在使用一段时间后，屏四周的反射条纹上面被灰尘覆盖，可用一块干的软布进行擦拭，然后断电、重新启动计算机并重新校准。

计算机集散控制系统(DCS)从广义上讲，有仪表型、PLC型和PC型3种类型。其中，PLC由于具有非常高的工业可靠性而被广泛应用，特别是90年代以来，许多厂商的PLC增加了模拟量处理及PID控制功能。因而使其更具有竞争力，针对工业合成革生产DMF回收过程，设计开发了基于PLC-IPC结构的计算机集散式控制系统，并在实际应用中取得了良好的效果。然而，由于DMF回收工艺的特殊性，使得某些关键的工艺参数基于PID控制算法的控制效果并不理想，模糊控制在PLC上的实现方式基本分两种：一是通过专用的硬件实现，但其价格昂贵，并且需要使用专用编程设备，另一种实际采用较多的是通过软件实现，把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序完成模糊控制。

　　本文针对DMF回收过程中蒸发罐液位控制不稳定的现象，采用模糊控制方案，设计了一种通用的模糊控制器，利用STEP7软件，采用模块化编程方法，使用梯形图及语句表编制程序实现模糊控制算法，使模糊控制策略在s7-300PLC上得以较好地实现，

　　一、DMF回收工艺过程 

　　DMF回收过程属于典型的化工精馏过程，一般采用双塔精馏，包括脱水塔、蒸发罐和精馏塔等主要设备。采用原料预热、常压脱水、一段浓缩、汽相进料、真空精馏的工艺过程。

　　从工艺流程来看，蒸发罐处于两个塔之间，其内部状态受两塔影响较大。其恃点是工艺参数关联程度大，非线性程度高。对于蒸发罐的液位控制，从目前的情况来看，常规PID控制难于做到实时有效的监控，经常会出现控制不稳定、成份超标的情况。针对这种情况，设计了模糊控制方案，以此来提高控制效果。

　　二、PLC一IPC控制系统

　　DMF回收过程计算机控制系统以Siemens S7-300 PLC作为控制站，实现工艺过程参数的数据采集和控制算法的实施，采用IPC(工业控制计算机)作为上位机，在工业组态系统环境下实现对控制系统的监控操作。系统组成分为4部分:中央处理单元(CPU)、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、功能模块(FM)。

　　SM334为模拟量输入/输出模块，实现模拟参数的数据采集和输出;SM321为数字输入模块，采集现场开关参数数据;FM355C为智能控制模块，实现参数的PID控制。

　　三、模糊控制器的设计

　　DMF回收过程蒸发罐液位的模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理、清晰化接口4部分组成，蒸发罐液位模糊控制器以液位偏差E和偏差变化率EC作为输入变量，它们能够比较严格地反映受控过程中输入变量的动态特性，同时控制器设计简单，规则容易理解。输出控制量为U(阀门开度)，采用增量式算法。

　　模糊化接口通过尺度变换，将输入参数变换到各自的论域范围，再对其进行模糊化处理，基于对现场数据的分析以及液位的控制经验，E、EC的论域设计为[-6，-5，……，+5,+6],U的论域为[-7,……，+7]，均分为7个档级[NB，NM，NS，O，PS, PM，PB]。采用三角形函数作为隶属函数确定模糊语言变量的隶属度，可分别得到模糊变量E、EC和U的隶属度赋值表。

　　清晰化接口把模糊量转为执行机构可执行的量，采用大隶属度法，即μ(u*)≥μ(u)，u∈U ，μ是u的隶属度函数，u*是与大隶属度对应的模糊控制量的值。

　　知识库由数据库和规则库组成。控制规则采用基于IF-THEN(条件-结果)的产生式规则，其结构简单，易于修改和掌握，比较适合PLC编程，如: if E=NB and EC=NB then U=PB表示为:R1=NBE×NBEc×PBu。

　　总结液位控制经验，得出7×7=49条控制规则。

　　总的模糊关系为：R=R1∪R2∪…∪R49，R是模糊关系矩阵，"∪"表示取大。采用合成推理法U=(E×EC)oR，"×"表示求值积，"0"是合成运算符，这里采用大-小合成法。整个模糊推理过程计算量大，比较烦琐，借助计算机完成，后获得模糊控制量查询表。

    四、STEP7实现的模糊控制算法

　　Siemens s7-300PLC的编程系统STEP7提供了丰富的功能模块，为模糊控制算法的实现提供了方便。为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，PLC程序设汁采用了模块化编程方法。编程语言采用梯形图(LAD)和语句表(STL)结合的形式。主模块OB1实现对子程序块的调用和数据的传递，0B35为中断服务程序模块。FBl模块为模糊控制器，完成整个模糊控制功能。它由FCl～FC4 4个子程序块组成。其中FCl完成e(液位偏差)和ec(偏差变化率)的计算;FC2进行模糊化处理，即完成量e，ec到模糊量E，EC的转换;FC3完成控制量表的查询功能;FC4完成模糊控制量U到量u的转化，并输出u。FBl依次调用4个子模块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。FBl模糊控制器编制完成后，保存在STEP7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同STFP7中PID控制器(FB41)一样，方便调用。针对不同的被控变量，只要对FBl输入输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。数据块DB2作为FBl的背景数据块，存储量化因子Ke、Kec、Ku及其他参数。

　　整个程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3子程序块。在编程之前，将模糊控制量表中U的值按由上到下，由左到右的顺序依次置入数据块DBl中。数据类型为WORD型。首地址为DBWO，依次为DBW2、DBW4、…、DBW336(U的个数是13×13)。采用指针寻址的查表方法。为了简化设计，将输入模糊论域的元素[一6，…，+6]转化为[0，…，12]。控制量的基址为0，偏移地址为2×(l3×EC＋E)，由EC和E可以确定控制量的地址为0+2×(13×EC＋E)。

　　通过指针变量获得地址中存储的U的模糊值。

　　以下给出主要程序部分示例:

　　OB1主循环程序：

　　L PIW256https://从SM334读入液位数据，外设地址为PIW256https://

　　T MD0https://将采集的液位数据存入M存储区https://

　　L DB2.DBD14https://把DB2中量化因子Ke存入M存储区https://

　　T MD8

　　L DB2.DBD18https://把DB2中量化因子Kec存入M存储区https://

　　T MD12

　　L DB2.DBD22https://把DB2中量化因子Ku存入M存储区https://

　　T MD16

　　……

　　OB35中断子程序：调用FB1实现模糊控制

　　CALL FB1，DB2https://调用FB1https://

　　Fuzzy_On：=1

　　DB_No:=DB1

　　N:=6

　　PV:=MD0

　　SP:=MD4

　　Ke:=MD8

　　Kec:=MD12

　　Ku:=MD16

　　HLM_e:=1.000000e+001https://误差上限值https://

　　LLM_e:=-1.000000e+001https://误差上限值https://

　　……

　　e:=MD20https://液位误差值存入M存储区https://

　　ec:=MD24https://液位误差变化率存入M存储区https://

　　u:=PQW258https://把控制量的值输出到SM334，地址为PQW258https://

　　……

　　FC3子程序：实现模糊控制量表查询功能

　　L  P#0.0 https://利用指针寻址https://

　　L  #q4 https://q4中存放控制量的地址https://

　　SLD 3

　　+D

　　T#P1

　　L DBW [#P1]

　　T MW 10 https://将控制量U的值存入MW 10https://

　　后由FC4功能块实现控制量U从模糊量到量的转换，即U乘以量化因子Ku再经过限幅，将终计算结果送到模拟量输出模块实现控制作用。

　　应用了基于PLC的模糊控制器，蒸发罐液位控制效果较以前有很大改善，整定时间缩短，超调量缩小，控制稳定。

　　五、结 论

　　基于SIEMENS PLC实现模糊控制算法，既保留PLC控制的可靠、灵活等特点，又提高了控制系统的智能化程度。采用离线计算在线查询的方法将复杂的模糊控制计算融进查询表中，在实际控制中节省计算时间，使得控制算法简单明了。对于那些非线性、大滞后、数学模型难以建立的控制系统，基于PLC的模糊控制不失为一种较理想的可选方案.