西门子6ES7231-0HF22-0XA0功能介绍

随着农业科技的不断发展.气力式播种原理已运用于各种播种机械，由于具有播种速度快、效率高，且不伤种等特点.国内外自上世纪50年代起就开始了对该技术的研究?。但就已有的采用该技术作业的播种机.将近90%以上均采用气吸式播种.而气射式播种技术依旧处于试验研究阶段。刁培松等根据“射水成穴播种原理”提出了气射播种理论?.设计了气动射种机构，但该机构控制复杂，不利于推广。

　　近年来.单片机、PLC等多种控制技术应用到了农业机械领域中.以实现生产的控制化与自动化?。可编程控制器PLC(Programmable logic con.troller)主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成.是一种有较好的抗干扰性能、防震性能且操作简单、使用和维护方便、价格低廉的控制器。针对已有气射装置存在的问题，利用PLC控制器来实现对该机构射种过程的控制是一个很好的尝试。

　　1 已有气动射种机构工作原理及存在的问题

　　1.1 工作原理

　　已有气动射种装置结构[31如图1所示.用凸轮轴将气阀凸轮和气门杠杆凸轮同轴连接.为了保证射种装置的协调工作.在播种机地轮上安装一链轮.通过链条把动力传递到凸轮轴并驱动两凸轮转动。此外。在凸轮轴上安装另一链轮把动力传送到排种器上。以保证射种装置的协调工作。当排种阀在杠杆凸轮的作用下被打开时.排种器把适量种子从种箱中排出.并在重力作用下滑落到射种腔内部.随后杠杆凸轮由顶点转动至低点.排种阀在弹簧的作用下关闭.同时待气阀凸轮转到高点时，气阀打开，排出气体。在规定压力和**作用下，把种子射入到土壤预定深度，从而达到气动射种的目的。

　　1.2存在的问题

　　由上述工作原理可知.已有气动射种机构的排种器、气阀凸轮、排种阀杠杆凸轮的动力源均来自于地轮的驱动。因此.要使该机构完成一整套排种入射过程，对于动力源的要求是非常关键的：而播种机地轮的动力传递会因耕地地况的高低不平造成传动动力不稳定.加之地轮的滑移现象.会影响该机构排种与气压射种的传接配合.降低播种机的作业效率：此外.在播种过程中，需要操作人员不断地监控种箱种量及储气罐中剩余气压是否满足气动射种所要求的压力值.费时又费力。

　　2 PLC控制系统设计

　　2.1 系统结构

　　通过对已有气动射种机构的组成部件进行调整和更换.采用PLC可编程控制器实现对播种机作业过程的自动控制。将播种机的气门杠杆凸轮更换为牵引电磁铁.在种箱下部安装了步进电机并与排种器相连接.气阀凸轮更换为二位二通电磁阀：在种箱底部和储气罐出口处分别安装下料位传感器和气压传感器以实现对种箱种量和射种气体压力的控制检测：在排种阀杠杆下部安装一凸轮。通过播种机地轮上链条动力的传递驱动.安装一光电传感器并在凸轮的配合作用下发出信号.实现该机构排种过程与机组前进速度的同步控制。由PLC控制的气动射种机构组成如图2所示。

　　2.2控制系统硬件配置

　　气动射种机构控制系统主要由两部分构成。其中，启动按钮、停止按钮、下料位传感器、气压传感器、光电传感器组成控制信号输入端，步进电机、牵引电磁铁、二位二通电磁阀组成控制系统输出端，控制系统由拖拉机电瓶供电。该控制系统共需5个输入点，3个输出点，控制器所需的I/O点数较少。属于小型单机控制系统。设计中选用德国西门子公司生产的S7—200型PLC作为该机构控制系统的控制器。该控制器主机结构为整体式.上面有一定数量的I/O点。一个主机单元就是一个系统：可进行灵活扩展，当I/O点不够时。可增加I/O扩展模块：如果需要其他特殊功能.则可增加相应的功能模块。

　　图3是S7—200型PLC控制系统的输入、输出分配及信号接线图。

　　2.3基于PLC控制的气动射种原理

在设计的气动射种装置中.PLC控制器主要是对下料位传感器、气压传感器、光电传感器、牵引电磁铁、步进电机、二位二通电磁阀的感应、延时、通电和断电进行检测控制。如图2所示.按下启动按钮，经下料位传感器检测，若种箱种量充足.步进电动机得电工作，步进电机带动排种器转动使种子从种箱进入输种管.对步进电机可进行转速的调整，以实现对播种机构播量的控制。

　　凸轮随着播种机地轮链条的驱动而转动.凸轮与地轮转速比可通过田间作业需要进行调节，当凸轮转至高点时，遮断光束.光电传感器发出信号.牵引电磁铁通电带动气门杠杆将射种腔顶部的排种阀压下。种子依靠自身的重力通过排种阀进入射种腔。待通电延时4 s后牵引电磁铁断电，排种阀闭合;可通过电磁铁通、断电对排种阀开启与闭合的控制来实现对播种作物株距的控制。此时.若气压传感器没有发出气罐气压不足的信号.则二位二通电磁阀通电.气体由气阀进入射种腔，通电状态持续3 s。种子在高压气体作用下加速运动.随即射入土壤.完成一个射种过程。基于PLC控制的气动射种机构控制原理见图4。

　　3试验结果分析

　　通过对以PLC为控制系统的气动射种机构在播种深度及下料位传感器和气压传感器的检测可靠性等指标进行测定.分析判断PLC控制系统对该射种机构的实际控制效果。如表1所示。基于PLC控制的气动射种机构播种深度平均值为39.6 mm，合格率达93.2%，符合播种标准要求;下料位传感器和气压传感器对种箱种量和储气罐排气压力检测可靠性分别为96.7%、93.4%，**了气动射种机构的田间作业效率。

　　4 结论

　　与已有气动射种机构相比.基于PLC控制的气动射种机构系统工作**可靠.实现了播种过程的自动控制。试验表明.基于PLC控制的气动射种机构播种深度满足试验地33～46 mm的播种农艺要求：下料位传感器和气压传感器的检测率均达90%以上.可对气动射种机构播种时出现的问题判断容易直观，减轻劳动强度.**作业效率。随着气力式播种技术的不断发展.对播种机控制系统的要求也将日渐增高.而PLC控制器的扩展功能正适应于这一要求。本设计也为我国气射式播种机的播种过程控制研究提供了参考依据。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。

新一代的北京正负电子对撞机(Beijing E—lectron Positron Collider II，简称BEPCⅡ[1])及其探测器——北京谱仪(Bejing SpectrometerII，简称BESll[2])正在建造中。束流管位于BESI]I子探测器——漂移室(DC)的内筒里，正负电子经加速聚焦后在束流管中进行对撞，同时产生大量的热作用于束流管内壁，引起束流管外壁温度的升高，过高的温度或温度波动均会影响IX;的正常工作，物理实验要求束流管外壁温度控制精度为20土2℃，因此必须有安全可靠的束流管冷却系统对束流管进行冷却。为了保证BESⅢ的安全可靠运行，同时为了**BESII束流管冷却系统的控制精度，必须开发BESⅢ束流管冷却系统的自动监控系统，负责BESII束流管冷却系统的安全可靠运行。

　　1 BESⅢ束流管冷却系统工作流程

　　束流管由一个中心铍管和两个外延铜管三部分焊接而成，每一部分均为具有冷却腔的夹层结构，冷却介质从夹层冷却腔中流过实现对柬流管的冷却，其中中心铍管的冷却介质为1号电火花油，称之为一次循环冷却油，外延铜管的冷却介质为去离子水，称之为一次循环冷却水，对一次循环冷却水(或油)进行冷却的水称之为二次循环冷却水。相应的，BES Ill束流管冷却系统由一次循环冷却系统和二次循环冷却系统组成。如图l所示的一次循环冷却系统可以分为一次循环冷却油系统和一次循环冷却水系统，分别对中心铍管和左右铜管进行冷却。冷却过程中，从束流管流出的温度较高的一次循环冷却油(或水)进入到油箱(或水箱)，经换热器与二次循环冷却水进行热交换，成为温度较低的一次循环冷却油(或水)，进人束流管的中心铍管(或外延铜管)，带走束流管中的热量，流回油箱(或水箱)。

　　正负电子对撞过程中，作用于束流管内壁的热功率会随着束流管聚焦磁铁的安装精度、束流控制精度和束流性质的不同而改变，模拟计算表明，作用于束流管内壁的热功率小于750Wc。BESⅢ束流管冷却系统设计中，采用冷却介质定**的方案，但热载荷的不稳定必然会引起束流管外壁温度的波动，从而影响BESⅢ的正常物理实验。为了解决这个问题，在一次循环冷却系统的油箱和水箱中分别放置电加热器，对束流管内壁热功率的波动进行补偿，在大热载荷下，确定冷却介质的**值并固定不变，当热载荷变小时，采用PIE)控制电加热器的输出功率使油箱和水箱的温度恒定，在换热条件不变的条件下，保证束流管冷却液入口温度的稳定，减小束流管外壁温度的波动幅度。

　　图2为二次循环冷却水系统工作流程图，二次循环冷却水经换热器对一次循环冷却系统中的1号电火花油和去离子水进行冷却。为了保证BEPCII的连续正常工作，BESⅢ束流管冷却系统中的所有动力部件均采用冗余设计，互为备份。

　　2监控系统设计

　　2.1系统结构

　　可编程控制器(PLC)因为具有抗干扰能力强、指令丰富、数学运算和逻辑功能强、执行周期短、通信和扩展能力强、体积小、低能耗等优点，已经在工业控制领域得到了广泛应用。在BEPCⅡ工程中，使用PLC结合上位机监测软件实现对BESⅢ束流管冷却系统的计算机自动化控制。自动监控系统的硬件结构如图3所示：冷却系统中的压力、**和温度信号经探测器采集由显示仪表显示，同时转换为4～20mA的电流模拟输入信号进入PLC;PLC对关键点的压力、**、温度和液位监测，在进行逻辑运算和判断后发出压力、**、温度和液位等报警信号，并通过开关量对相应的外部设备(如油泵、水泵、冷水机)进行控制，同时通过模拟量来控制电加热器功率，保证油箱水箱温度恒定。

　　作为BESⅢ慢控制系统的一个子系统，BESllI柬流管冷却系统自动监控系统在实现对BESⅢ柬流管冷却系统独立监测控制的同时，还要实现与慢控制服务器的数据交换和通迅，将关键点参数、设备运行状态、报警信号等数据输送给慢控制服务器，对于一些关键的信号，本地PLC直接通过开关量输送给慢控制PLC。

　　2.2系统的硬件组态

　　BESI]I束流管冷却系统自动监控系统的设计主要是根据冷却系统中的温度、**、压力和液位来输出各项报警、控制油泵(水泵或冷水机)的切换、调节电加热器的输出功率。控制系统中有模拟量和开关量，分别为：

　　(1)模拟量输入：37个，采集温度、**、压力、液位等37个现场参数。

　　(2)模拟量输出：2个，调节油箱和水箱中电加热器的输入电压，以控制电加热器的输出功率保证油箱和水箱的温度恒定。

　　(3)开关量输入：14个，输入各个泵、冷水机、冷却水等是否准备就绪。

　　(4)开关量输出：17个，控制各个泵、冷水机的开启及各类报警信号输出。

　　根据计算存储器容量的经验公式：

　　Q=(1.1～1.25)×(DI×10+DO×5+AI/Ox 100)/1024

　　其中，Q为所需存储器容量，KB;DI为开关量输入信号个数;DO为开关量输出信号个数：A∥0为模拟量输入输出信号个数。计算得到所需存储器容量约为5 kB。

　　在保证系统性能可靠的前提下，选用两套西门子$7-200系列PLC及其扩展模块作为硬件构成的基础Is]。两套CPU之间通过PROFIBUS线缆实现数据交换。硬件配置如下：

　　(1)中央处理器为CPU224，直流输入、继电器输出型。本机具有14个开关量输入，10个继电器输出，8k字节的程序存储器，扩展能力多为7个模块。

　　(2)扩展模块为6台EM231，4台EM235。每台EM231模块提供4路模拟量输入，每台EM235模块提供4路模拟量输入和1路模拟量输出，可以根据需要设置输入输出类型为电流型或电压型，本系统中模拟量输入输出类型为4-20 mA的电流信号。

(3)考虑到系统可扩展性，电源选为西门子SITOP 5A专用电源，其输入120/230VAC，输出24V/5ADC。本监控系统中，所需的直流电源分为两部分，一部分是扩展模块的直流电源，每个扩展模块需要的工作电流为60 mA，1号CPU上扩展4台模块，共需要4×60=240mA，2号CPU上扩展6台模块，共需要6x 60=360 mA，扩展模块所需电源直接由西门子SITOP 5A专用电源提供;另一部分是外部传感器及开关量输入输出的直流电源，每个外部传感器所需的工作电流为20mA，共需要39×20=780 mA，每个开关量输入点所需的工作电流为4 mA，共需要4×14=56 mA，每个开关量输出点所需的工作电流为9mA，共需要9×17=153 mA，这一部分电源由另一台5A直流电源提供。将两部分电源分开供电，是为了避免继电器对扩展模块的干扰，以保证系统的可靠性。在直流电源的输入端接有10 A的小型空气断路器，起到过流、过热和短路保护的功能。

　　2.3控制软件的设计

　　BESm束流管冷却系统PLC终端软件是监控系统的核心，在Step 7-Micro/Win编程环境下以梯形图语言在PC机上编写，经调试编程后下载至PLC。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。主要由下列几个模块化程序组成：

　　(1)主程序：手动操作和自动操作模式的转换;通讯自检;监测各物理量是否超限并报警;PID控制模拟量的输出，调节电加热器的输出功率;两个CPU之间的数据传送。

　　(2)冷水机自动切换子程序：在冷水机发生故障时，两台冷水机进行自动切换。

　　(3)油泵自动切换子程序：在油泵发生故障时，两台油泵进行自动切换。

　　(4)水泵自动切换子程序：在水泵发生故障时，两台水泵进行自动切换。

　　(5)温度、**、压力和液位量程转换子程序：将输入的4～20 mA信号转换为相应的温度、**、压力和液位值，方便PC机上监测界面的显示。

　　BESm束流管冷却系统的自动监测系统流程图如图4所示。

　　2.4监测软件的设计

　　BESS束流管冷却系统自动监控系统的监测软件采用Controx 2000编写而成，能为值班人员提供系统的运行状态信息，并可以对某些参数进行设置和控制。当有异常状态发生时能立即给出声光报警，同时将所有的信息存人数据库供本地和远程用户实时或历史查询。具体功能包括数据的采集、远程控制、图形显示、存储、报警、实时和历史曲线显示、日志记录查询和报表生成等。其中当前报警是作为后台进程在系统启动时启动，设置参数、数据采集、数据库存储、日志记录、报警历史、实时曲线、历史曲线、日志查询等都是通过动态调用Ⅵ的方式调用。图5为自动监控系统的监测主画面。

　　本监控系统的监测软件功能有：

　　(1)参数配置

　　BESⅢ束流管冷却系统的自动监控系统参数配置主要有温度、**、压力、液位的报警标准设定以及油泵、水泵、冷水机的状态设定。

　　(2)实时曲线和历史曲线

　　用Controx提供的chart功能可以方便的实现实时曲线，通过读取实时更新的DATAPOOL中全局变量的值来获得实时数据。DSC模块提供了本地数据库存储的功能，历史曲线的显示直接调用DSC数据库中的数据。

　　(3)报警和出错处理

　　当出现报警时，系统将给出声音报警，并将报警信息显示到报警窗。当出现网络通讯中断等，系统也给出声音报警，同时将错误信息显示到错误窗，以便维护人员在短的时间内对错误进行处理，恢复系统的正常运行。

　　(4)日志记录和安全策略

　　当系统中出现报警时，相应的报警信息将被存储到日志文件，供系统维护人员查看系统运行状态。通过DSC模块提供的用户管理功能实现系统的安全策略，给不同的用户授予不同的权限，只有在用户输入密码登陆后才能获得其操作权限。

　　2.5 PLC控制系统的网络通讯

　　BESllI束流管冷却系统自动监控系统中采用的西门子S7—200系列PLC不仅支持简单的网络，而且支持比较复杂的网络，支持主一从通讯方式并且可以被配置为主站或者从站，通讯协议有点对点接口(PPI)、多点接口(御I)、PROFIBUS等。本监控系统中，两个CPU之间需要进行数据的传递，因此两个CPU必须配置为主从站，而PC机与PLC进行通讯时，需要将PC机配置为主站，PLC配置为从站，这就组成了复杂多主站通讯，使得Controx 2000跟PLC之间的通讯变得复杂和困难。OPC是一种用于过程控制的对象链接与嵌入技术，是在工业控制和生产自动化领域中常用的硬件和软件之间的接口标准，Controx 2000可以作为OPC的客户端支持OPC规范，西门子也提供了专门针对S7—200系列PLC使用的OPCserver—PC Access，这样通过OPC以第三方通信协议的方式实现了controx2000和西门子S7—200之间的间接通信，**了二者之间通讯性能，降低了维护难度。

　　在BEPCII工程中，BESⅢ束流管冷却系统自动监控系统中的两个PLC从站所处位置与主站PC机的距离约为50m，超出了西门子S7-200PLC系列Pc/PPI通讯编程电缆的3m距离，因此采用CP5611远程通讯卡实现PC机与PLC的CPU通讯口直接相连，以保证PLC与PC机的正常通讯。选用PPI通讯协议，波特率为9600。

　　3监控系统的可靠性研究

　　对于BEPCII工程来讲，监控系统的可靠性设计是为重要的。在BESⅢ束流管冷却系统自动监控系统的设计中，从硬件和软件的角度采取了如下的措施，以保证系统具备运行安全性和可靠性。

　　(1)硬件方面：

　　①强电和弱电分开走线，间距为大于15cm。

　　②电气元件采用全DIN导轨化设计。

　　③对总线通讯电缆的铺设采用冗余设计。

　　④PLC本身采用的光电隔离等抗干扰技术也是其他硬件线路所无法比拟的。

　　⑤信号采集线均为屏蔽电缆，电缆屏蔽层接地。

　　(2)软件方面：

　　①各传感器的信号读取后，采取持续数秒予以确认的方式，以消除瞬时干扰造成的数据误读，因此在软件中设置了温度、**、压力和液位延时报警参数项，防止误报警。

　　②软件设计中采用了通讯自检措施。PLC中的一个变量不断计数，Controx 2000读回此数与原始数比较，从而判读通讯网络的工作状态，保证控制操作的正确性和可靠性。

　　③涉及冷却系统安全性的重要信号均通过PLC开关量输出点以硬件信号传输给BES III慢控制系统。

　　@PLC的可靠程度要比一般的PC机高，所有的自动控制功能和报警信息的输出都由PLC程序完成，Controx程序只是进行监测、数据库记录等功能，即使PC死机，PLC程序同样能实现自动控制。

　　4结束语

　　本文根据北京正负电子对撞机升级改造要求，采用通用PLC技术，对BESm束流管冷却系统自动监控系统进行设计，实现对BESⅢ束流管冷却系统的自动控制，监测软件实现了人性化操作。同时，从软硬件两方面着手，采取一系列措施**系统的安全性和可靠性。目前，BESⅢ束流管冷却系统自动监控系统已经制作完成并投入到BEPC 11的工程调试中，运行结果表明，该监控系统满足BESm束流管冷却系统的工艺要求，自动化程度高，运行安全可靠。本工作得到高能物理研究所赵京伟老师的精心指导和有益讨论，在此表示感谢。