6ES7223-1BH22-0XA8千万库存
1 引言
近年来，随着计算机技术的迅速发展，对科研实验效果的要求也越来越高。在冶金行业中金属塑性热加工过程的研究中，要求能够jingque的测量实验数据，同时又能对即将使用在生产线上的各种传感器、执行器进行测控，以便对其性能进行评估，为终安装在生产线上能可靠运行提供保障。但被测量的信号或被控制对象所处的位置是不同的，如测量一个钢块在被加热过程中，不同位置的点的温度变化时，要在加热炉附近进行。而测控一个伺服阀的性能要在液压站附近进行，为此我们开发了一套可以对多种信号进行测量，也可以对某些对象进行闭环控制的测控车。
具体地说，此测量车可以测量压力、扭矩、liuliang、速度、位移、电压、电流以及钢板温度等信号。可以对伺服阀、液压马达、加热炉、水幕(或集管)冷却水的liuliang等进行闭环控制。
2 系统的硬件构成
整个测控车控制系统包括两部分，即测量控制部分和数据处理及分析部分。测量和控制部分采用西门子公司S7-300系列PLC，选择CPU-315-2DP作为控制器，与ET200组成PROFIBUS-DP网，以便于对分散的对象进行控制时减少接线。选用6ES7 331-7KF02多功能模拟量输入模块做信号采集，因为此模块可以采集热电偶信号，电压信号和电流信号。模拟量输出模块选择12位精度的6ES7 322-5HD01。
数据处理及分析部分采用为工业控制计算机，通过美国NI公司提供的PC-1500PFB PROFIBUS通讯卡，实现上位机与控制器之间的数据交换。软件采用该公司的图形化软件LabVIEW7.0。硬件配置见图1所示。
图1 控制系统硬件配置
3 系统的功能原理
该测量车机械结构紧凑、移动灵活、接线方便。另外ET200M部分为一个单独的控制箱，它与CPU之间只有一条数据线，因此可以放在与测量车有一段距离、靠近被控制点附近。
该测量车可以对被测量进行短时或长时间的测量，并将数据通过PROFIBUS总线保存在上位机中，之后对数据进行绘制各种曲线、拟合、回归等处理，还可以打印报表等。可以快速地记录闭环控制过程中的Setpoint值、Process Variable值、偏差值和PID输出值，以便对被控对象的性能，控制效果等进行分析和评估。
该控制系统的硬件控制器为S7-300系列的CPU315-2DP，具有速度快、可构成DP网的特点。模拟量输入模块采用331-7KF02，该模块通过改变其侧面的4个小方块的安装方向，来改变所测量信号的种类，即电压、电流、热电偶信号。每一个小方块控制两通道，共8个通道。另外在STEP7的HardWare Config中，在331-7KF02的属性里也要选定与小方块指示相同的信号类型。在硬件接线方面，要将331-7KF02模块的前连接器的第10、11脚短接，并连接到每个通道的负端。这样才能正确地测量到信号。模拟量输出信号选用322-5HD01，其输出可以选择电压或电liuliang方式。
计数器选用FM350-2，具有8个通道。开关量输入模块为321-1BL00-0AA0，即32点，24VDC。开关量输出模块为两种:一种是322-1BL00-0AA0，32点，24VDC;另一种是322-1HF01-0AA0，为8点继电器输出，可以直接控制电流较大的负载。
4 系统软件
测量和控制部分的软件为西门子公司的STEP7 5.2，该软件编程直观快捷，函数功能齐全，调试方便。软件结构是根据不同的任务分为若干个子程序，通过上位机传送的不同参数，或控制面板上的转换开关来启动相应的程序，如图2所示。如在温度测量的程序中，分为测量热电偶的温度mV信号和测量来自红外线测温仪的4～20mA电流信号，不同类型的信号，其标度变换将调用不同标定子程序。在控制部分中liuliang控制和位移控制也是不同的子程序。
图2 系统软件任务分配
上位机的软件为LabVIEW7.0，通过PC-1500PFB PROFIBUS通讯卡于PLC交换数据。该软件具有运行速度快，数据分析和数据处理的函数齐全，编程速度快，界面友好等特点。在人机界面中，对各种类型的测量和控制的试验进行编码，当操作者选择了相应的实验后，通过通讯将该实验编码及相关的参数一起发送到PLC中的特定DB块中，PLC程序得到实验编码后进行初始化，然后等待操作者按下启动按钮，程序才能真正地运行。在测量和控制中采集到的数据以数组的形式存放在不同的数据块中。上位机在传送完实验参数后，将运行数据接收子程序，将PLC中DB块内的实验过程数据获得并存储在上位机中，同时在上位机可以实时显示这些数据。
该测控系统中包含了许多子程序，现将其中的2个为例说明编程思想。
4.1 增加、停止、减少子程序
增加、停止、减少子程序如下:
AN #minus_signal
JC dec
L #reference
L #step
+I
L #max
>I
JC out1
TAK
out1: T #reference
BEU
dec: AN #plus_signal
BEC
L #reference
L #step
-I
L #min
<I
JC out2
TAK
out2: T #reference
BEU
该子程序是利用开关量，以脉冲计数的方式产生数据。具体方法是利用2位自返回开关(左为减少，右为增加)，在每个调用周期中增加或减少一个数的方法产生数据，可以作为一个控制量的设定值。在调用该子程序时，将产生的数据限制在一个范围内，就能方便的使用了，这样使用开关量就能完成模拟量的设定。
4.2 数据采集标定公共子程序
在此程序中，只需要输入测量值、该信号的工程量大值和小值，即可将数据转换为相应的工程量值。编程的公式为:
Y_Real=(Y2-Y1)/(X2-X1)×(X_Real-X1)+Y1 (1)
其中，Y1、Y2分别为工程量的小值和大值。
数据采集标定子程序如下:
L #X_Real
L #X1
<=R
JC Min
L #X_Real
L #X2
>=R
JC Max
L #X2
L #X1
-R
T #T_Real01
L #Y2
L #Y1
-R
L #T_Real01
/R
T #T_Real02 //计算的斜率值
L #X_Real
L #X1
-R
L #T_Real02
*R
L #Y1
+R
T #Y_Real
SET
SAVE
BEU
Min: L #Y1
T #Y_Real
SAVE
BEU
Max: L #Y2
T #Y_Real
SET
SAVE
BE
4.3 软件的调试
在软件的调试过程中，要对有关组织块的功能进行详细的阅读，以便合理地运用到自己的程序中，增强程序的容错能力。如当系统中模块或 I/O出现故障，CPU将会调用 OB85，并不会使整个程序停止。当出现DP网错误时，CPU将调用OB82。在这些组织块中并不需要编程序，只要将其放在程序中。
另外SIEMENS公司提供的Step7模拟器对于离线调试程序具有很大的帮助。
1 引言
电杆成型离心机多采用三相并励式整流子电动机具有启动电流小、启动转矩大并能调速的特点。但整流子电动机结构复杂、换向困难、维修成本高，调试繁琐，空载电流曲线图调试不好时，会在换向器表面形成较大火花，影响电动机正常运行，缩短电动机运行寿命。
通过对某电杆厂现场的调研，我们发现以下问题:整流子电动机经过多年的运行，整流子磨损严重，平均无故障连续运行时间缩短，几乎每月都需对整流子和炭刷进行研磨和更换，绕组因整定调试不好也易烧坏，绕组烧坏大修成本和新购一台37kW鼠笼感应电动机相近;电杆成型操作流程与标准工艺流程存在一定差距，不同规格的电杆离心成型时，离心速度变换、离心成型的时间是靠操作者手工调动整流子电动机的变速机构完成，这样人为因素太高，给产品质量留下很大隐患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和厂家的要求，我们对混凝土电杆的配料、搅拌、电杆离心成型电气控制系统进行重新设计，本文主要阐述基于PLC电杆成型离心机自动调速系统取代原整流子电动机的控制系统的设计。
2 混凝土电杆成型工艺
当电动机带动钢模旋转产生的离心力等于或稍大于混凝土的自重力时，混凝土克服重力的影响，远离旋转中心产生沉降，并分布于杆模四周而不塌落，当速度继续升高时，离心力使混凝土混合物中的各种材料颗粒沿离心力的方向挤向杆壁四周，达到均匀密实成型。电杆离心成型的工艺步骤分为三步:低速阶段(分布阶段)2～3min，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落;中速阶段0.5～1min，防止离心过程混凝土结构受到破坏，是从低速到高速中间的一个短时过渡阶段;高速阶段(密实阶段)6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段运行速度图如图1所示。
图1 离心机运行速度图
各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同。转速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一开始便会使混凝土挤向模壁四周而失去流动性，不能均匀分布成型。例如在密实阶段，转速太低，混凝土不够密实，转速太高则加剧分层，影响其强度和密实度，甚至损坏设备造成事故。因此，应严格控制各阶段转速，才能保证成型质量。按照工艺标准，分布阶段转速应为:
密实阶段转速为:
中速阶段的转速为:
式中r为电杆的平均半径，r1、r2为电杆内、外半径，p为离心压力，取p=0.3~0.7，理论计算的值需结合具体设备技术条件加以修正、整定。
3 自动调速控制系统的设计
针对原控制系统的弊端和生产工艺的分析，采用普通三相感应电动机取代整流子电动机，电动机的调速采用变频调速方案，多种规格的电杆以及它们不同阶段的离心速度、运行时间采用PLC控制变频器的自动调速控制方案。
3.1 交流电动机的选型
原整流子电动机的型号为JZS，功率40kW，为恒转矩变功率调速方式，速度从160～1400r/min变化，相应的功率从13.5～40kW变化。按整流子电动机负载运行实测电流以及离心机负载大静态阻转矩T、离心机的高旋转速度n、传动装置的效率η，由式 
计算，所需交流感应电动机的功率小于并接近37kW，故选用Y225S-4，37kW(额定电流69.9A，额定电压380V，额定转速1480r/min，功率因数0.87)三相交流感应电动机取代原整流子电动机。
3.2 变频器的选择
按变频器的基本选用规则:变频器的容量大于负载所需的输出，变频器的容量不低于电动机的容量，变频器的电流大于电动机的电流，并经变频器容量选用公式
验算(Pl为负载功率，PN为电动机额定功率)，可选用37kW的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统的稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电动机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器[1]。
3.3 变频器控制及参数设置
变频器的控制采用模拟输入控制方式，为检测离心机运转情况设置点动检测按钮。离心机运转速度较高，是大惯性负载，在停车时为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，限制回馈电流，并且将斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式:
选取，式中Ud为变频器直流侧电压，IN为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电动机配套的制动电阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
参数P1300设置为无速度反馈的矢量控制方式，在这种方式下，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以tigao电动机的转矩。参数设置时应合理使用调试参数过滤器P0010和参数过滤器P0004，设置电机参数、端口功能参数，完成变频器参数设置。
3.4 PLC自动控制系统
混凝土电杆的配料、搅拌、离心成型三个环节采用一台PLC集中控制，根据输入和输出所需的点数、控制性能要求，选用西门子S7-200(CPU224)小型PLC外加数字量输入模块(EM221)和模拟输出模块(EM232)组成核心控制单元。
S7-200(CPU224)小型PLC有14个输入点，10个输出点，可带7个扩展模块，运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。[3]EM232模拟量输出模块有两个模拟量输出通道，每个通道模拟量的输出方式有电压信号、电流信号，本次设计采用电压输出方式。模拟量输出模块输出的模拟电压0～10V，对应的电压输出数据字格式为0～32000，可对应变频器输出电源的频率为0～50Hz、电动机的转速为0～1480r/min。
由PLC控制变频调速控制系统原理图如图2所示。运行开关合上使接触器KM闭合，接通变频器电源，变频器若发生故障KA线圈得电，KA常闭触点断开使接触器KM线圈失电，切断变频器电源并由KA触点接通报警信号电路。停止按钮为事故紧急停车按钮。按下起动按钮，Q0.0闭合，接通变频器使能端(Din1)。Q0.0闭合后，PLC根据所编运行程序，由EM232输出相应的模拟量电压信号控制变频器，变频器控制电动机在不同转速下运行，同时变频器给出运行指示。点动按钮控制Q0.1，作为离心机检测调整。
图2 PLC控制变频调速系统电气原理图
标准混凝土电杆的规格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等规格，不同规格的电杆内外半径不同，按照工艺质量标准，它们在离心成型过程各阶段的速度、运行时间是不同的。在编程之初，先按工艺标准将所需各段的转速按照它们的比例关系换算为对应的数据字形式，在编程和程序初始化运行时将其输入到变量存储器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理论计算的速度在运行调试时根据实测值转速值加以修正。PLC控制离心机程序流程图如图3所示。
4 结束语
将PLC与变频器结合用于整流子电机拖动的离心机改造，改造后的机组经运行表明:tigao了机组运行平稳性，
图3 PLC控制离心机程序流程图
增加了工作可靠性，减轻了操作者劳动强度、tigao了操作安全性;尤其是将多种规格电杆离心速度参数输入PLC程序中，使电杆成型工艺标准得以实施，避免了原手动调速的不安全性和随机性，tigao了产品质量;以整流子电动机在佳运行曲线时的电流和采用变频调速时额定电流相比，可节电12%;由于将电杆的配料、搅拌、离心成型均采用一台PLC自动控制，自动化程度大幅tigao，岗位定员额可减少1～2人。本次技改总投资5万元，但给企业产生的效益数倍与此。
1 引言
在工业生产中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、liuliang等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例－积分－微分控制的简称，具有
(1) 不需要jingque的控制系统数学模型;
(2) 有较强的灵活性和适应性;
(3) 结构典型、程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
2 PLC实现PID的控制方式
2.1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
3 PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值，pv(t)是反馈量，c(t)是系统的输出量，PID控制的输入输出关系式为:
式中:
M(t)—控制器的输出量，M0为输出的初始值;
e(t)=sp(t)-pv(t)－误差信号;
KC比例系数;
TI－积分时间常数;
TD－微分时间常数。
图1 连续闭环控制系统方框图
式(1)的右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差，误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。
假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t＝0，用矩形积分来近似jingque积分，用差分近似jingque微分，将公式1离散化，第n次采样时控制器的输出为: 
(2)
式中:
en-1－第n-1次采样时的误差值;
KI－积分系数;
KD－微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示。图中的虚线部分在PLC内。其中spn、pvn、en、Mn分别为模拟量在sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第n次采样时的数字量。
图2 PLC闭环控制系统方框图
在许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样，对于PID指令的输出，在将其送给D/A转化器之前，也需进行转换。
3.3 回路输入的转换
转换的步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数，可用下面的程序实现这种转换:
XORD AC0, ACO
//清除累加器
MOVW AIWO, AC0
//将待转化的模拟量存入累加器
LDW＞＝ AC0, 0
//如果模拟量数值为正
JMP 0
//直接转换成实数
ORD 16#FFFF0000, ACO
//将AC0内的数值进行符号扩展，扩展为32位负数
LBL 0
DTR AC0, AC0
//将32位整数转换成实数
转换的下一步是将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准化实数，可用下面的式(3)对给定值及过程变量进行标准化:
RNorm=(RRaw/Span)+Offset (3)
式中:
RNorm－标准化实数值;
RRaw－标准化前的值;
Offset－偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5;
Span－取值范围，等于变量的大值减去小值，单极性变量的典型值为32000，双极性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性实数(其Span=64000)转换成0.0~1.0之间的实数:
/R 64000.0， AC0
//累加器中的实数标准化
＋R 0.5， AC0
//加上偏移值，使其在0.0~1.0之间
MOVR ACO， VD100
//加标准化后的值存入回路表内
3.4 回路输出的转换
回路输出即PID控制器输出，它是标准化的0.0~1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前，必须转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的公式将回路输出转换成实数:
RScal=(Mn－Offset)×Span (4)
式中，RScal是回路输出对应的实数值，Mn是回路输出标准化的实数值。
下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数:
MOVR VD108, AC0
//将回路输出送入累加器
-R 0.5, AC0
//仅双极性数才有此语句
*R 64000.0, AC0
//单极性变量乘以32000.0
用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数:
ROUND AC0, AC0
//将实数转换为32位整数
MOVW AC0, AQW0
//将16位整数写入模拟输出(D/A)寄存器
3.5 PID指令及回路表
S7-200的PID指令如图3所示:
图3 PID指令
指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)仪器编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表参见附表。
附表 PID指令的回路表
如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器SMI.1(溢出或非法数值)被置1，并将终止PID指令的执行。要想消除错误，在下次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
4 PID指令编程举例
某一水箱里的水以变化速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保持水箱的水位维持在满水位的75％。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围为0.0~1.0。
本例采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初始值为:KC＝0.25，TS＝0.1s，TI＝30min。编程如下:
//主程序(OBI)
LD SM0.1 //扫描时
CALL 0 //调用初始化子程序
//子程序
LD SM0.0
MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75％
MOVR 0.25, VD112 //装入回路增益0.25
MOVR 0.10, VD116 //装入采样时间0.1s
MOVR 30.0 VD120 //装入积分时间30min
MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用
MOVB 100, SMB34
//设置定时中断0的时间间隔为100ms
ATCH 0, 10
//设定定时中断以执行PID指令
ENI
//允许中断，子程序0结束
//中断程序0
LD SM0.0
LTD AIW0, AC0
//单极性模拟量经A/D转换后存入累加器
DTR AC0, AC0
//32位整数转换为实数
/R 32000.0, AC0
//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100 //存入回路表
LD 10.0
//在自动方式下，执行PID指令
PID VB100, 0
//回路表的起始地址为VB100，回路号为0
LD SM0.0
MOVB VD108, AC0
//PID控制器的输出值送入累加器
*R 32000.0 AC0
//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0
//实数转换为32位整数
DTI AC0, AQW0
//将16位整数写入到模拟量输出(D/A)寄存器
5 结束语
PLC实现PID控制的方法多种，直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制，是一种易于实现且经济实用的方法。
