西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0参数设置

1　引言

　　随着国内外基建行业技术水平的迅猛发展，市场对金刚石粉末锯片、砂轮、磨料等人造金刚石制品的需求量越来越大。随之而来的是生产人造金刚石的设备走俏市场，其中，六面顶金刚石压机以其操作简便、生产成本相对较低等优点占据了的较大份额。
　　人造金刚石是利用石墨可在高温、高压的环境中，在触媒的催化作用下，其原子结构发生改变，合成人造金刚石这一机理来实现的。六面顶金刚石压机可以利用机械、液压装置从六个方向向主机中心加压，在主机中心硬质合金顶锤的作用下使生产原料形成一个密封的正方体超高压容腔，同时通过的电加热装置对该腔体加热，该腔体就可以产生合成人造金刚石所需的高温、高压条件。整个设备的工作过程需要由电控系统与机械、液压系统相配合完成一系列工作。其中，电控系统主要通过对由大、小柱塞泵和二十余个电磁阀组成的液压系统以及电加热装置等的控制来完成自动、分段、调整等不同模式下的工作。整个设备可以说是一种典型的机、电、液一体化集成产品。

　　2　压机电控系统的硬件设计

　　传统的金刚石压机电控系统由近三十个中间继电器、时间继电器、接触器等不同型号规格的低压电器组成逻辑控制线路，不仅故障率高且维修不便。当生产工艺进行调整，需要改变控制逻辑时必须改变硬件接线，变动起来十分麻烦。目前，整个压机的机械、液压系统从原材料到零部件都已经有了很大的改进，相比之下落后的电控系统已成为阻碍生产发展的“瓶颈”问题。
　　七十年代初，美国汽车工业为了适应生产的进一步发展，首先将可编程序控制器应用于生产线的自动控制中并获得了成功。到八十年代，微处理器被应用到PLC中，使其功能变的更完善、更优越，且做到了小型化甚至超小型化。现在，PLC己被广泛应用于各个行业。综合各项指标，系统选用了日立公司E系列的E-64HR型PLC作为主控单元设计了压机新的电控模式。E-64HR共有64个I/O口，其中40个开关量输入口，24个输出口，内置式电擦除EEPROM可以保证用户方便的完成程序和参数的修改和储存。PLC根据各输入口所接按钮、行程开关、电接点压力表、接触器等电器的信号的状态以及用户编制的软件程序自动控制各泵、电磁阀以及加热装置的动作完成整个生产过程。

　　E-64HR各输入口的内部线路图如图l所示，采用光电耦合方式有效的防止了外部干扰的窜入。输入电压DC21.6~26.4V、输入电流l0mA，在七年来数百台压机的跟踪服务统计中，没有发现由于输入单元自身故障出现误报，其线路工作还是可靠的。其输出口内部线路图如图2所示，选用继电器接点输出方式时继电器线圈电压DC21V~27V、耗电10mA、触点容量2A、平均寿命20万次以上，可直接驱动接触器线圈、电磁阀线圈及指示灯等低功耗元件。
　　为了输出继电器的可靠工作，设计中在所有线圈负载上均并联了阻容吸收装置。在对用户送回来的故障PLC的检修中，我们发现70%以上的故障仍出现在输出单元，一类是机内压敏电阻烧穿，另一类是输出继电器触点烧毁。经现场考察及分析发现，部分乡镇企业电源质量较差，原设计中输出口所需AC220V直接采用电网任意一相供电，电源波动大，直接导致了上述硬件故障。后改为采用加热装置中的交流稳压电源兼向输出口驱动电源供电，有效的减少了该类故障的发生。
　　总结不同地区、类型用户的使用情况，一些经验和教训是共性的PLC优越的性能、良好的抗干扰性已被大家所认同，发挥这一优势的前提条件是对其供电电源和屏蔽接地点的合理设计。PLC采用AC220V直接供电，其内部电源部分的稳、压、整流、滤波电路设置是比较完善的。但设计中仍需采用隔离变压器对其供电电源进行隔离，以保证工况恶劣的场合下干扰不由电源窜入，tigao系统可靠性，一般可采用BKC-220/220V（60-100VA）的隔离变压器。其次，应引起注意的是所有厂家的PLC均有一个专用接地端子（GND），该端子是整机的屏蔽接地点，用户好为其单独设立接地极（接地电阻<100Ω，接地线长度<20m），并注意合理选择接地极的位置。有些用户将其接在电器设备的外壳上甚至接在零线上，这是十分错误的，不仅起不到屏蔽作用反而成为事故引入点。河北新河某厂错误的将该接地端子接于避雷系统接地极上，雷雨时造成高压引入，造成整个车间数台PLC完全被烧毁。以上问题，尽管用户手册己强调，但仍有许多用户未引起注意，造成不必要的损失。
　　目前流行的六面顶压机均有大（11 K W）、小（1.5KW）两个柱塞泵，小泵主要是为了完成“保压”阶段的压力维持，避免大泵冲击过大，造成压力波动过大，影响金刚石的生长质量。经实验将大泵由变频器实现变频调速，取消小泵，从系统的“保压”效果、金刚石的生长情况以及整个设备的电能消耗等几个方面来看，结果都是令人满意的。虽由市场原因，该方案没能得以推广，但是将PLC、变频器、压力传感器、温度传感器以及超低频电源技术结合起来，对电控系统进行较大的改进是下一步技术发展的必然。

　　2、PLC的软件设计

　　整个程序需按照液压动作图和工艺要求完成以下动作：启动工作按钮后，三个活塞缸在油压驱动下前进，至预定位置后由限位开关给出信号，三个缸依次停止；暂停一定时间后六缸同时加压，形成叶腊石密封仓；稍后，由增压器加压，到达一定压力时开始对密封仓通电加热并开始加热计时，同时继续升压至保压压力，开始保压并保压计时：其间如有压力泄露由小泵自动补压。加热和保压时间到后，系统泄压，六缸回位完成一个工作循环。
　　在编制程序的过程中，较多的使用了E系列的“FUN03”指令，如所示梯形图，其中6、215、T00等为外部输入信号、PLC内软中间继电器及PLC内时间继电器的代号，将它们按所需的与、或关系接在“FUN03”的置位端（S端），当S端输入信号为l时，如5+6·11=l时相应输出中间继电器200置1，此后即使S端为0，200仍为1，只有当215·23·l8=l时，即“FUN03”的R端置1时200才置零，故该项功能可以用R-S触发器来表述。

　　编程时把下一个动作的内部输出点（如201）接在上一个内部输出点（如200）的复位端（R），这样在每接入一个新动作的同时把上一个输出封锁。再由200、201等上述的“FUN03”的输出单元进行逻辑组合去控制50、51等PLC输出继电器，进而完成对电磁阀、交流接触器等外围低压电器的控制。这样的设计不仅防止了在不同阶段输出继电器的误动作、相互干扰以及出现PLC软件编制中常犯的“双线圈”错误。并且，在由于需要修改工艺而必须调整动作顺序时，只需调整相应“FUN03”的控制方式即可，给修改工艺带来了极大的方便。尽管有些型号的PLC不具有类似的“FUN03”功能，我们也可以的依据上述思路进行开发，对此将由另文进行详细介绍。依据我们多年来在不同工况下对不同厂家、型号的PLC使用经验看，这一思路是比较成功的。而且，我们将这一方法介绍给一些现场的技术人员，也得到了他们的认可和肯定。

　　3　结束语：

　　PLC替代原有继电器控制模式后显示出了巨大的优势，被生产厂家和用户所接受。93~96年间该压机成为石家庄煤矿机械厂的主导产品之一，为该厂创造了巨大的经济效益。由压机用户进行的统计表明：使用继电器进行控制的压机，由于电气故障造成的停产周平均4小时，由此造成每台压机年均经济损失八千元左右。采用PLC控制的压机，其工作性能稳定且各I/O指示简单、明了，大大缩短了维修时间，电气故障造成的停产降至周平均20分钟，特别是修改工艺时仅需进行程序的调整，省时、方便为用户创造了可观的经济效益。许多老式压机的用户要求帮助他们用PLC改造老压机，体现了在金刚石压机上使用PLC的成功。

 宝钢三期原料场控制系统是一个集一、二、三期控制系统为一体的大型、综合的原料控制与处理系统。控制系统采用高速、可靠、先进、大容量的GE FANUC 90-70系列PLC和Alpha过程机、MMI等设备，应用IEEE 802.3 CSMA/CD以太网和GENIUS现场总线，实现对原料场工艺设备的管控一体化和三电一体化控制。

1 功能
　　
　　1.1 主PLC控制功能

　　主PLC无I/O接口要求，应用GE公司新生产的CPX 935 CPU和CMM742以太网通信模块，采用双机热备冗余结构。其作为过程机、MMI和设备PLC之间的通信接口，主要完成流程选择、流程联锁、流程起动、顺序停止、一齐停止、故障停止、紧急停止、流程报警、流程切换、流程合流等流程功能和对整个料场的自动广播系统的控制。主PLC通过以太网和设备PLC将现场各工艺设备的运行、停止、故障、位置、操作方式、给料、料位、liuliang、切换、选择等数据存储在其相应的数据区。流程开始时，MMI/过程机首先把流程信息送给主PLC，主PLC接受到这些流程数据后，根据流程所含设备的状态判断该流程是否合法。主PLC给每个合法流程建立25字的流程状态控制区，该区包含流程编号、流程切换、流程合流等信息。它还开辟出3x100字存储流程设备的ID表，3x59字存储流程设备ID在所有设备ID表中的指针表以及100字的内部流程状态控制区域。原料场共有600余台设备，组合的生产操作流程556个，单程所包括的单体设备多达37个，这些流程功能都定义在一套主PLC上完成。

　　1.2 设备PLC控制功能

　　控制系统有7套共14台设备PLC，应用CPM925 CPU和CMM742通信模块。其中1#-5#设备PLC采用双机热备冗余结构。控制系统根据不同皮带输送系列和不同原料控制的要求，按照控制方便可靠、就近集散控制的原则把各种现场设备送入不同的PLC进行控制。
　　1#-5#设备PLC通过多模光纤、调制解调器、中继器等总线部件来完成大范围内的工艺设备的控制。设备PLC接受主PLC的控制指令，除控制原料输送、供料、受料、洒水、除尘、采样、金属检测与去除等设备外，还进行皮带秤负荷率、liuliang、物料累积量、料槽料位的计算和圆盘给料机CFW的PID控制。现场设备若没有紧急停止、单动、跑偏、过负荷等故障，则其处于无故障状态，可以运转。只有无故障、没有运转且工艺允许的流程才是合法的流程。如果是合法的流程，那么设备PLC一旦接收到主PLC的起动指令就立即起动现场设备。PLC检测到现场设备已经运转，就送“确认”信号给主PLC，告诉其可起动上游设备了。设备PLC接收到主PLC停止指令后，中断设备的运转。这样，主PLC在不同的时序发送不同设备的起动、停止、警铃、使用、小车需求位置、料位需求等指令，便可实现所有的流程控制功能。
　　6#、7#设备PLC无I/O要求，主要完成监视堆取料机的位置、进行防碰撞演算和工艺操作有关参数的设置、收集实时状态数据给主PLC，发送主PLC关于流程控制的指令和数据给堆取料机等功能。利用6#、7#设备PLC，中央控制室还可以根据如混匀堆积等工艺要求完成对现场堆取料机的远程手动和自动堆取作业。
　　8#设备PLC实现高炉煤粉喷吹控制。接口PLC为三期建设和一、二期改造期间的临时控制通信网关，其让新控制系统接受老控制系统的数据，并将新系统控制指令发送给一、二期PLC控制系统，保证生产的连续和稳定。

2 控制软件的开发

　　控制软件采用全符号化的梯形图编写。设计程序时应充分考虑系统的资源，尽量减少程序逻辑扫描时间，tigao控制的实时性。控制软件流程如图1所示。初始化模块完成PLC投入运行时的一些数据区的设定。利用硬件检测模块，PLC可以检测出其硬件的运行状态是否正常并可报警送MMI显示。热备冗余模块完成双PLC的冗余控制。读设备的信息主要包括皮带的单动、非常停止、准备运转、小车的位置、槽位信息等。选择一个合法流程后，主PLC将把所含流程的设备ID送给自动广播与指令通信系统，由后者把相关的信息通过现场扬声器分区播出，提醒现场人员注意安全。主PLC读取与MMI/过程机有关的流程信息，如果是新的流程，则在程序中根据流程设备的状态决定流程是否合法。它将为合法的流程建立流程控制与状态区。如果旧流程，则判断命令是流程的复位、紧急停止，还是流程切换、流程合流，并根据相应的命令进行处理。为调试方便，设备PLC都编写了模拟程序。在不起动现场设备的前提下，应用它可模拟设备的实际运行状况，判断PLC的控制逻辑是否正确，过程机、MMI、主PLC与设备PLC的通信是否无误。以太网通信完成设备PLC与主PLC的指令与状态数据的传输。互连Genius网用于PLC的热备冗余控制时大量数据的传送。圆盘给料机CFW的给料PID控制应用PLC的专用功能块，完成不同原料的混匀给料控制。

3 结束语

　　原料是钢铁企业的“咽喉”，是钢铁企业正常生产的首要条件，宝钢三期原料场PLC控制系统完成工厂流程、堆取料机、洒水系统、除尘系统以及各种皮带秤、给料机、料场料槽的监控与管理。该控制系统自1997年底开始陆续投入运行，先后成功完成了对焦炉、烧结、高炉、电厂、转炉每天约10万t各种原料供配任务。运行至今的实践说明，该控制系统具有如下特点：
　　①实时性强、可靠性高、扩展性好；②支持三电一体化控制；③控制距离远；④抗干扰能力强；⑤支持多种网络通信形式；⑥调试简单、维护方便、成本较低。
　　该PLC控制系统的成功建设对于我国在冶金、粮仓、矿山、石油、化工等行业中建设和改造大型控制系统有着极高的推广应用价值

在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在化工行业中，liuliang控制是非常重要的。本文主要介绍了一种liuliang比值控制系统，经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。

1  工作原理
   
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是简单的控制方案。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主liuliang没有构成闭环控制。本系统采样双闭环比值控制方案。

                        图1  kcl-h2so4双闭环liuliang比值控制系统原理图
  
由图1所示，个闭环控制系统是主liuliang氯化钾本身构成的liuliang闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的liuliang稳定在设定值上，主liuliang闭环控制系统属于恒值控制系统。第二个闭环控制系统是副liuliang硫酸闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氯化钾liuliang信号q1与比值系数k1的乘积。硫酸副liuliang闭环控制系统由副控制器1、硫酸泵变频器、硫酸泵以及检测点2/变送器2等组成。副liuliang闭环控制系统属于跟随系统。
           
2  liuliang比值控制系统设计
   
2.1 liuliang比值控制系统构成
  
氯化钾与硫酸liuliang比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁liuliang计等组成。liuliang比值控制系统方框图如图2所示。

                                 图2  liuliang比值控制系统方框图
 
（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。i/o点数可以扩展到256点，多可以连接4个特殊功能模块。
  
（2）耐腐蚀泵。硫酸属于腐蚀性介质，输送泵必须采用耐腐蚀泵。本系统采用ihf 6550-160型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm；出口直径50mm；叶轮名义直径160mm；转速2900r/nin，liuliang25m3/h；扬程32m；电机功率5.5kw。硫酸泵采用变频调速。对于泵类设备，应选用水泵类专用变频器。ihf6550-160型氟塑料离心泵的驱动电机功率为5.5kw,选用西门子公司mm430型水泵专用变频器，该变频器带内置a级滤波器。
 
（3）西门子mm440变频器。粉体在螺旋内的流动速度是由电机编码器输出脉冲来间接计算的,如果电机转速稳定性不好,将影响计量螺旋的正常工作。为此,采用德国西门子公司mm440型矢量控制变频器，电源电压380vac，额定输出功率5.5kw，额定输出电流13.2a。为了稳定螺旋轴的转速并计算粉体流速，采用带速度编码器的矢量控制方式。变频器需要增加脉冲编码器脉冲处理模板(简称编码器模板)和编码器。
  
（4）计量螺旋。氯化钾是粉粒状物料(简称粉体)。计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和liuliang控制的设备。本设计采用万息得公司的lsc型计量螺旋(螺旋电子称)。

氯化钾粉体进入料仓后，在振动器的作用下进入螺旋输送机，氯化钾粉体沿螺旋槽向出料口方向前进。在出料口下方的称量装置传感器将检测到的重量信号传送到plc的模拟量输入单元。同时，安装在电机非负载轴端的编码器检测螺旋轴旋转的周数和速度，编码器输出脉冲传送到plc的高速计数单元。经cpu单元运算处理后，得到氯化钾粉体的liuliang值和累积重量值，由模拟量输出单元输出控制信号，控制变频器和变频电机，从而控制氯化钾粉体的liuliang。氯化钾liuliang是liuliang比值控制系统的主动量。粉体liuliang(给料量)表达式为：
  
q=k·q·v            (1)
  
式中，q—计量螺旋输出liuliang(给料量)，kg/s；k—称重系数；q—螺旋内粉体的线负荷，kg/m；v—螺旋内粉体流动速度，m/s 。
  
粉体在计量螺旋内沿螺旋形轨迹运动，不便于直接检测流动速度v，通常是使用编码器检测电机的转速，再换算出流速v。如图3所示计量螺旋示意图。

                                         图3  计量螺旋示意图
  
（5）电磁liuliang计。电磁liuliang计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体的体积liuliang，测量结果与流体的温度、粘度、密度、压力及液固成分比无关，电导率在较大范围内变化时也不会影响测量结果。因此，只需经普通水标定后，就可以用来测量其他导电性液体或液固二相流体介质的liuliang，而不需附加任何修正，所以电磁liuliang计是一种真正的体积liuliang计。本设计采用的是广东万山自动化仪表有限公司wsdq型电磁liuliang计。
  
2.2 plc控制系统设计
  
氯化钾称重装置、硫酸电磁liuliang计的输出均为4～20ma信号，分别送到模拟量输入单元fx2n-4ad的电流输入1、电流输入2。模拟量输入单元fx2n-4ad有4个12位模拟量输入通道，输入量程可以是电流信号（4～20ma）或电压信号（-10～10v）。转换速率为15ms/通道或者6ms/通道（高速）。
  
计量罗旋和硫酸泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自plc系统的模拟量输出单元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，输出量程可以是电流信号（4～20ma）或这电压信号（-10～+10v）。转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个i/o点。
  
（1）设定参数数据存储器地址
  
            计量螺旋给料量即氯化钾liuliang设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。
            氯化钾/硫酸liuliang比值系数：d3 d2/d9 d8。
            氯化钾实际liuliang值存储器地址：m500，16位二进制码。
            硫酸实际liuliang值存储器地址：m501，16位二进制码。
            16级增益数据存储器地址：第1级～第10级：d100～d109,d130～d139。
            16级积分时间常数数据存储器地址：第1级～第10级：d110～d119,d140～d149。
  
（2）变频器调节
  
使用mm430变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，liuliang出现过大的超调和震荡。在管道和泵的规格确定之后，相应的liuliang起始频率也就确定了。在本系统中，频率大于19hz之后才有liuliang输出。针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-liuliang特性曲线。根据测出的起始频率来制定控制算法。在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。待达到起始频率建立起liuliang之后，再转入闭环控制模式。对于闭环控制模式，又分为比例（p）控制和比例积分（pi）控制两种模式。首先运行比例控制，当实际liuliang接近设定liuliang时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，消除了liuliang的大幅度波动，改善了liuliang的跟随性能并消除了稳态误差。

（3）pid控制
  
            fx2nc系列plc具有pid控制指令，
            pid  d200    设定值sv，参数起始字，二进制数据               
            d201    输入字，liuliang反馈数据，二进制数据
            d500    控制参数
            d500 采样周期t  1～32767ms           d501  动作方向（act）
            d502 输入滤波常数a  0～99%             d503 比例增益kp  1～32767%
            d504 积分时间ti  （0～32767-
            ms）*100  d505 微分增益kd   0～
            d506 微分时间td   （0～32767）*10ms
            d503（比例增益kp）：8000（bcd码）左右，p小则超调大，震荡次数多。
            d504（积分时间ti）：根据‘误差数据’（d50），将积分ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分ti，达到既响应快又抑制超调的目的。在突加给定的情况下，大超调量小于5%。
           
d506(微分时间td)：4000（bcd码）左右。 
         
在本系统中，根据liuliang闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制超调的目标，达到了很好的效果。