6ES7241-1AA22-0XA0技术介绍
1 引言
船舶自动化领域的一个重要组成部分是主机遥控系统。目前主机遥控系统技术方案多种多样，本文采用PLC工业控制网络来实现主机遥控系统的功能，具有经济性能好、硬件电路结构简单、工作安全可靠的特点。
在多PLC控制网络实现主机遥控系统设计的基础上，研讨主要设计整个PLC网络的总体结构和通讯方案，并通过通讯网络实现对主机的起停部分的自动控制及安保系统设计。
2 主机遥控PLC网络控制总体结构设计及通讯方式的实现
2.1 主机遥控PLC网络控制总体结构设计
PLC控制网络用于主机遥控系统的控制，包括两台S7-200PLC。其中一台用于主机起停和转速调节控制，安装在机控室;另一台用于完成电子调速器的任务，安装在机舱。另设计算机作为监视平台，用来监视整个系统的重要信号。
整个网络的主要设备为:两台S7-200PLC、一台微型机、网络连接器、PC/PPI电缆、RS-485电缆。
根据总体通讯设计思路，我们的总体结构图设计如图1。
图1 总体结构图
如图，主站PLC通讯口出来地总线分别通过网络连接器和PC/PPI电缆和从站PLC以及计算机通讯。主从站之间通过RS-485总线进行PPI协议通讯，主站和计算机终端通过PC/PPI电缆进行自由口通讯。从主站PLC通讯口出来连接上网络连接器，是为了隔离，以免计算机RS-232口损坏。通过网络连接器出来地线以及RS-485信号A和B通过比较高低电平与从站进行通讯。同时通过PC/PPI电缆的连接口引出5针通过RS-485和RS-232转换成3条线分别为接收、发送和地线，与计算机进行通讯。S7-200PLC通讯口的引脚分配见附表。
附表 通讯口引脚分配
2.2 多通讯协议的组合及调试
在S7-200网络通讯中，可以实现两种通讯协议进行通讯而不互相干扰。但前提是两种协议的波特率必须相同，由于只有一个通讯口，波特率只支持9600波特，因此在多协议通讯时，波特率设置为9600波特。对于多协议的组合方式，作者采用了总线分时复用法，在总线分时控制中，作者通过几个定时器组成矩形波，从而形成高低不同时段分别进行PPI协议通讯和自由口通讯。主程序流程图见图2。PPI通信程序流程见图3。自由口通信程序的流程见图4。
图2 主程序流程图见
图3 PPI通信程序流程
图4 自由口通信程序的流程
按照以上方案所进行的系统设计完成之后，实际的通讯效果达到设计要求，从站PLC和计算机终端基本上能在20ms内获取主站送来的信息。
3 主机遥控系统的设计
3.1 起停部分的设计
作者在设计过程中选择的对象是常见的B&M低速机，起停控制主要包括5个部分:起动控制，慢转控制，停车控制，重复起动控制。以正车起动为例，系统须针对两种情况:停车情况下的起动和正常反向起动，都能确保正车起动电磁阀的通断，同时还须判断重复起动的状态，正车起动的程序流程如图5所示。
引言
随着海洋石油勘探开发事业的发展，开发海域逐渐由浅海向深海延伸，导管架、海上平台也向着高、大、重的方向发展。海上作业所需的水泥浆量也越来越大，对水泥浆质量的要求也在不断提高。采用PLC对水泥浆生产过程进行控制，实现生产全过程的自动化，能够提高生产效率、降低生产成本和工人的劳动强度。
灌浆机是高度自动化设备，包括水泥、水、添加剂等按照一定的配比自动进料，搅拌，灌浆等几部分。搅拌好的水泥浆储存在搅拌器中，搅拌器的双层叶片不停的搅拌，防止在灌浆过程中水泥浆凝固，泥浆泵把搅拌器中的水泥浆压出灌浆机。系统的工艺流程如图l。
图1 系统工艺流程图
2 系统控制方案
水泥灌浆机自动控制系统由可编程控制器(西门子S7-300)、人机界面(HMI，西门子TP27-10)、料位传感器和称重传感器等几部分组成。控制系统框图见图2。
图2 系统控制框图
控制核心是西门子的S7-312CPU和数字量输入模块、模拟量输入模块以及数字量输出模块组成，并配有EEPROM存储卡使PLC程序可以掉电保护。完成开关量、模拟量输入、数据检测、逻辑运算和过程控制，实现水泥浆生产过程自动控制。所有的设备输入输出信号直接进入PLC，由PLC来进行控制。
2.1 控制内容
(1) 输入部分
l 四个水泥料位传感器;
l 混炼器排除阀的行程开关;
l 手动、自动操作切换开关;
l 9个电机的手动启动和停止按钮;
l 三套称重传感器输出信号4～20mA;
l 电极测量传感器输出信号(水罐、添加剂罐、搅拌器高低各两个);
l 测灯按钮;
l 其它输入信号等。
(2) 输出部分
l 9个电机的启动和停止指示灯;
l 9个电机的输出控制信号;
l 三个料斗的入料电磁阀，双动控制;
l 三个料斗的出料电磁阀;
l 添加剂排料槽控制;
l 混炼器的出料气动闸阀控制;
l 报警指示、警铃信号;
l 空气吹扫电磁阀;
l 水泥料斗振动器;
l 其它输出信号等。
2.2 人机界面
人机界面用带有RS-485通讯接口的西门子TP27-10触摸屏。HMI程序由运行监控、操作界面、参数设定、物料管理、及各种统计报表打印等模块组成。采用全部汉化用户界面。具有界面友好、操作简单、功能强大等特点。其中HMI主界面见图3。
图3 HMI主界面
通过运行监控界面用户可以在触摸屏屏幕上直观的看到现场的生产运行情况。把电器柜所有转换开关置为PLC，系统得电后，在界面上选择PLC自动，通过点击屏幕上的“启动”按纽来启动系统，进入自动运行。屏幕上将动态显示各料斗中的配料量和其他设备如:混炼器、搅拌器、电机、各阀门的运行情况。
(1) 操作界面:当选择PLC手动时，就可以在操作界面对系统中的各个设备进行单独控制，在检测、调试和紧急情况下使用。
(2) 参数设定:参数设定界面主要目的是方便对系统运行过程的一些重要参数进行修改。包括配料参数的设定，搅拌参数设定等。
(3) 物料管理:管理物料进料和进行物料用量统计。
(4) 统计报表打印:方便用户对运行过程中的归档数据，如生产记录、配料详细记录和物料消耗情况进行打印输出。
我们还充分利用西门子软件灵活多样、丰富的指令，设计出了模块化、结构化的程序，使得程序具有良好的可读性、可维护性。
3 物料传送控制
传动部分包括水平螺旋传送、垂直螺旋传送、缓冲罐、计量斗、混炼器、搅拌器和泥浆泵等组成。系统运行以后，水平螺旋和垂直螺旋将水泥传送到水泥缓冲罐，水泵将外界淡水送到水缓冲罐, 添加剂泵将各种添加剂传送到添加剂缓冲罐。PLC采集称重传感器数据，控制各缓冲罐出口阀做相应的动作。各计量斗秤值重量达到预先设定值，计量斗出口阀打开，在混炼器搅拌45s以后, 打开浆液阀，泥浆进入搅拌器。通过泥浆泵将泥浆输送到外界供现场使用。
为了使水泥在混炼器中搅拌均匀，减少灰尘，程序中设定水计量斗中的淡水排放完毕，然后打开水泥计量斗出口阀门。因为水泥是粉尘状颗粒，容易黏附在一起，因此，在水泥计量斗侧壁安装有振动器。
4 物料称重配料控制
该部份由称重传感器、电磁阀、料位传感器、行程开关等组成。输入量模块采集现场信号，传送到CPU模块进行计算处理，然后通过输出模块输出信号，控制现场各种开关、电磁阀和电机等。
根据原料配比不同，添加剂称重传感器大量程150kg，水称重传感器量程3t，水泥称重传感器量程6t。称重传感器将配料重量转换成(4~20)mA的电流信号，经PLC的模拟量输入模块进行A／D转换后输送到CPU与预先给定的重量进行比较，CPU按照给定的控制规律进行计算，然后发出控制信号控制各种配料严格按比例送入混炼器中搅拌。
在称重配料的过程中，机械装置运行时的波动，比如气动电磁阀气缸的压力波动，造成给料装置的动作滞后:物料下落的冲击力;配料系统发出关闭信号后原料的过冲量(空中余量)，因物料料流的不稳定导致过冲量的随机变化(为关键的因素)。这些因素造成了称重配料误差。
为了减小称重配料误差，系统把称重过程分为粗称和精称两个阶段。在缓冲罐出口安装两个气缸串联。在粗称阶段，缓冲罐出口的两个气缸全部打开，缩短给料时间。当给料量达到设定量的90％，进入精称阶段，此时，关闭90％的缓冲罐出口气缸，小量给料以提高称量精度。系统中的机械结构、称重传感器、模拟量输入模块等环节都存在一定的误差，终反映为作用于传感器的实际值与触摸屏显示值之间的误差，这个差值我们称之为系统的非线性误差。这一误差可以通过函数校正的方式来消除。假设作用传感器的力为F(i)，对应的显示值为M(i)，由数组F(i)和M(i)的拟合，可以得到一个校正函数:F=f(m)
由于系统误差是各个环节共同作用的结果，因此校正函数一般有多个拐点，为了保证测量精度，本系统中采用分段小二乘抛物线法来分别求出各段的拟合多项式:F=a+bm +cm2
5 结束语
该系统采用可靠性高、抗干扰能力强的可编程控制器和触摸屏，可以实现PLC自动/手动和手动三种配料功能。当自动系统有故障时，可切换至手动方式配料，继续生产水泥浆，保证用户生产的连续性，减少损失。触摸屏编程为图形化操作，可以动态显示当前配、卸料等生产状态，简单直观，操作方便。可以存储实时生产数据，读取历史数据，实现生产数据打印。二次计量进料方法，使整个自动化搅拌系统精度得到了提高。水泥搅拌自动控制系统的研制成功改变了以前依靠进口设备的状况，大大降低了生产费用、提高了生产效率和系统的可靠性。
