西门子6ES7221-1BH22-0XA8正规授权
0、前言
可编程控制器（PLC）由于其运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、抗干扰性强而广泛应用于各种工业控制部分，在智能现场控制系统中，选用PLC作为控制器是十分有效的。本文以汽车传动轴防尘罩的检 测为背景，着重讨论一种基于PLC控制的模拟汽车传动轴防尘罩实际运行环境的高低温试验箱控制系统的研制。
汽车传动轴防尘罩的作用是防止灰尘、杂质等进入前轮传动轴的连接处，同时也防止高温润滑油从中溢出。根据有关规定，本系统要求防尘罩在2500转/分下保持其的断裂延展特性，在－60～150℃下，能通过1～6千万次循环试验。在此情况下，我们受委托对汽车传动轴防尘罩高低温试验箱进行改造，以工控机为人机接口，采用PLC程序控制系统。
1、系统功能分析
传动轴防尘罩温度试验的基本要求是：在规定的温度下，以一定的转速运行一定的时间。交替设定温度、转速及时间（多为4组）循环一定次数构成一个测试阶段。测试过程多可设4个阶段，每个测试阶段的循环次数由测试员现场设定。实验中主要控制量有试验箱内温度（-60～150℃）、传动轴转速（0～1500rpm）、固定角及滑动角角度、测试时间（1～60000分）及阶段循环次数。测试过程要求调整固定角及滑动角的角度、启动温度控制系统使温度逐步达到设定值、使传动轴在设定的转速下运行规定的时间。现场设定不同的条件交替测试，循环一定周期。
根据测试要求，系统应具有手动，自动操作功能。手动操作时，操作人员可以直接控制电机、压缩机、加热器等设备的启停，进行设备维修，调试和试验等；自动操作时，测试装置自动完成整个测试过程。另外，控制系统还应具有完善的保护功能以保护人员及设备安全。任何时候都可以强行停止测试。若测试过程因故障原因终止，需要记录故障原因及测试进展状况。
2、控制系统的设计与实现
2.1 控制系统硬件结构设计
本系统人机界面部分采用台湾研华公司生产的奔腾机，软件部分采用Delphi编程，在系统中协调控制，打印输出，过程值显示，控制核心部件为OMROM的可编程控制器，它负责各控制系统所需要的各种逻辑控制和运算。被控对象有变频调速系统和温度系统。变频调速由日本安川公司生产的变频器驱动传动轴电机，使传动轴保持一定的转速。温度控制系统是一个典型的闭环控制系统，温度测量元件为铂电阻，由PLC控制电加热器及压缩机，实现加热或制冷。加热系统由三个电加热管组成，制冷系统由两级压缩机组成，其通断由PLC控制。
为实现检测控制要求，本系统采用日本立石(OMRON)公司CPM2A-40CDR-A的PLC作为主控单元。其输入点数为24点，输出点数为16点。该PLC具有体积小，重量轻，运行可靠，保护方便等特点。系统除了基本的开关量的输入/输出外，还配有模拟量的输入/输出扩展单元。模拟量输入单元用于接收Pt100热电阻温度信号，模拟量输出单元控制变频器输出频率，实时检测全部模拟信号，进行工程量转换，并与设定的上下值比较，开关量单元用于控制电机的启停，故障的报警等。 PLC的I/O分配和功能如图1所示。
图1 I/0分配与功能图
2.2 变频器控制系统
本系统的传动轴转速由变频器控制。控制部分主要由PLC、变频器、光电接近开关组成。传动轴旋转部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K变频器驱动变频电机。采用转速闭环矢量控制，调速范围0～2500r/min,调速精度<0.02%。PLC通过模拟量输出单元将0～6000的数字量信号转换成4～20mA电流信号给变频器作为频率输出设定。传动轴实际转速反馈信号由PG光电接近开关检测输出，其输出脉冲经PLC计算作为电机的速度负反馈信号。
根据生产工艺对系统运行时稳态精度及跟随能力的要求，变频器内部的PID调节器设定为比例积分调节方式，由PLC的速度给定值与由脉冲编码器检测的现场速度反馈值比较后，得到速度偏差，经比例积分控制器处理后，输出的二次电流信号作为频率输出，送矢量控制系统，控制电机运行。恒功率的分界点以及它们的频率范围内的P.I值，由现场负荷调试确定，已达到佳运行效果。
因为转角电机的频繁快速启停，制动时经常会产生很高的泵升电压，因所选变频器为交-直－交电压源时，泵开电压不能回馈电网，故采用制动单元并配以电阻加以吸收。当变频器直流电路升高到一定值（660VDC）时，制动单元中的IGBT管被触发导通，接通制动电阻回路，将转角电机的回馈电能消耗在制动电阻上，以满足快速停止的要求。
2.3 温度控制系统
试验箱内的温度调节范围为－60℃～150℃，具体值由操作员现场设定。系统加热时采用三个晶闸管控制的电加热管，合上主回路的操作开关，整个加热装置开始运行，未达到设定温度时，固态继电器SSR1吸合，1号加管加热，系统逐级开启2号，3号加热管。达到设定温度时，进入保温阶段，采用控制3号，2号加热器的输出通断来调功调温。使用控制箱风机来保证温度均匀变化。如果箱内温度达到高温界限，系统将会报警。
单级蒸汽压缩制冷所能达到的蒸发主要取决于冷凝温度及压力比，对于氟利昂制冷剂，一般压力不超过10，这样采用单级蒸汽压缩制冷循环，一般只能制取-20～-40℃的低温因此采用单级蒸汽压缩制冷循环将无法满足本系统制取-60℃低温的要求，在此情况下，决定采用两台低温压缩机组成的复叠式制冷系统，两级复叠制冷系统将级蒸发器与第二级冷凝器复叠在一起，使第二级低温制冷剂在－35℃左右冷凝，在－80℃左右蒸发，以获得系统所需要的低温。
图2 温度控制系统电路图
3、PLC控制系统的软件设计
为了方便调试和编程，整个软件系统采用模块化编程，主要由手动运行模块，自动运行模块和故障诊断和报警模块。在软件编制时，采用了一些抗干扰措施，增强了整个系统的抗干扰能力，在计算机上可以实现实时操作，控制并观察现场各设备的运行情况。
当系统处于手动运行时，PLC接收各设备状态，由此判断各设备的运行状态，可单独运转变频电机、加热器、制冷系统的压缩机。便于系统的调试和维修。
系统自动运行时，只须按照计算机屏幕提示，设置操作参数，，试验即完全自动进行下去，并在计算机屏幕上实时显示各设备参数。试验过程中或试验结束后，均可按照提示选择打印方式打印。以下重点介绍温度控制子程序。
由于系统采用三套晶闸管控制的电加热器。常用的控制方式有两种：一种是分段开关控制，根据温度的高低，逐级开启或关闭加热器。这种方法温度偏差大，精度较低。另一种是PWM脉宽调制，在PLC中实现PWM程序比较复杂。回路中的电加热器为满足温度恒定的需要，经常切换工作状态，而常规的电磁继电器开关触电易磨损，寿命短。所以对种方法进行改进。
由于系统是二阶系统，在系统温度下降时，增加加热管，温度由于惯性的原因，温度继续下降一段时间后再上升，同样减少加热管，温度会上升一段时间后再下降。我们将前后两次测量值进行比较，得到温度偏差e，系统根据e来控制加热器的状态转换。当e较大时，此时通过逐级打开加热器来调整温度。
启停切换顺序为：启动顺序：1＃ 2＃ 3＃；停止顺序：3＃ 2＃ 1＃；温度的变化值e: e=Ti－Ti－1。其中Ti ,Ti－1分别是本次温度采样值与前次温度采样值，并记试验箱温度允许上限为HSP，允许下线为LSP。PV为温度测量值。考虑到前后两个采样周期的变化温度e变化不大。当当前温度值PV＋前一个周期变化温度值e﹥温度设定上限HSP时，就减少加热管。反之，当PV+e﹤LSP时，就增加电加热管。程序框图如图3所示。
图3 温度控制流程图
电气系统已设计了各种保护，并直接作用至断电，其中包括：缺相保护、过载保护、旁路保护。 其中变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号，系统把各故障点相应的接触器、短路器等元件的辅助触电接到PLC，PLC扫描输入这些触电的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了问题。
4、结束语
可编程控制器（PLC）控制的汽车传动轴防尘罩高低温试验箱可以控制传动轴转动速度、调整其运行环境温度、实时监测试验箱内各种变量状态、灵活处理数据的通信，并将数据实时显示在计算机上，而且可以将所得的数据进行存储打印输出，以便后查。大大tigao了系统的效率。
OPEN_2000 处理器采用先进的32 位CPU，配置嵌入式实时多任务操作系统，支持模块网络热备冗余、热插拔技术，功能强大的CPU 模块拥有超大存储容量，并可支持多种通信接口RS232、RS485、以太网。可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，其程序开发方便，可与上位机组成控制系统，实现集散控制，与常用的可编程控制器PLC 相比，它在处理速度上显著tigao，硬件冗余CPU 同步速率更快。
OPEN_2000 CPU 和I/O 模块的组合可以形成多种工作方式，本地、扩展、远程工作方式分别对应于小、中、大型控制系统均有其完备的解决方案，可广泛应用于电力、冶金、机械、化工自动化控制。
系统运行在bbbbbbS2000 环境下，组态软件采用OPEN VIEW3.6,上位机与下位机OPEN_2000 通讯使用Modicon modbus TCP/IP 驱动，数据库与下位机通讯采用PORTserver 方式，SERVER 与下位机进行数据交换，两台CLIENT 读取SERVER 的状态数据，以tigao上位机与下位机的网络通讯速度。系统架构：攀钢球团厂自动控制系统的网络架构图如下图所示：
整个控制系统包括总线为全冗余式设计，本系统采用了5 套OPEN_2000 处理器，6 台监控站（其中3 台为热备监控站），2 台工程师站，2 台交换机（互为热备），双以太网地址总线；按现场控制室位置分为本地和远程控制站，其中本地控制站在主控制室车间，远程控制站在干配控制室车间，本地和远程控制站之间采用光纤通讯，按被控信号主要分为数字量信号控制和模拟量信号控制。
两套监控站均设置在主控室，每套监控站中有一台作为SERVER，另外两台为CLIENT上位机监控由OPEN VIEW 软件实现。
PLC 站配置
本系统共架设10 个PLC控制站，分别在造球控制室和原料准备控制室，如下图所示：
CAB1-10 为控制柜体编号；原料准备控制室CAB1、CAB2，造球控制室CAB3-CAB10。
系统配置
监控站：研华工控机PⅣ2.0G，512M 内存，80G 硬盘，19″LED 显示器
工程师站：DELL1.8G 笔记本两台
控制系统：OPEN_2000 控制系统
操作系统：bbbbbbS2000
组态软件：OPEN VIEW 组态软件8 套
激光打印机一台
3COM 交换机两台
工艺流程
以下为工艺设备流程图：
控制系统划分
Y 原料系统
P 干配系统
Q 造球焙烧系统
R 润磨系统
C 成品系统
S 灰尘输送系统
D 电除尘系统
F 风机系统
H 回热风除尘系统
攀钢球团控制系统分为以上9个子系统，涉及画面多达80多个，在此就不一一赘述，以下简单介绍系统的基本功能如下：
系统功能
1．开关量数据采集与处理，按系统实现联锁控制，如：顺序启动、顺序停车、紧急停车、故障停车等功能。
2．仪表量数据采集与计算，模拟量的显示、控制，如：温度、压力、liuliang、热电偶、热电阻等，模拟量的智能PID 控制，如变频设备等。
3．重要参数显示实时趋势曲线及历史趋势曲线；
4．过程变量数值的报警、记录及打印；
5．生产数据报表打印
6．系统自诊断，对现有OPEN_2000 架构的所有硬件设备进行实时监控；
结束语
攀钢球团控制系统自投运以来运行稳定，由于拥有较高的自动化程度，实现了全自动化生产，日产量4000 吨左右，OPEN_2000 完善的架构和多种接口的通讯使得系统的维护更加方便，操作界面简单明了，操作工能在短时间内轻松驾驭，支持多种编程语言使得开发更加灵活实用，目前OPEN_2000 系统有多种包括大、中、小型控制系统的解决方案，，曾多次成功应用于烧结、选矿等控制领域。
1. 引言
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压轰水系统，具有较大的经济和社会意义。
在旧加压设备中，恒压供水一般采用起动或停止加压站的水泵和调节出口阀开度来实现。控制系统是采用继电接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，工人要24小时值班看守，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，tigao自动化水平。
本文介绍的用于某自来水加压站快速起动恒压供水监控系统，采用松下电工生产的FP3型可编程序控制器（PLC）进行控制，用研华工控机进行监控，自动化程度高，整个工作程序自动完成，能清楚地显示各个设备的实时状态，并自动调节水压。
本系统还设有多种保护，如水压超限报警、阀门故障报警、水位超限报警并处理、水泵电机电流过流报警并处理等。
2. 系统结构及控制要求
恒压供水系统由主供水回路、备用回路、2个清水池及泵房组成，如图1所示。
其中泵房装有1# ~ 6#共6台150kW泵机。另外还有多个（V1 ~ V23）电动闸阀控制各供水回路和水liuliang。
要求该恒压供水系统具有如下基本操作功能。
（1）当市政自来水压力高于设定压力21.56×104Pa时，直接由市自来水供水。
（2）当市自来水低于设定压力，但不低于下压力7.84×104Pa时，采用直抽水加压供水方案。即逐步起动2台泵机向管网充压。当检测到市自来水高于设定压力时，再转换成市自来水直接供水。
（3）当自来水压力持续低于2.94× 104Pa或出现确切负压信号时，应立即转换成抽池水加压，但此时应保证水池水位高于低限水位的条件。
（4）当采用直抽水或抽池水加压供水时，应能自动调节其总出口水压为给定值，调节误差小于等于± 10%。
3. PLC控制系统设计
恒压供水系统的检测点以及控制量较多，是一个规模较大的测控系统。根据其特点，我们选用了松下电工的FP3可编程序控制器作为控制装置。该控制器与其它可编程序控制器相比，具有一些明显的优点，如FP3采用了模块化设计，可根据实际需要灵活组装，使用方便，I/O分配采用自由编程方式；容量大，程序量只受扫描周期限制，而扫描周期可在一定范围内自行更改；具有A/D、D/A、脉冲输出、位置控制等单元，可实现“共享存储器”；另外还有一些特殊的功能。
恒压供水PLC系统的结构如图1虚框内所示。系统包括一个电源单元、一个CPU单元、一个上位机联结单元，还有I/O 单元和A/D单元。上位机采用研华工控机ABB公司组态软件，上位机联结单元通过C?/FONT>NET适配器与之通讯。工控机对整个系统进行监控，显示器显示了整个加压系统结构、各个阀门与水泵的实时状态、读出各个水压及liuliang、阀门的开度、水池水位等参数，并有各种报警实时显示和故障记录。
系统既有模拟量输入，也有开关量输入。模拟量通过A/D模块输入，共27个通道。I/O各有96个点。
4. PLC的软件设计
根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控市自来水以及供水口的情况来决定是否要起动水泵，或是采用直抽水充压方案还是采用抽水池水充压的方案。控制系统的程序较复杂。
在控制过程中，供水口的水压自动调节是一个重要和较有特色的设计部分之一，在此着重介绍实现自动恒压功能的软件设计。
由于供水系统管道长、管径大，阀门的开、关、管网充压都较慢，故系统是一个大滞后系统。同时因为是在旧设备的基础上进行改造，要利用现有的设备，故并未采用调速调压，而是采用下述多种方法对水压进行调节。首先采用分段调节法，把水压偏差分为四段，即10%、20%、30%、40%，当检测到偏差较小时，输出的控制量（蝶阀的增量）较小，且操作周期亦较大；当偏差较大时，则输出的控制量较大而操作周期较小，使其快速减小偏差而又避免过大超调。另外，在偏差小于等于± 10%时，再加上模糊控制，根据D ek=ek-ek-1的值来确定是否调节蝶阀开度，使误差进一步减少，保证其小于等于± 10%的误差要求。当调节阀门开度仍不能使偏差进入允许范围时，用起动或停止1台或1台以上水泵的方法来调节水压。通过这样多种调节水压方法相结合，可使出水口水压得到满意的调节效果。
自动调压子程序框图如图2所示。
5. 结论
本文所设计的PLC恒压供水监控系统已成功地应用于某工业区，运行结果表明，该系统完全满足其设计要求，具有操作方便、可靠性强、数据完整、监控及时等突出优点，并大大地减轻了操作工人的劳动强度、缩短了操作时间，受到了操作人员、维护人员、管理人员的好评。该监控系统的成功设计，也为类似系统的旧设备改造提供了可取的经验。
