西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8保内产品

1 引言
为了提高和保证产品的质量，生产中对一些部件按照一定的工艺要求进行归类分组是必要的。以轴承的生产为例，要求对生产中的滚针和滚柱进行分选组别，这一工作由轴承滚针分选机来完成。
分选机的功能是对工件进行连续测量，将被测参数转变为电信号，再经电路放大、逻辑运算处理后。控制相应的执行机构，对工件实行自动分选。
2 轴承滚针分选机PLC控制系统的设计
2.1 系统构成
系统采用OMRON C200H模块式PLC，现场开关信号接入24V输入模块，指示灯、中间继电器及电磁铁线圈由晶体管型输出模块控制。选用差动式电感传感器(差动式电感传感器是把被测的非电量转换成线圈的互感变化，由两个相同的电感线圈和磁路组成，使用时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式，以提高传感器的灵敏度和线性度)将滚针或滚柱的直径和长度的变化转变成电感量变化，再经测量放大电路放大成标准的电压信号，接至PLC的模拟量输入模块。
该系统总输入点为:开关量为5点，模拟量为2点，分别采用直流24V的8点输入模块IM211和模拟量输入模块AD001;输出点为开关量17点，选用OD411(8点)和OD211(12点)两块晶体管输出模块。对PLC的输入输出端子进行定义和分配如附表所示。
附表分选机PLC控制系统的I/O分配表

输入地址信号定义输出地址信号定义
00100 启动检测 00200 送料电机
00101 停止检测 00201 正常指示
00102 同步脉冲 00202 超差指示
00103 复位信号 00203 运行指示
00104 调整单步 00300-00311 料门1-料门11
输出
00111 长度量 00204 故障报警
00112 直径量
2.2 工作原理
分选机属于比较测量仪器，先以标准尺寸工件定标或先校正好测微仪的放大倍数，然后以被测工件与标准工件尺寸进行比较，产生直径尺寸差Δd和长度尺寸差Δl，电感测量头将Δd和Δl转变为电感差ΔD和ΔL，测量电路将电感差转变为0~+10V的电压信号Us。信号经PLC模拟量输入模块转变为数字量，并根据工艺要求，将参数同标准数据进行比较，控制相应料门电磁铁。分选的工艺要求如下:
(1) 长度信号先与直径信号进行分选:分选时，先将滚针的长度测量值分为三类，即长度超差件L+、L-和合格件L0，然后再将L0工件按照其直径大小细分为超差件D+、D-，合格件D1、D2、…D10，也就是说只有长度合格的工件才进行直径分选。
(2) 组别按尺寸大小，由小到大进行排列:长度按L-、L+、L0，直径按D-、D1、D2、…D10、D+，从小到大顺序排列，以保证工件准确地落入属于自己的组别。

3 PLC控制系统梯形图的设计

3.1 程序控制的要求
现通过工件1从送料到落料来说明一个程序周期的过程:
(1) 送工件1至测量平台(同时推落上一工件);
(2) 对上一工件测量信号值清零，该工件对应的落料门关闭;
(3) 对工件1进行测量并锁存，打开相应料门，准备落料;
(4) 工件2送料，同时将工件1顶下落料;
(5) 工件1经一段时间落入相应料门;
(6) 工件1测量信号清零，相应料门关闭。
3.2 程序设计
(1) 程序的控制流程
PLC程序的控制流程图如图1所示:

图1 控制系统流程图

(2) 信号输入与干扰消除
在输入的模拟量信号中，会含有各种噪声和干扰。为了准确地进行测量和控制，必须消除被测信号中的随机干扰。PLC的 AD001模块引入数字滤波方法，它可根据用户设定的积分常数对多次A/D转换数据取算术平均值，以消除干扰。其中，积分常数就是A/D转换的次数，平均值是将多次A/D转换数据之和与积分常数相除，并忽略计算结果中的小数部分。
设N为A/D转换次数，AD001中四路输入的N值分别预置在DM1101-DM1103中。在这里将N取2，所用2路积分常数预置在DM1101和DM1102通道中。IR区中10001-10004分别是路到第四路的求平均值启动位，当其被置为“1”时，则向AD001发出取平均值的指令，此时平均值为二进制数。取平均值的梯形如图2所示:

图2 取平均值的梯形图
(3) 数据换算
由于A/D转换得到的是标准数字信号，即相对于传感器测量范围的相对百分数，不能直观地表示过程被测量的量纲，因此需要进行换算。AD001可根据用户设定的上下限参数，将AD转换后的12位二进制数据换算成4位十进制数。AD001按下式进行换算，并忽略计算结果中的小数部分。

数据转换梯形图如图3所示，其中两路的上、下限参数值分别预置在DM1110、DM1111和DM1112、DM1113中，参数值必须是0—9999的BCD码数据，且两数据之差不大于4000。IR区中10005、10006分别为路、第二路的数据换算启动位，当其被置为“1”时，则向AD001发出执行换算指令。

图3 数据转换的梯形图

(4) 数据分组
滚针或滚柱的直径及长度测量信号在转换成数字信号后，还要同内部寄存器中的设定植进行比较，以便进行分组，即确定滚针或滚柱应属的组别，并将其归入该组。
根据工艺要求，将长度设为上限和下限值，分别预置在DM1110和DM1111中;直径设为10组，分别预置在DM1112到DM1121中。实际测量值连续同设定植比较，即可确定相应组别。
长度比较梯形图如图4所示，当00103接通时，将通道DM006中的值同DM1110相比较，如小于设定下限值，则LE接通，接通00400输出。如大于设定下限值，则同上限值DM1121相比较;如大于上限值，则接通00401输出。00400和00401使超差门00311接通输出。

4 结束语

图4 长度测量值分组梯形图

在工业生产的自动化生产线中，有许多参数(如长度、直径、厚度等)需要进行实时检测，以便确定产品是否合格或按照参数值进行分类处理，利用PLC进行控制具有硬件简单，易于进行程序设计和控制流程的修改、运行稳定、故障率低、分组精度高等优点，是一种较为理想的控制方案。

1 引言
随着时代的发展，社会经济环境的整体提升，作为中国支柱产业之一的房地产业进入了跨越式发展的新阶段。在这个进程当中，作为建筑物附属设备的电梯也有不可估量的发展空间。目前在电梯中所应用的交流双速或可控硅调压调速控制方式里逻辑部件均由继电器、选层器完成。但随着时间的推移其触头就会磨损、插接口会严重氧化造成接触不良，缺少设备维护时甚至会出现困人、冲顶、乱层、蹾底等现象，所有这些都不利于电梯的维修和安全运行。但现有的电梯系统其机械部分性能良好，所以用变频器和PLC改造原有的控制系统即可以满足客户对电梯的服务质量的要求又可以节约资金避免不必要的重复投资。

2 电梯驱动系统介绍[1]
电梯的电力驱动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着决定性作用。驱动系统的优劣直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度、乘座的舒适感等指标。
由于目前电器电子元件的高速发展，使得变频变压技术逐步成熟，因此使用变频变压(VVVF)调速系统控制的电梯也投入使用。自1984年日本三菱电机公司台变频变压控制的电梯问世以来，这种系统驱动的电梯其额定速度已越来越高，而利用矢量变换控制的变频变压系统的电梯的额定速度可达14m/s。它们的调速性能都已达到了直流电动机驱动电梯的水平，并具有驱动控制设备体积小、重量轻、效率高、节省能源等优点，成为当前新的电梯驱动系统。

3 控制系统介绍
控制系统主要由PLC、变频器及旋转编码器组成。可编程控制器(PLC)负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系,它是系统的核心。变频器实现电机的调速。本文所选用的安川VS-616G5通用变频器可实现平稳操作和jingque控制，使电动机达到理想输出。为满足电梯的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据A、B脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡, PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节。所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。
3.1 硬件系统组成
控制系统包括信号采集和PLC控制两部分
(1) VS-616G5变频器具有自学习功能，在使用矢量控制时，变频器能自动设定电动机铭牌范围的电动机参数。由此从变频器专用电动机到通用电动机都可以进行矢量控制运行，电动机可大限度地发挥作用。VS-616G5可使用PID控制功能实现简单的追踪控制，使用脉冲发生器等速度检测器时，不管负载大小变化都可使其速度保持一致，更保证了电梯零速制动抱闸的要求。
(2) 旋转编码器(PG)[2]的选择。
本文根据电梯平层精度要求选择PG。根据GB1058/T-1997电梯技术条件中的要求，运行速度为0.5m/s调速电梯的平层精度为±15mm以内。而平层精度与钢丝绳的松紧度，平层干簧管的位移，PLC的输入脉冲数有关。前二者为机械因素，而PLC的输入脉冲来自于脉冲监视输出。考虑PLC的自身频率，为保证输入脉冲的正确性，设定PG脉冲监视输出分频比F1-06功能码为16，既PG输出脉冲的1/16作为PLC的输入脉冲。为尽可能在PG参数上来保证平层的精度，以1mm误差计算。
齿轮箱减速比K为61:2，曳引机直径D为0.65m，采用半绕式2:1绕法，N=2，电机每转一圈电梯上下行程:
L=3.14×D×K×1000/N(mm) (1)
代入式(1)求得L=33.5mm，
PG参数=33.5×16=536p/rev。根据PG解析度的分类，选用解析度为600的旋转编码器。本文采用增量式圆光栅编码器, 它将测得的转速脉冲反馈给变频器，形成闭环控制。
图1中TA1为变频器的速度控制卡的脉冲输入部分，接收来自旋转编码器的脉冲;TA2为速度控制卡的脉冲输出部分，向PLC输出脉冲。
(3) 由于电梯是载人的起重设备，要求可靠性系数特别大，为大程度地满足乘客的舒适感，使用VS-616G5的带PG矢量控制，将测速脉冲反馈给变频器，提高控制精度;为配合脉冲记数和平层精度，选用三菱公司FX2N系列可编程控制器PLC，其X0-X1端子可采取高速脉冲，满足了系统记数，达到准确平层的要求。
由电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转变为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电动机平稳运行。
当电梯检修时，是点动运行方式，PLC向变频器发出方向和检修运行信号，装置按预先编好的速度指令向电动机输送点动频率(10Hz)的交流电，作上、下慢速运行。
当电梯正常运行时，PLC向变频器发出快速命令和方向信号，系统按预先编入的频率指令沿理想曲线上升至满速(45Hz)运行。当需要减速时，PLC断开高速指令，输出按理想曲线下降至停止，在降速过程中，由于系统的惯性作用，将动能通过能量回馈装置消耗在制动电阻上，因此曳引电动机不会发热，可以不用强迫冷却风机。变频器内部带电流反馈和速度反馈。电梯的速度通过脉冲编码器反馈回变频器，当实际速度高于或低于给定速度时，变频器会自动调节输出电压(电流)和频率，使两者相等，从而达到理想的运行状态。
3.2 软件部分说明
(1) VS-616G5部分参数设置如下表1所示。

表1 变频器参数设置

要实现对变频器的控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。编程的重要依据是系统的工作过程。电梯的一次完整的运行过程，就是曳引电动机从起动、匀速运行到减速停车的过程。电梯运行方向确定后，在关门信号和门锁信号符合要求的情况下，电梯开始起动运行, PLC正转(或反转)及高速信号输出有效，电动机从0Hz到50Hz开始起动,起动时间为1.5S，然后维持高速(变频器参数设置，D1202=50Hz)一直运行，完成起动及运行段的工作。在接近目标楼层时，相应的接近开关动作，给PLC输入换速信号，PLC撤消高速信号输出，同时输出爬行信号。爬行的输出频率由变频器参数设置(D1203=6Hz)。从高速的频率到爬行速度的频率的减速时间也是1.5S，当达到6Hz的速度后，电梯就以此速度爬行。电梯到达目标楼层时, 给PLC输入平层信号，PLC撤消正转(或反转)及爬行信号，电动机从爬行频率减速到0Hz, 减至0Hz后，零速输出点断开，通过PLC抱闸自动开门。
2) PLC部分程序清单
0 LD M8000
1 AND C10
2 DMOV K3431 D303
11 DMOV K6557 D305
20 LD T11
21 SET S1
23 LDI T11
24 RST S1
26 LD M8000
27 OUT C235 K8888888
32 LD Y010
…………
33 RST M8235
875 DZCPP D305 D307 C235 M64
892 LDI X020
893 AND M65
894 AND M151
895 MOV K3 D230
900 LD M151
901 OUT T50 K50
904 LDI M151
905 OUT T51 K10
908 LD T50
909 OUT M152
910 LD M50
911 OR X005
912 RST M151
913 LD X004
914 OUT Y043
915 END
(3) 电梯变频调速系统PLC的I/O分配如下表2所示。
表2 PLC的I/O分配

4 控制系统特点
4.1 采用优先级队列
根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列:上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。
4.2 采用检测逻辑控制
当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号(有呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0)，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车;如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。
4.3 采用先进先出队列
根据电梯的运行方向，将同向的优先级队列中非零单元(有呼叫时此单元为七零单元，无呼叫时则此单元为零)送入寄存器队列(先进先出队列FIFO), 利用先进先出读出SFRDP指令，将FIFO个单元中的数据送入比较寄存器。
4.4 对变频器的灵活控制
PLC根据控制的要求，可向变频器发出正向运行、反向运行、减速以及制动信号，再由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机。
4.5 可靠的系统工作状态
当系统出现故障时，PLC可向变频器发出信号，则避免了更大事故的发生。
5 结束语
以PLC和变频器为核心的电梯控制系统可根据客户的要求对以往的电梯控制系统进行改造，这不仅避免了旧系统的诸多缺点而且更加节约能源。本控制系统具有先进、可靠、经济的特色。

图1 波峰焊机控制系统基本结构图
2.1 上位机监控
利用工控机作为上位机。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块:
(1) 数据采集、存储模块
上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。
(2) 数据查询模块
上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。
(3) PID参数整定模块
虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。
(4) 通讯模块
主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。
2.2 温度控制
温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用K型热电偶采集温度信号。它通过控制固态继电器的输出来调节占空比，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。
2.3 步进电机控制
在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、流量控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。
2.4 网络通讯
上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是基于S7-200自由口通讯的Modbus协议。Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主－从结构，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。
Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。

图2 RTU通信帧的基本结构

在下位机PLC中使用Modbus从站协议进行设计。在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求。

图3 Modbus从站协议指令

3 软件设计
3.1 总体设计
波峰焊机控制系统采用模块化的设计方法。整个系统分为监控子系统和温控子系统。其中监控子系统主要完成对各个输入点的监视，若有异常情况发生，迅速做出处理，并对输出进行控制，并且根据系统的状态进行故障处理和报警。同样，温控子系统主要完成的功能有:定时选通A/D转换器对温度信号进行采样、滤波、标度变换、存储;定时对处理好的采样值进行PID计算，输出控制脉冲;接受中断请求，处理上位机发送的命令、状态，上传温度值等等。图4和图5分别是监控子系统和温控子系统的软件框图。

图4 监控子系统软件框图

图5 温控子系统软件框图

3.2 模糊PID参数自整定算法研究
由于电阻炉温度是一种大惯性、纯滞后的控制对象，因此PID算法的参数很难确定。一般的参数整定方法就是根据经验设定其参数初值，然后根据具体工艺条件再进行调整。这种方法费时费力还不准确，所以项目开发了基于继电反馈的模糊PID参数自整定方法。
模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，并利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。控制器的输出和参数的调整是通过过程函数的逻辑模型产生的，改善模糊控制特性的有效方法是优化控制规则。图6为模糊控制系统的基本结构。

图6 模糊控制系统的基本结构
此模糊控制器由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理和反模糊化。设计模糊控制器的步就是要选择论域和模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。在本控制系统中笔者设误差的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},误差变化的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域。误差的量化因子

，误差变化的量化因子

。这两个量化因子使得误差实现了从基本论域变换到模糊论域的作用，即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中相近的整数点。另外，每次采样经模糊算法给出的控制量还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中。接下来就是进行模糊控制规则的选取和模糊推理方法的选择。模糊控制器的控制规则其实是基于专家的控制策略，它基于经验和技术知识，而控制器则是基于某种控制算法的数值运算。具体而言就是:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。
通过实验得到的波峰焊炉温模型进行仿真。假定电阻炉的温度模型为:

，Ke=0.1，Kec=1， Ku=12，控制周期为1s，模糊控制器输出为工频电压。仿真效果如图7所示。

图7 波峰焊温度控制仿真效果
4 结束语
波峰焊机控制系统的核心是温度控制。只要控温精度上去了，就可以说此控制系统已经达到基本要求了。本文研究的波峰焊机控制系统利用西门子公司的S7-200系列PLC作为下位机控制器，它的抗干扰能力强、稳定、可靠。利用其PID参数自整定模块可以达到较好的效果，但是由于此模块刚推出不久，它的控制功能有待进一步考验。因此可以根据模糊PID自整定算法原理自己编写程序，同样可以达到很好的温度控制精度。为了促进无铅焊接设备的进一步发展，其它智能控制理论也将越来越多的应用于此类控制系统中。

图5 温控子系统软件框图

，误差变化的量化因子

，Ke=0.1，Kec=1， Ku=12，控制周期为1s，模糊控制器输出为工频电压。仿真效果如图7所示。

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