马鞍山西门子S7-300代理商

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本文介绍了人机界面与两台PLC通讯，在砂带生产线刮毛机上的应用。 在人机界面上设定运行数据通过PLC高速输出来控制步进电机，以调整刮刀与坯布间的工作间隙。
一、 引言
在砂带生产线中，其前道工序要求对坯布进行处理，清除其表面突起的纤维。坯布与胶辊与刮刀保持一定距离的间隙，在0.2-0.6mm间。在坯布刮刀之前有检测布缝的电容式传感器。当有布连接缝接近刮刀时，要求刮刀与坯布迅速打开一段距离，约40-60mm间。原系统采用气缸打开、关闭。由于气缸固有特性，使控制效果不理想。我方通过步进电机驱动胶辊，进行间隙调整达到理想效果。
二、系统构成
坯布需要两面处理，上下两面同时刮除突起的纤维。有两个刮刀与两个胶轴配合构成两个工作轴，分别为A、B轴。每轴两端分别有一台步进电机，A机与B机。
系统图下：

每台步进电机都有一台驱动器，共四台驱动器，驱动器由PLC控制。电机输出轴经减速机输出给胶辊。
由于绝大多数PLC只有两个高速输出口，可控制两台步进电机驱动器。也可采用一台主机加高速定位模块完成对四台电机的控制，但定位模块成本比较高。本系统采用了两台台达DVP14ES型PLC。台达DVP系列PLC输入输出小为8入/6出。由于价格合理，本系统采用2台主机，仍比其它品牌机型加定位模块合适，并且输入、出量配置也较合理。一台PLC的高速脉冲Y0、Y1控制2台步进驱动器的运行速度，其Y4、Y5分别控制步进驱动器的运转方向，步进电机驱动器要求输入速度信号及方向信号。
三、工作原理
3．1刮刀与胶辊平行调整。由于某原因，可能导致刮刀与胶辊不平行，也就是一个轴左右两边与刮刀间隙大小不一致。可以调整工作轴中的一台电机，使其上升或下降使刮刀与胶辊平行。调整平行后即可使本胶辊投入正常使用。在人机界面上设计有控制A轴A机和B轴A机的手动按钮。间隙由塞尺测量。
3．2 工作间隙的调整。在投入自动使用前，必须对间隙进行调整。在界面上有两种方法可以实现。一种是点动控制，另一种是设定运行数据进行控制。点动控制适用于在不知道胶辊与刮刀间隙时的初次调节间隙。首先用点动控制使胶辊与刮刀间隙为零，即调零。然后再人机界面上设定打开间隙量。当改变坯布品种时，只需根据两种坯布厚度差别，设定要改变的间隙量即可。
3．3 人机界面的设计。 一台人机界面通过RS485通讯线与2台PLC相连。在人机界面程序设计中，可以利用PWS提供的宏指令，一个按钮控制两个PLC的中间继电器M20，即自动按钮。当M20为ON时，两个PLC的工作状态为自动模式。人机界面上还可以设定自动运行时刮刀打开间隙。分别有两个数值输入按钮，写进两台PLC，经过数据变换，作为步进电机控制器的脉冲输出量。调零工作完成后，调整工作间隙，然后使M20置为ON，投入自动运行。
3．4 步进电机驱动器的设置。步进电机驱动器的细分设置为0.72，即PLC输出给步进电机驱动器每500个脉冲，步进电机输出轴旋转一周。细分值与PLC的高速输出命令相配合。细分过大时电机会因负载大而失步，细分太小时，在自动运行时，打开距离不够而使布缝被刮断。

四．应用效果及问题。
经过一段时间的运行，证明系统运行正常，达到了设计要求。在程序设计中，利用高速输出命令PLSY时，电机在加速时失步，造成控制不稳，后来改为用PLSR命令。利用PLSR命令时，必须设置好加减速时间。改为PLSR命令后，远行稳定可靠。由于采用两台PLC，其控制对象工况一样，两台PLC程序完全一样，程序调试简便。

一、人机界面（HMI）产品常识

    1、人机界面产品的定义

    连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

    2、人机界面（HMI）产品的组成及工作原理

    人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机bbbbbbs操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

图1 人机界面硬件构成

图2 人机界面软件构成

    3、人机界面产品的基本功能及选型指标

    基本功能：

• 设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等

• 数据、文字输入操作，打印输出

• 生产配方存储，设备生产数据记录

• 简单的逻辑和数值运算

• 可连接多种工业控制设备组网

    选型指标：

• 显示屏尺寸及色彩，分辨率

• HMI的处理器速度性能

• 输入方式：触摸屏或薄膜键盘

• 画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）

• 通讯口种类及数量，是否支持打印功能 

    4、人机界面产品分类

• 薄膜键输入的HMI，显示尺寸小于5.7ˊ，画面组态软件免费，属初级产品。如POP－HMI 小型人机界面

• 触摸屏输入的HMI，显示屏尺寸为5.7ˊ～12.1ˊ，画面组态软件免费，属中级产品

• 基于平板PC计算机的、多种通讯口的、高性能HMI，显示尺寸大于10.4ˊ，画面组态软件收费，属高端产品

    5、人机界面的使用方法

• 明确监控任务要求，选择适合的HMI产品

• 在PC机上用画面组态软件编辑“工程文件”

• 测试并保存已编辑好的“工程文件”

• PC机连接HMI硬件，下载“工程文件”到HMI中

• 连接HMI和工业控制器（如PLC、仪表等），实现人机交互

    二、人机界面产品问答

    1、人机界面与人们常说的“触摸屏”有什么区别？

    从严格意义上来说，两者是有本质上的区别的。因为“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能，安装在显示屏前端的输入设备；而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。在工业中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为“触摸屏”，但这是不科学的。

    2、人机界面和组态软件有什么区别？

    人机界面产品，常被大家称为“触摸屏”，包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同厂家的HMI硬件使用不同的画面组态软件，连接的主要设备种类是PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、bbbbbbs操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起也可以组成HMI产品；通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。

    3、人机界面产品中是否有操作系统？

    任何人机界面产品都有系统软件部分，系统软件运行在HMI的处理器中，支持多任务处理功能，处理器中需有小型的操作系统管理系统软件的运行。基于平板计算机的高性能人机界面产品中，一般使用WinCE,Linux等通用的嵌入式操作系统。 

    4、人机界面只能连接PLC吗？

    不是这样的。人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的，但随着计算机技术和数字电路技术的发展，很多工业控制设备都具备了串口通讯能力，所以只要有串口通讯能力的工业控制设备，如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等都可以连接人机界面产品，来实现人机交互功能。

    5、人机界面只能通过标准的串行通讯口与其它设备相连接吗？

    大多数情况下是这样的。但随着计算机和数字电路技术的发展，人机界面产品的接口能力越来越强。除了传统的串行（RS232、RS422/RS485）通讯接口外，有些人机界面产品已具有网口、并口、USB口等数据接口，它们就可与具有网口、并口、USB口等接口的工业控制设备相连接，来实现设备的人机的交互。 

    6、是否有通讯功能的设备一定能和人机界面产品连接？

    应该是这样的。因为通用的人机界面产品都提供了大量的、可供选择的常用设备通讯驱动程序；一般情况下，只要在人机界面的画面组态软件中选择与连接设备相对应的通讯驱动程序，就可以完成HMI和设备的通讯连接。如果所选HMI产品的组态软件中没有要连接设备的通讯驱动程序，用户则可以把要连接设备的通讯口类型和协议内容告知HMI产品的生产商，请HMI厂商代为编制该设备的通讯驱动程序。

    7、PC机加触摸屏，能否直接与PLC通讯，完成HMI的功能？

    当然可以。不过还要编制相应的HMI软件，才能使PC机成为一个真正的HMI产品。

    8、未来人机界面的发展趋势是什么？

    随着数字电路和计算机技术的发展，未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显，HMI的功能将越来越丰富；5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色显示屏，屏的寿命也将更长。由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来HMI产品的发展方向。当然，小尺寸的（显示尺寸小于5.7寸）HMI产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的进一步增强（如增加IO功能），将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用

滤池作为保障水质的重要环节，其作用越来越受到重视。滤池恒水位控制技术也随之不断发展。从模拟PID、数字PID到优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。本文以郑州市柿园水厂为例，将改进的PID算法应用到滤池自控流程中，使其能够根据水位的变化实时控制清水阀开度，从而使水位始终保持平衡。

2 PID算法在恒水位控制上的实现

　　2.1 PID控制算法

　　PID（Proportional Integral　Differential）控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术成熟、应用广泛的调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制[1]。在系统输出误差值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以tigao系统的稳态精度[2]。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。因此它成为当前为普遍采用的控制算法。

　　PID控制器，其控制规律为：

　　………………（2-1）

　　由于式（2-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令

　　…………… （2-2）

　　则可得可得到位置式数字PID算法

　　……………（2-3）

　　使用位置式PID数字控制器会造成PID运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法

　　……………（2-4）

　　增量式PID控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量。增量式PID数字控制器不会出现饱和，而且当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。

　　2.2 恒水位控制

　　为保证生产安全，滤池分站的待滤水liuliang和滤后水liuliang应基本保持平衡，所以每个滤格在过滤时应保持水位恒定。正常滤水工作期间，每组滤池在就地PLC控制台的控制下，依据来水量的大小，及时调整滤水阀的开度，保证滤池恒水位运行;当达到反冲洗条件或人为强制反冲时，每组滤池就地控制柜向主站发出反冲洗请求，主PLC对需要反冲洗的滤组进行排序，采用先进先出的堆栈式管理，在满足反冲洗条件后，调整首先要反冲的滤组的阀门状态，待水位降到一定高度后，启动鼓风机，进行气洗，按约定时间气洗结束后，开启反冲泵进行气水联洗，联洗结束后，关闭鼓风机，再开启一台反冲水泵进行水洗，水洗结束后，恢复本组滤池的正常滤水状态，进行下一组反冲洗。所有反冲结束后，进入正常的恒水位滤水工作周期。

　　由于恒水位的根本目的是保证待滤水liuliang与滤后水liuliang基本恒定，因此转化为控制各个滤格的水位保持基本恒定[3]。用PID闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水阀开度，把以上所有影响水量变化的条件转化为滤格水位的控制。

　　2.3 PID对清水阀的逻辑控制指令及参数的设定

　　当进水量增大或因池内水头损失增大导致出水量减少，使水位上升高于设定水位时水位偏差e为正，e越大则u也越大，从而使出水阀开度增大，相应地出水量也增大，使水位下降趋于设定水位;当进水量减少或因其它因素使水位下降低于设定水位时，水位偏差e为负，e的值越大则u越小，从而使出水阀减小开度，相应地出水量也减小，使水位上升趋于设定水位，从而把水位控制在以设定水位为中心的一定波动范围之内。从式（2-1）中的积分控制项可知，控制器输出u与积分时间T成反比。当T。较小时，相同的水位偏差将造成较大的积分控制作用。若积分控制作用过强，将造成过调现象：当水位偏离设定水位时，过强的积分控制作用使出水阀开度改变过大，使水位矫正过大，造成大的振荡起伏。积分时间T愈小，过调现象愈严重，被控量（水位）的振荡幅度愈大，终超出允许范围。因此，正确设定控制参数是保证控制系统能达到设计要求的重要前提[4]。对于实际生产过程，要jingque确定其数学模型比较困难，本系统是通过试验方法来确定控制参数

　　2.3.1参数设计中的特殊处理

　　设定完参数后，根据现场实际情况在外部程序还可进行一些程序处理，该项目中作了以下处理:

　　①把PID的计算结果放到一个中间变量中，当水位处于设定水位的上下5cm以内，3分钟输出一次PID的计算结果到输出模板;反之10秒钟输出一次PID的计算结果，这是为了水位在可接受的范围之内尽量少动作清水阀，但超过范围以外则以保证生产安全和水质为，同时很大程度上消除了输入模拟量在受到外界干扰时而出现的计算误差。

　　②即使在上述条件满足的条件下，程序会比较当前的PID计算结果与上一次输出值的差值，如开度在两个开度范围以内则不输出当前PID计算结果，反之则输出计算结果。因清水阀开度在两个开度范围以内对水位调节作用不大，而小开度调节清水阀会出现阀门开度不到位而造成电磁阀频繁动作的现象。

　　③当清水阀开度小于10个开度时，过水量基本与全关时一样，因此我们把PID计算结果为7个开度以下就直接输出全关信号。

　　2.4 PID控制梯形图子程序

　　每个滤池的自控部分的实现需要数字量输入点 28 个，数字量输出点 18 个，模拟量输入输出点 13 个，整个 PLC 自控系统具有自保护和掉电数据保护功能，在发生供电及其他严重故障时，可立即进入紧急处理状态，工艺条件和程序时间都得以记忆，待故障消除后，系统能够立即恢复到故障前的状态，大大tigao了整机可靠性[5]。 表 1 为 PLC 系统的 I/O 地址表. 这里仅仅列出了主要的 I/O 地址。

　　表 1PLC 控制 I/O 地址分配表（部分）

　　通过以上参数就可以完成相应的控制过程在水厂滤池自动化的安装调试阶段，数据采样频率恒定，系统调试人员通过调整相应的参数，使滤后水阀开启度随滤池水位的高低而变化，进而使滤池水位基本保持（2.00± 0.20）m 范围内。下图为滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序：

图1：滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序

3 运行效果前后对比

　　调试后我们经过统计，基本上的清水阀动作次数小于200次，比其它水厂平均4000次要少得多，基本上与手动凭经验调节清水阀的效果相同，但大大的减少了工人的劳动强度。但各个水厂的实际情况有所不同，所以在系统调试过程中所处理的手段也会有所不同，参数设置也会有所不同。

　　经过对滤池改进前后数据分析，绘制出下面的波动曲线对比图。从图3可以看出，经PID调解后的滤池水位变化很小，滤池液位能够保持恒水位运行。

4 小结

　　本项目应用于郑州市柿园水厂的滤池自动化改造系统中，系统以工控机为核心，采用了模糊化积分分离数字PID控制方案、梯形图语言以及组态王软件。该系统经过三个月来运行，完全符合生产要求，系统的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大tigao，真正实现了现场的滤池自动化管理，实现了自动过滤和定时自动排队及反冲，新系统使滤池的净水效果得到很大改善。采用标准PID控制软件包实现了对滤池水位的闭环自动控制，使多组滤池同时自动运行，运行水位保持在工作水位的4%范围内。恒水位的控制使得滤池反冲洗次数减少，水量和电量损耗减少1/3，产生经济效益300万元。大大降低了生产成本，同时还改善了水质，具有重要应用价值。

　　本文作者创新点是将改进了的增量式PID算法与恒水位控制相结合，优化恒水位控制方法，降低水耗及电耗，减轻工人劳动强度，tigao了滤池水处理的自动化水平和效率。