西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8功能介绍

更新时间：2024-05-08 07:10:00

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西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8功能介绍

　1、引言

　　聚束器NB2是重离子加速器系统中，**束流品质的一个高频系统。其工作原理如图1示，

　　图1：工作原理图

　　速度不同的带电粒子经过耦合有大功率高频信号的真空加速腔时将受到速度调制，终粒子的速度趋于一致。即如粒子1以V1，粒子2以V2的速度在束线中运动，其中V1小于V2，经过相同的时间，粒子2到达高频信号的负半周期，粒子1到达高频信号的正半周期，二者都受到由电场力产生的加速度a的作用，由式1-1可知经过相同的时间，粒子速度趋于一致，以达到改善束流的品质。

　　V2-a.t=V

　　V1+a.t=V 式1-1

　　高频发射机系统如图2所示，主要由高频放大、槽路、冷却系统和供电系统四部分组成。高频放大部分是由固态宽频带放大器、电子管构成的二级放大系统;供电系统主要负责电子管的灯丝、栅极、帘栅极、阳极和宽频带放大器的供电;加之整个发射机是一个以分布参数为主的系统，因而槽路是改善发射机参数和性能的重要组成部分。考虑到发射机工作在一个有高压、低压、交流、直流、脉冲和模拟信号混合的电磁环境中，为保证控制系统的稳定性和可靠性，采用了西门子S7-300系列的PLC、触摸屏，并结合Ethernet(工业以太网)技术设计了NB2发射机控制系统，实现了发射机的远程控制。

　　Ethernet网络是采用商业以太网通信芯片和物理介质，利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接的工业以太网技术。能同时能支持10M和100M的以太网的商业产品。它的一个数据包多可达1500字节，数据传输可达10Mbps或100Mbps;从而实现数据的高速传输[1]。

　　图2：发射机框图

　　2、控制系统组成

　　该控制系统要实现发射机的连锁保护，即发射机的冷却、电源、电子管、槽路中任一个参数出现异常，系统都能实现报警并采取相关的应急措施，确保系统的安全。现场控制的HMI(人机界面)是用西门子TP270组态设计的，可以实现本地操作如报警、记录、打印、参数的读取等。还能在控制室实现对冷却系统、电源、电子管的各极偏置、以及激励的远程操作;并且能在处于控制室的工业PC的HMI中显示系统的运行状态、加速电压(D电压)等相关参数。

　　2.1、控制系统的硬件配置

　　为实现以上要求，该系统采用了如图3所示的结构。现场以西门子S7-300 PLC和触摸屏TP270作为高频发射机的本地控制器和人机接口，然后经Ethernet和交换机接入已有的控制网络，后通过以太网卡连到控制室工控机，完成远程控制。

　　图3：系统结构和S7-300PLC配置图

　　系统中所采用的PLC的配置如图3所示的配置。电源模块是PS305，能提供DC24V的电压和DC5A的电流。CPU 是313-2DP，此CPU模块自带32点DI/DO，而且有两路硬件产生高频率为30KHZ的脉冲，以满足系统中脉冲调制和拖动槽路中步进电机所需的脉冲。采用SM338 模块读取通过SSI总线传来的电机位置编码数据。为了便于通信，配置了通讯处理器CP3413-1模块，可以直接用双绞线与交换机SWITCH相连接入已有的控制网络。此外为了产生高精度的模拟量控制信号，采用了16位精度的SM332模块。采样信号都是4-20mA的信号，系统配置了SM331模拟量模块，以完成参数的测量。

　　2.2、槽路微调电容的控制

　　当调节激励以改变发射机输出能量即改变D电压时，需同时改变微调电容，使耦合网络匹配，以减小反射系数[2] 。对微调电容的控制采用了如图4所示的闭环控制结构。当PLC收到来自本地TP270触摸屏的动作信号(本地控制模式);或者收到来自Wincc的动作信号(远程控制模式)时，就调用相应的功能块FC，产生脉冲和方向信号，经驱动器放大，拖动步进电机，改变电容板间距离，从而实现对电容容值的改变和耦合网络的匹配。其中位置传感器采用的是SICK的ATM60 SSI位置编码器,电容板的位置编码数据以SSI协议的格式，传送给S7-300的SM338 模块，通过Ethernet上传给处于控制室的工业PC，在Wincc组态的HMI中显示;同时通过Profibus把位置编码数据传给本地的触摸屏TP270，在Protool组态的本地人机界面中显示。

　　图4：槽路微调电容拖动控制简图

　　2.3、调理电路

　　为保证发射机各个系统参数的监测，采用了如图5所示的以TP521为核心的光隔离模拟测量调理电路[3]，只要调节图中的可变电阻，并适当的设置SM331模块的系数因子，就能实现参数的准确测量;并在组态的HMI中显示，达到发射机参数远程监控的目的。

　　图5：参数测量调理电路

　　3、软件设计

　　系统的软件设计主要包括PLC软件设计、工业PC的上位的HMI设计以及本控触摸屏TP270的HMI设计。PLC的程序设计，主要实现现场的数据测量、状态监控、控制策略的判断和与上位机的Wincc数据通信。

　　在Wincc组态软件环境下，分别设计了发射机的操作流程图、状态监控图、参数测量显示图、参数趋势曲线图;并具有报警记录、报表生成、打印等功能。本地控制的触摸屏TP270的HMI设计是在Protool环境下组态完成的，其功能和Wincc组态的HMI大致相同。如图6所示其人机界面(HMI)，分成了操作流程区域，发射机参数测量监控区域，发射机状态监控区域和功能选择区域。

　　图6：操作界面

　　Step7中程序循环组织块是OB1，通过判断来自上位工控机Wincc或触摸屏TP270的操作变量状态和PLC输入接点的状态，循环调用开关机功能块FC20，脉冲宽度调制生成块SFB49及背景数据块DB20，参数测量功能块FC21，激励信号调节功能块FC22，系统连锁保护块FC23，与DB通信的功能块FC24,整个程序结构如图7所示。当PLC加电初始化完成后，进OB1主循环块，并扫描功能块FC24实现与Wincc和TP270的通信，获取操作信息并接合PLC 的输入接点和辅助节点如M1.0，调用相应的功能块FC，完成相应的控制操作;同时把相关数据和参数状态通过FC24上传给Wincc，实现远程监控。在任何时刻系统参数出现异常，PLC都会调用连锁保护块FC23，使系统处于保护待机状态，并把故障显示到Wincc和TP270操作界面中告知系统运行者[3]。

　　图7：软件结构图

　　4、结束语

　　该系统采用了西门子S7-300PLC作为本地控制器，具有抗干扰能力强，运行可靠等优点。接合Profibus现场总线，以触摸屏TP270作为本地控制的人机接口设计，取代了以按钮、数码管、模拟表头等作为人机接口的方案;减少了系统的布线，简化了接口电路的设计等工作，并且具有设计简单、运行可靠、显示直观等优点。采用Wincc组态HMI，使上位机操作界面友好，状态显示直观，降低了操作难度，**了自动化水平，节省了人力资源。

　　本文作者创新点：结合Profibus总线技术和触摸屏，改变了传统以按钮、数码管、模拟表头等作为人机接口的设计思路，在EMC(电磁兼容)恶劣的情况下，可靠的实现了发射机系统的控制。

平顶山市的煤炭资源尤为丰富，改造传统煤炭工业，改变煤炭工业形象，**企业现代管理水平，**煤矿安全，从而能在市场竞争中处于优势地位。计算机控制技术和网络技术在煤炭行业的应用，改变了煤炭行业的技术和产业结构，**了煤炭的产量和煤炭生产的安全性，**了企业的自动化和管理水平。

　　副井**信号系统是副井**电控系统的重要组成部分，该系统性能的好坏将直接影响到副井**机的安全运行。随着计算机技术和电子元器件的发展，产生了一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置——可编程逻辑控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。由于PLC及其有关的外围设备易于与工业控制系统形成一个整体、扩展其功能，已成为当今应用场合为广泛的工业控制装置，成为机电控制不可缺少的核心控制部件，随着工业生产自动化程度要求的不断**，更加可靠的可编程控制器(PLC)已应用到煤炭行业的各个系统中。本文提出了一种以PLC为核心的矿井副井**信号系统的设计方案。

　　1 总体设计

　　以PLC为核心的矿井副并**信号系统设计框图如图1所示。本系统主要由PLC控制器、信号输入、信号输出、井口信号箱、井底信号箱、绞车房信号箱、保护系统等几部分组成。

　　PLC控制器是整个系统的核心部分。具有功能变化灵活、编程简单，自动检测故障点，噪音低，可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。

　　信号输入主要包含**机去向、**机位置、功能信号等部分。其中**机信号包括提矿、提物、提人、上行、下行等信号。

　　信号输出主要包含下行音响、显示信号，上行音响、显示信号，提物、提矿、提人计数信号和电视显示器信号等。

　　井口信号箱主要包括各种**信号的汉字显示及声音提示，各种信号的按钮检测。完成对本水平各种信号的闭锁功能及对井下信号的闭锁功能，同时完成向绞车房发送相应的信号。

　　井底信号箱主要包括各种**信号的汉字显示及声音提示，各种信号的按钮检测。完成向井口发相应的信号，同时完成对本水平各种信号的闭锁功能。

　　绞车房信号箱主要完成井口、井底**信号的数字和汉字显示及声音提示，前一次或前几次信号的存储记忆和显示。完成急停信号对安全回路的闭锁，换程信号的发出，停车信号的闭锁等功能。

　　保护系统主要包含故障信号预报、事故停车信号、紧急停车信号等。当**机控制系统发生故障时由保护系统发送信号到，然后由PLC控制器发出信号到绞车房，并进行相应的操作，对煤矿的安全起到很重要的作用。

　　2 系统分析

　　2.1 系统功能

　　设计出的以PLC为核心的矿井副井**信号系统可以实现以下功能：1)**信号有数字显示功能;2)**指令有汉字显示功能;3)急停报警功能和急停扩展功能;4)井上下信号必须一致方可开车;5)井下信号只能通过井上信号才能传至绞车房，不能直接传至绞车房;6)事故点个停车点，均由井上、下直接传至绞车房，停止绞车运行;7)实现方向闭锁功能;8)实现快慢连锁功能。

　　2.2 系统工作原理

　　该系统的工作原理图如图2所示，其打点信号的分配见表1。

　　系统的工作过程如下：

　　**机到位后，井口电磁传感器通过信号输入向PLC控制器传送1个到位信号。经PLC控制器处理后向绞车房发出操作指令，信号工此时可进行操车作业，打开安全门，落下摇台，开启***。发信号顺序：下井口→上井口→绞车房。**机装载完毕后，解除井口所有闭锁：关闭安全门，抬起摇台，关闭前***。

　　1)**机快上

　　下井口先打点2次，经PLC控制器的作用后输出，X1动作2次，移位寄存器左移2位，内部继电器R20接通，X1触发“Y8”2次，在下井口显示器上显示本次信号点数“2”，上井口、下井口电铃同时打铃2次;上井口接到打点信号后，开始打点。上井口打点器X3打点“2”，左移指令也向左移2位，Y0接通，电机做“正上”快速运动;同时，由于Y0互锁，电路Y7接通，红色指示灯亮。

　　上井口打点时，Y4、Y5、Y6继电器接通，下井口、上井口、**机房电铃晌，响铃次数与打点数相同，此时Y9接通，触发上井口显示电路显示“2”;当达到井面时，停车开关地X4打点寄存器复位，线圈失电，**机停车、显示器复位。

　　2)**机快下

　　下井口先打点3次，经PLC控制器的作用后，移位寄存器移位至R2，R0～R2接通，R1、R20失电，R21带电，其相应的触点动作闭合，上井口、下井口电铃响，下井显示“3”。上井听到指示后开始打点，过程与上相同，**机开动。

　　3)**机慢上

　　即正方向开慢车，下井打点“4”为慢车，经PLC控制器处理后在显示器显示为“4”，通过R4的互锁作用，使其余继电器不工作，通过ZJ3所接外部触点来转换电路工作。

　　4)**机慢下

　　即反方向开慢车，下井打点“4”为慢车，经PLC控制器处理后在显示器显示为“4”。通过R4的互锁作用，使其余继电器不工作，通过ZJ3所接外部触点来转换电路工作。

　　3 结束语

　　该系统设计出之后，已经在平顶山市部分煤矿初步试用，试用以来

1 引言

　　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，**控制是非常重要的。本文主要介绍了一种**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。

　　2 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**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**比值控制系统原理图

　　由图1所示，个闭环控制系统是主**氯化钾本身构成的**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**稳定在设定值上，主**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**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**信号q1与比值系数k1的乘积。硫酸副**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**闭环控制系统属于跟随系统。

　　3 **比值控制系统设计

　　3.1 **比值控制系统构成

　　氯化钾与硫酸**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**计等组成。**比值控制系统方框图如图2所示。

　　
图2 **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，**25m3/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**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**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**。氯化钾**是**比值控制系统的主动量。粉体**(给料量)表达式为：

　　q=k·q·v (1)

　　式中，q—计量螺旋输出**(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**计。电磁**计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体的体积**，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**，而不需附加任何修正，所以电磁**计是一种真正的体积**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**计。

　　3.2 plc控制系统设计

　　氯化钾称重装置、硫酸电磁**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**设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。

　　氯化钾/硫酸**比值系数：d3 d2/d9 d8。

　　氯化钾实际**值存储器地址：m500，16位二进制码。

　　硫酸实际**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，**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**起始频率也就确定了。在本系统中，频率大于19hz之后才有**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-**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**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**接近设定**时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，消除了**的大幅度波动，改善了**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，**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%。