西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8接线方法

西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8接线方法

目前，实现对机动车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，需要在生产中对汽车尾气污染物进行检测。本文就一种符合EU-2标准，基于嵌入式bbbbbbs CE操作系统和组态王6.0组态软件的集工况模拟、样气采集、样气分析于一体的汽车尾气污染物智能检测系统进行介绍。

一、系统综述

整个系统由中央控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。首先底盘测功机模拟汽车的工况，然后尾气取样系统对样气进行jingque的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，中央控制单元实现对整个系统的自动控制。其中中央控制单元采用嵌入式系统作为核心控制单元，系统操作站为运行bbbbbbs CE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。同时工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。

精简的bbbbbbs CE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，完全可以满足设备现场运行的需要。

1. 工作原理

系统总体示意图如图1所示。打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾气排放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：

mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）

式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33 KPa时的密度；dCO=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci —稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。

2. 控制系统的工作过程

工控机通过CVS系统和分析单元的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。同时，触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。另外，配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。控制系统结构框图如图2所示。

二、系统硬件组成

为了确保系统的准确性和可靠性，本文选用了工控领域中稳定可靠的bbbbbbs CE嵌入式操作系统作为工控机的控制核心。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。

1. 工控机

作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbs CE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbs CE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单高效，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。

组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发周期短，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。

硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：

液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。

触摸屏对外数据传输接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。

采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、效率高，而且触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。

2. PLC

本文选用SIMATIC S7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有可靠性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。

PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。

3. 传感器与数据采集模块

系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的liuliang计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：

• 标准长径喷嘴liuliang计：BYW-S-80，4 m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定liuliang测量；

• 数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴liuliang计前端压力测量，输出信号4 mA～20mA DC，24V；

• 电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴liuliang计前端、后端压力差测量，输出信号4-20mA DC，24V；

• 防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴liuliang计后端温度测量，输出信号4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；

• 压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4 mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。

• 数据采集模块：研华16通道A／D PCL-818数据采集卡。

4. 通讯模块

系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。

三、系统软件设计

本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器获取的测量数据判断目前的工作状态，然后将控制指令发送给各单元的PLC，同时生成交互式的人机对话界面。

1. PLC编程

（1） 控制流程描述

分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC首先控制CVS单元排气过程，将气囊中的废气排空；然后控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。控制过程如图3所示。

（2）控制程序

整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：

LD SM0.1 ／／初始化，调用子程序0
CALL SBR_0
S M2.0，4 ／／设置程序执行标志位

LD M0.1 ／／启用等待程序
A M2.0 ／／M2．0设为1
LPS
LD M8.1 ／／有复位请求
ALD
CALL SBR_I／／调用子程序1
／／SBR_0：
LD SM0.0
…．． ／／初始化泵阀状态
CRET
，，SBR_I：
LD SM0.0
LD M3.0
…．． ／／控制CVS工作流程
CRET

2. 触摸屏控制程序设计

系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。

四、结束语

整个系统完全满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统可靠性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地tigao了我国汽车生产厂家生产管理水平。

图3 A/D和D/A模块初始化程序

PID指令所涉及到的24个数据寄存器也需要设定，如采样时间、滤波常数，积分时间、微分增益等。这些数据需要根据被控对象的实际情况来定量，如pH值的存在范围、污水的liuliang大小、加入中和药水的品质、中和速度等。通常工厂的生产工艺相对较为稳定，污水的pH值和liuliang基本稳定，即使有些变化，只要控制参数设置合理一般不会有太大出入，而其它的影响因数比较容易控制，所以这些参数可以定值设置，并在PLC上电工作时就调入并在控制过程中使用。

3.2 采样过程

采样的间隔时间可以根据实际情况定置，时间因子可以采用PLC内部的时间基准，如图4中M8013为秒脉冲的时钟继电器。

图4所示的A/D转换程序可以每秒钟完成一次pH值的采样。

图4 A/D 转换程序

3.3 分析、计算过程

采样完成后，利用PID指令进行分析和计算。

图5 PID指令程序

在图5所示的PID指令程序中，目标值是指用户希望被控对象应稳定在哪一个模拟值所对应的数字量。如pH值0～14的模拟量4～20mA对应的数值为0～1000，若被控对象的pH值需要稳定在7，那么目标值数字量就应设定为500。测定值是指A/D采样所得到的pH值的数字量 。参数D20表示PID指令在执行时所需的24个参数的个参数，同时也指明了这24个参数的首地址指针。从D20至D43应专门留给PID指令用于存储参数，通常需要在系统上电初始化时完成参数的输入，或者还可以使用编程器输入到受电池保护的D200以后的数据存储器，这样就不需要在每次上电时都把参数调入了。由PID指令分析后所得到的输出值存储在D50中。

在FX系列中，FX  是在内部固化了PID指令的PLC，它使用户在面对复杂控制时编程更加方便、程序量可以大大减少，控制的准确性和反应速度得到了很大的tigao。

3.4 输出程序

在PID指令执行后，所得数据将送至D/A模块，由它转换成4～20mA信号来控制变频器的输出，调节加药量，控制pH至。输出语句如图6所示。

图6 D/A转换程序

4 结束语

以PLC和变频器为核心的自动控制系统运用于pH值的控制，在工厂污水治理中取得了很好的效果。在以太湖流域为主要治理对象的“零点行动”中，许多污水处理厂采用这种自动控制系统都能很好地控制排放污水地pH值，tigao了工作效率，降低了工人的劳动强度，tisheng了污水处理厂的现代化水平。

1、引言

在国产高压变频器的设计中，为了tigao高压变频器内部控制的灵活性以及在现场应用的可扩展性，通常在高压变频器中内置PLC。自从20世纪70年代台PLC诞生以来，PLC的应用越来越广泛、功能越来越完善，除了具有强大的逻辑控制功能外还具其他扩展功能:A/D和D/A转换、PID闭环回路控制、高速记数、通信联网、中断控制及特殊功能函数运算等功能，并可以通过上位机进行显示、报警、记录、人机对话，使其控制水平大大tigao。

本文以广州智光电机有限公司为攀钢集团成都钢铁有限公司污水处理厂设计生产的国产高压变频器ZINVERT-H800/B10为例，介绍了三菱PLC在高压变频器控制系统中的运用。

2、广州智光电机高压变频器简介

广州智光电机有限公司推出的新一代高性能ZINVERT系列智能高压变频调速系统为直接高－高型变频调速系统，通过直接调节接入高压电机定子绕组的电源频率和电压来实现电动机转速的调节从而达到节能的目的。它是集大功率电力电子控制技术、微电子技术、高速光纤通信技术、自动化控制技术和高电压技术等多学科为一体的高新技术产品。该产品采用主流高性能专用双DSP控制系统和大规模集成电路设计，通过jingque的数字移相技术和波形控制技术实现了高压电机的灵活调节和能耗控制。

3、PLC在国产高压变频器中的设计使用

3.1 PLC主要逻辑控制

（1）用户要求高压变频器在出现故障停机时能快速自动切换到工频旁路运行，笔者给高压变频器专门配置了可以实现自动旁路功能的旁路柜，如图1所示，K1～K4为手动操作刀闸，J1～J3为高压真空接触器。在变频器发生故障时，旁路柜可以在几秒内完成从变频到工频的转换;而变频器在工频运行时，通过1个按钮就可以实现变频器从工频到变频的转换。这样的控制要求增加了变频器整机控制逻辑的复杂性。

图1 自动旁路柜

自动旁路柜控制逻辑简要介绍如下：

变频调速系统退出变频转工频运行有两种方式，一种是自动方式，一种是手动方式，选择自动方式时，当变频器发生停机故障时变频器自动从变频转工频;选择手动方式时则需人工操作。

变频调速系统退出工频转变频运行也有两种方式，一种是自动方式，一种是手动方式，选择自动方式时，只需在控制柜上按一个按钮，变频器就自动完成从工频转变频;选择手动方式时则需人工操作.

（2）PLC控制系统原理图

PLC主机选用输入输出点数48点，型号为FX2N-48MR，PLC作为系统逻辑量控制的控制核心，在自动旁路柜的逻辑关系控制中起着至关重要的作用。PLC控制系统原理图如图2所示。

图2 PLC控制系统原理图

旁路柜的逻辑控制要求比较复杂，采用PLC控制，接线简单，tigao了可靠性;旁路柜的逻辑更改也变得很简单，只需修改PLC梯形图程序就可以了，很方便满足用户现场的控制要求。

（3）PLC功能指令实现高压变频器PID闭环控制

用户现场对变频器闭环控制提出的要求是:变频器能够根据用户系统用水量的变化，自动调整变频泵的转速，实现管网恒压供水;同时还可以在液晶屏上设定压力目标值。

针对用户的要求，PLC另外配置了模拟特殊模块FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD为模拟输入模块，有四个输入通道，大分辨力12位，模拟值输入范围为-10V～10V或者4～20mA;FX2N-2DA为模拟输出模块，有2个输出通道，大分辨力12位，模拟值输出值范围为-10V到10V或者4到20 mA。这样通过读取指令（FROM）和写入指令（TO），以及PLC带有的PID闭环控制功能指令（如图3所示），就可以实现对用户现场的管网水压进行PID闭环控制。

图3 带有的PID闭环控制功能指令的PLC 程序

其具体编程过程是这样:PLC读取指令（FROM）读取用户水压反馈值，把反馈值用移动指令（MOV）存入PID指令中的D12数据地址里; 把用户的水压设定值用移动指令（MOV）存入PID指令中的D10数据地址里;D200～D222保存PID的运行参数;D14为PID指令的运算值输出，通过PLC的写入指令（TO）把PID闭环运算结果D14写入模拟输出模块，再通过模拟输出模块转换成-10V～10V或者4～20mA的模拟信号送入高压变频器控制器进行频率设定。

在进行PID运行参数设置时，P、I、D的参数设定尤其重要，其设定的好坏直接关系到管网水压控制的好坏。P表示比例增益，设定范围为0～99(%)，比例调节设定大，系统出现偏差时，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例增益，会造成系统不稳定;I表示积分时间，设定范围为0～32767(*100ms)，积分时间越小，积分作用就越强，反之I越大则积分作用弱;D表示微分时间，设定范围为0～32767(*10ms)，微分调节有超前的控制作用，合适的微分时间能改善系统的动态性能。

攀钢污水处理厂供水管网比较庞大，管网水压对水泵转速的变化响应比较缓慢， 因此PID的计算速度不能过快，即比例调节不能过快，否则如果管网水压突然变化大时，变频器的调节容易形成较长时间的振荡。根据这一情况，如图3所示，可以在PLC控制程序中加入PID间隔计算时间 （T0）以及PID运算死区（M0），这样就可以把PID的计算速度调节至与管网水压变化速度相一致，避免管网水压震荡。

（4）PLC功能指令实现PLC与变频器上位机通信

为了使变频器上位机能对PLC进行显示、报警及记录，PLC还配置了通信模块FX2N-232BD，实现与变频器上位机的串口通信，通信编程指令如图4所示。

图4 通信编程指令

PLC RS232串口通信可使用无协议（RS指令）或专用协议与上位机进行通信，本例中使用无协议与上位机进行通信，如图四所示:D8120用于设定PLC通信格式，D50表示发送起始地址，K60表示发送字节数量，D150表示接收起始地址，K20表示接收字节数量。

4、结束语

高压变频器自动旁路柜采用PLC进行旁路逻辑控制，通过在攀钢污水处理厂运行的智光高压变频器模拟故障说明，高压变频器自动旁路柜在从变频转工频，工频转变频的相互切换非常方便，能在10s以内完成，大大tigao了水泵运行的可靠性。现场PID闭环控制效果非常理想，水压波动非常小，波动在超过0.1kg时，变频器能迅速调节转速，把水压控制在设定范围内，调节转速时不会产生任何振荡。同时通过PLC与高压变频器控制器的串口RS-232通信，在高压变频器液晶屏上能监视系统管网水压及PLC各种状态量。