6ES7231-7PB22-0XA8库存充足

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1  引言
        调质处理是金属热处理的工艺流程，包括淬火和回火两个过程。淬火就是将工件在热处理炉中进行加热至规定温度，然后在水或油介质中快速冷却，回火就是将工件在热处理炉中进行加热至规定温度，然后在空气介质中自然冷却的过程，将上述两个过程分别连续完成，即调质处理。调质处理设备称为调质炉，调质过程的关键在于温度控制。

2  调质自动化系统
2.1 工艺过程
        本项目需要调质的工件材料是直径22m/m～80 m/m的棒材按照如下过程生产成符合gb549-1995标准的链环链条产品：将相应直径的棒材按照工艺要求下料，其长度l=6d，其中d为两头半圆圆形的直径；在350kva电加热单机设备上将长度l的棒材进行电阻加热至700℃～800℃，便于折弯；在折弯单机设备上将热的棒材弯成两头为半圆形状、中间局部为直线型整体为椭圆的连环产品；在250kva大功率闪光焊机上进行预热连续闪光对焊焊接，将椭圆的连环形状的接头处焊接牢固，不能存在焊接裂纹；在削刺单机设备上将焊缝处的焊接毛刺修整掉，使产品整体表面光滑美观。由于链环经过闪光对焊焊接，在焊接部位产生了内应力，为消除内应力并提高链环整体的机械性能和延伸效果，必须对链环进行热处理，热处理由调质炉中完成。
2.2 调质炉的基本构造
        调质炉由淬火炉和回火炉组成，两炉近靠，都是立式结构，整个炉体高约12m，中心线高约10.5m。炉体的容量较大，下方设有大容积容器，存放热处理冷却介质。淬火过程要求加热升温快，但温度控制精度要求不是很高，回火过程要求升温速度较慢，保温时间较长，而且温度控制精度高，因此淬火炉采用油加热，回火炉采用电加热。由于调质炉体容积大，为提高温度控制精度和调节方便，回火炉的电加热采取炉中分区布置大功率电阻丝方式。根据热处理工艺测算，由上而下共分8个区，其中1区～4区，每区电功率90kw，计360kw；5区～8区，每区电功率75kw，计300kw，共660kw。链条首先从淬火炉下方由传送机构传送进炉，在炉体内向上运动，经过炉顶导轮，再在炉体内向下运动，然后出淬火炉，完成了淬火加热过程，出炉的同时在水介质中快速降温冷却，然后由传送机构再送入回火炉，在回火炉体内向上运动，经过炉顶导轮，再在炉体内向下运动，出回火炉后，在空气介质中自然冷却，完成了回火处理，整个热处理过程即完成了链条的调质。链条的运动速度由热处理工艺决定，并能够整定调节。淬火炉和回火炉的温度根据产品工艺调整，淬火炉温度误差不大于±10℃，回火炉温度误差不大于±5℃。一般淬火炉加热温度在1100℃左右，回火炉的加热温度在800℃左右，因此回火炉温度相对误差小于±1%，控制精度较高。
2.3 控制方式确定
        实现温度控制的方式很多，根据对该调质设备温度控制要求分析，拟可采用以下方式：
        (1) 采用两位控制(即开—关控制)，即低于设定温度时开始加热，高于设定温度时停止加热，但因为炉体容积大、加热实施的电功率大，温度惯性大，温度实际波动幅度大，控制精度低，不能满足工艺要求；
        (2) 采用pid调节，理论上可以提高精度，考虑到链条在运动中，加热分区多，可能不同区域的温度相互影响，调节困难，效果难确定，而且控制系统构成成本高。
        (3) 分析可编程序控制器强大的程序控制功能，结合温度控制特点，将温度控制范围区域进行细分，用逻辑功能实现细分的温度区域状态控制，实质上用可编程序控制器构成温度模糊控制系统。模糊控制不需要jingque的公式，是基于经验得出控制规则。
2.4 模糊控制原理
        可编程序控制器模糊控制是模糊控制的一种，其核心是利用模糊结合理论，将人的控制策略的自然语言转化为可编程序控制器的知识库和程序，在可编程序控制器实现控制时，能够模拟人的思维方式，对一些无法构造的数学模型被控对象达到有效控制。如图1为典型的模糊控制系统原理构成。

图1  模糊控制系统原理构成

        在模糊控制器中，就是将确定输入模糊化，转化为相应的模糊子集，根据工艺要求及产品特性，我们将该模糊化过程按照偏差划分为7个子集，即表示为e={nl，nm，ns，ze，ps，pm，pl}，其中nl，nm，ns，ze，ps，pm，pl分别表示负大偏差、负中偏差、负小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差。
        调质炉中的温度通过大功率电阻丝加热获得，每个区域的电阻丝功率分别是60kw或75kw，调节电阻丝的发热功率，即可控制炉中的温度，而调节电阻丝发热功率的依据就是炉中的实际测量的温度与工艺设定温度之间的偏差，通过功率调整单元实现加热功率的调节，从而使炉中温度符合工艺要求。
2.5 控制系统构成与温度采样
        结合工艺要求和现场的具体环境，确定用三菱fx2n-48mt可编程序控制器晶体管输出的基本单元和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制系统。
2.6 控制单元性能
        fx2n-48mt是三菱可编程序控制器系列产品中具有代表性的一种，属于小规模系列产品但指令丰富，功能强，可以实现其他产品中大型规模档次的部分功能，使用十分方便，可靠性强，可以适用于各种工业环境。fx2n-4ad-tc的功能是将4个热电偶(k型或j型)的信号输入到可编程序控制器，分辨率k型为0.4℃，j型为0.3℃，其中k型热电偶可以满足额定温度范围为-100～+1200℃，j型热电偶可以满足额定温度范围为-100～+600℃，选用正确的热电偶型号完全可以满足调质炉温度的测量。
        调质炉的回火部分共分为8个加热区域，fx2n-4ad-tc单元有4路输入，因此用三菱fx2n-48mt基本单元和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制系统即能满足控制要求。不需要特殊的现场电源。
2.7 温度补偿
        通过热电偶测量温度，存在温度误差，因此必须对热电偶冷端补偿。工艺温度在800℃左右，采用eu-2补偿导线即能满足要求，但长度不超过50米。
2.8 温度采样设定
        由于热处理现场环境恶劣，加热区域多，存在较多的干扰。为提高温度采样的精度，在进行数据处理和模糊控制前，先对数据进行滤波。
        对8个加热区域中，每个区域安装一个测量热电偶，个fx2n-4ad-tc模块的4个热电偶测量加热1区～4区，第二个fx2n-4ad-tc模块的4个热电偶测量加热5区～8区。fx2n-48mt和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制单元时，个fx2n-4ad-tc模块接于基本单元右端的，功能模块号为no.0，第二个fx2n-4ad-tc模块接于个fx2n-4ad-tc模块的右端，功能模块号为。控制单元的组成如图2所示。考虑到炉体空间较大，温度变化的大惯性，每个通道温度采样16次后再取平均值作为测量输入，8个k型测温热电偶全部选择k型， 作为温度测量输入，因此温度测量设定如图3所示。

 图2  控制单元组成

图3  温度测量设定

2.9 温度测量输入   
        2个功能模块的8个测量输入通道的输入方式设为采样输入平均值。no.0模块4个加热区测量实时温度平均值送到d10～d13，模块4个加热区测量实时温度平均值送到d20～d23。将实际温度与设定工艺温度比较，求出偏差e，并将该偏差e送入数据寄存器中。加热1区～4区，加热5区～8区的偏差分别存放于d50～d57中，如图4所示。

图4  温度测量输入

3  软件设计
3.1 模糊化量推理过程
        为进行模糊化处理，根据调质炉的特点和热处理工艺要求，确定模糊控制器的偏差输入量e的范围为[-20℃，+20℃]，模糊子集为{nl，nm，ns，ze，ps，pm，pl}，也就是负大偏差、负中偏差、负小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差。
        为分析方便，仅以no.0模块的通道为例。根据温度调整的实际，确定几个偏差点温度值存放于可编程序控制器数据寄存器d60～d65中，用实际测量的温度偏差e(即寄存器d50中的数据)与d60～d65中的值比较，比较得到的结果确定偏差的隶属度，可以得出相应的偏差模糊化量。因此得出区域的比较模糊化量、比较范围和偏差数据寄存器的示意如图5所示。图模糊控制规则推理如附表所示。

        区域比较的模糊化量nl，nm，ns，ze，ps，pm，pl
        偏差比较点的数据寄存器设定    d60、d61、d62、d63、d64、d65

 图5  偏差比较范围示意图

3.2 程序设计
        从上分析可知，模糊化量实际上就是不需要确定温度的jingque数，而是确定了测量温度与设定温度之间的差值范围，将连续量转化为满足工艺要求的区域范围，通过编程语言，实现温度控制。
        如果将区域范围看成一种状态，以上可以得到相应的不同状态，则利用可编程序控制器的辅助继电器，可以非常方便的将模糊化的量转化为辅助继电器的一一对应关系，实际上将温度连续的物理量转化为逻辑量运算，再利用可编程序控制器的强大的逻辑量运算功能实现自动控制。
        状态是一个温度范围，fx2n系列可编程序控制器采用范围比较指令，即可完成状态的比较。如图6为模糊化的状态比较程序。

图6  模糊化的状态比较程序

4  结束语
        项目投入运行表明，基于plc的模糊控制调质炉进行链条调质的工作过程和温度控制精度达到设计要求。系统控制稳定性满足工艺要求，运行可靠。

1  引言
        scada系统即数据采集与监视控制系统，是典型的工业自动化系统。某型号战车主要负责电子侦察与通信指挥，作为一个机电一体化系统，其复杂程度丝毫不亚于工业生产线，实时监控至关重要。军用车载scada系统由三大部分组成：上位机(含hmibuilder组态界面)、下位机plc(西门子s7-300)、传感器及执行部件。其主要功能有：战车行驶速度监控与报警、车载电子设备参数设置与数据采集、实时数据曲线显示与报表、历史数据存储与查询等。系统通过组态建立友好而直观的人机交互界面，实现了对战车运行状况尤其是动力系统和车载电子设备的实时监控。

2  系统硬件结构
        车载scada系统选用北京昆仑纵横公司hmitech系列嵌入式工控机tpc105作为上位机。tpc105是一套以嵌入式低功耗cpu arm-2440为核心(主频400m hz)的高性能嵌入式一体化工控机。该产品采用了液晶触摸屏技术，同时预装了bbbbbbs xp操作系统和嵌入版组态软件hmibuilder，负责提供系统全部监控界面、报警机制与数据记录分析的功能。
        下位机则选用了西门子公司s7-300 plc以及相应信号调理模块、i/o模块作为现场控制与数据采集单元。s7-300 plc具有简单实用的分散式结构和多界面网络能力，并且当监控任务增加时可以自由扩展，应用灵活。上位机与下位机通过mpi协议进行通信。
        硬件还选用了大量的传感器和执行部件作为现场数据采样和控制执行，主要包括温度传感器、速度传感器、液压伺服机构等。系统的硬件组成如图1所示。

图1  车载scada系统硬件组成

        plc的编程选用了西门子step 7 v5.4来进行，硬件组态在step 7的硬件配置编辑器中按照一定的顺序进行的，主要包括以下七个步骤：创建新项目、添加s7-300站、添加导轨、添加电源、添加cpu、添加i/o模块以及保存并编译组态等[1]。

3  基于hmibuilder的软件设计
3.1 监控界面
        系统软件体系可分为采集子系统和监控子系统两大部分。
        (1) 采集子系统即由step 7编写的梯形图程序，它被下载至plc下位机中运行。
        监控子系统即由组态软件编写的监控程序，监控程序的编写是对采集到的数据以及控制参数进行组态的过程。
        (2) 车载scada系统选用北京昆仑纵横公司hmibuilder v2.1组态软件开发。作为一套国产工业组态软件，hmibuilder具有界面友好、操作方便、功能强大，并且结构容易扩充等特点。用hmibuilder进行工程组态设计的一般流程步骤如图2所示[2]。

图2  hmibuilder工程组态设计一般流程

        为了能及时准确地掌握战车运行状态，监控软件中建立了战车运行总貌、动力系统监控、卫星通信指挥网监控、电子侦察设备监控四大监控画面以及相应若干子监控画面。基于安全方面的考虑，系统开机后首先是用户登陆界面，在经过安全认证后方能进入系统，并且用户分为一般用户和管理员用户两种。系统用户管理界面和主监控界面示意图分别如图3和图4所示。

图3  车载scada系统用户管理界面

图4  车载scada系统主监控界面

        监控画面分为三个区，顶端是按钮区，实现不同监视界面与功能的切换；中间是主画面区，显示控制参数和战车运行状态，包括各种仪表显示、指示灯、数据曲线、历史报警信息以及控制开关等；底端为信息栏，显示新的报警信息和提示信息。当tpc105触摸屏上位机与plc通信中断时，所有监控参数模拟量显示灰色，开关量闪烁不定，即指示通信故障。为了进一步提高系统安全性，plc运行控制时完全独立于上位机，这样即使上位机出现故障或断电，plc仍然可以继续完成对战车的控制[3]。
3.2 语音告警的实现
        车载scada系统的一个重要功能是及时向车上人员发出语音告警信息和提示信息。一般情况下，可在

1  引言
        发信系统调度中心完成对发信系统高压设备的控制、监测、状态和工作参数显示、故障提示，同时完成与发信系统其他控制设备通信等功能。由plc构成的控制柜在线采集运行数据和确定运行状态，并将它们传输至调度中心，控制柜接收调度中心指令对发信系统的设备实施控制，构成完整的监控系统。该系统的设计目标是实施对发信系统多种设备进行远程监视、控制、测量，实现无人值守，对各种瞬间发生的电气事故进行分析判断，对现场众多电气数据进行记录和统计处理。

2  系统设计
        基于plc设计的监控系统由三个部分组成：1 设置在调度中心的操作终端设备；2 分布在设备现场的五个控制柜；3 数据传输通道。系统结构图如图1所示。

图1  系统组成框图

        由图1看出：系统包括上位机和下位机两部分。上位机是指调度中心的1＃cpc、2＃cpc(操作终端)，其中包括hmi(human machine interfa -ce)系统和数据库管理系统，功能是遥控操作，遥信、遥测显示及数据报表统计，记录事故分析等。而下位机是指数据采集系统及各种智能控制设备，在这里指的是plc控制箱和5个控制柜。　　                                
2.1 由plc模块构成的控制柜
        下位机的关键设备是采用plc构成的五个控制柜。该方案采用模块式结构，可根据应用需求进行灵活配置和可以扩展。采用plc的控制柜基于几点考虑：
        (1)系统为闭环监控工作方式，对于控制过程的安全性要求较高；
        (2)plc具有高可靠性和极强的抗干扰能力；
        (3)模块化配置实现多功能扩展。
2.2 plc 编程软件
        plc编程用基于microfost bbbbbbs环境的编程软件gx developer v8.26开发。以实现现场数据的采集、计算、统计、数据通信、系统故障诊断等功能。gx developer v8.26符合iec-1131-3 编程语言标准，有梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本、指令表。gx developer v8.26t提供了实用简单友好的用户界面，有丰富的编译工具、强劲的搜索功能、自由格式的图形编辑器、完善的在线帮助，使得对modicon tsx momentum(模块式momentum plc组板)构成的自动化控制系统的程序编写、软件调试、系统维护十分简单。
2.3 系统软件设计
        系统上位机采用mcgs(monitor and control generated system)组态软件、mcgs是一套基于bbbbbbs平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于microsoft bbbbbbs 95/98/me/nt/2000等操作系统。mcgs为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及监控网络等功能。mcgs具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，在石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域已进行了成功应用。目前，mcgs组态软件具有整个工业监控系统的从设备采集、工作站数据处理和控制、上位机网络管理和web浏览的所有功能，很好的实现了自动控制一体化的功能。使用mcgs，可以在短时间内完成一个运行稳定、功能全面、维护量小并且具备水准的计算机监控系统的开发工作。
2.4 系统网络结构
        系统采用标准的开环总线以太网配置。这样不仅降低了成本，方便布线，易于扩展；而且网络结构上保证了信息传输的安全性，能对数据进行有效的分流，从而减轻网络负荷，增强了系统的可靠性。其网络标准为ieee802.3；传输速率为10mbps。整个系统采用10/100m以太网交换机形成自适应以太网通信。 
        控制柜设备之间的数据传输采用plc专用网络melsecnet/h组成控制层网，melsecnet/h网络是通过光纤连接plc控制器与plc控制器的专用网络，通过使用高速通信和大容量的链接软元件，在控制系统设备之间实时地传递和设备的运转、动作相关的数据，可以实现25mbps的高速通信，光纤采用双重回路提高了系统冗余性和可靠性。
        上位机与下位机的通信是监控系统的一个关键。我们选用mcgs的设备构件用于实现以态网模块(qj71e71-100)和三菱q系列plc通讯。三菱q系列tcp/ip设备构件把plc的通道分为只读，只写，读写三种情况，只读用于把plc中的数据读入到mcgs的实时数据库中，只写通道用于把mcgs实时数据库中的数据写入到plc中，读写则可以从plc中读数据，也可以往plc中写数据。
通信网络采用主从方式定时收发数据。在本系统，上位机定义为主设备，下位机五个控制柜所有智能监控装置定义为从设备，只有主设备能初始化或对从设备查询。所有设备都有规定的ip地址或站地址，主设备按地址发布消息，从设备根据主设备查询或提供的数据决定要产生何种行动，实现了系统的监控功能;同时当系统故障，比如五个控制柜中有某一个从网络中断开，在主设备端马上诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这样有利于操作员进行系统功能诊断。　　

3  系统工作过程
        下位机从现场设备采集遥信及遥测信号，经过一定的处理后存储到plc的寄存器中供上位机读取；同时接收上位机发送的遥控命令经过处理后传给现场设备。而上位机则是负责从下位机读取遥信量和遥测量，经过处理后进行显示或生成报表等；同时根据操作员的需要发出遥控命令。下面分别介绍系统的具体工作过程。
3.1 系统通信
         整个系统的通信都是基于ip地址的。
        (1)上位机和下位机的通信，是通过为mcgs组态软件的各个数据建立通信通道来实现的。
        (2)下位机之间的通信：下位机之间的通信通过melsecnet/h网络完成melsecnet/h网络具有的ras功能，ras功能代表可靠性、可用性、可维修性。melsecnet/h网络具备环路回送功能，在光纤环路系统中，传送路径是双结构，当传送路径中发生错误时，通过把传送路径从正向环路切换成反向环路或从反向环路切换成正向环路或进行环路回送来断开故障区，在仍然能够进行数据通讯的站之间继续正常传送。
        正常时使用正向环路或反向环路进行数据链接，如图2所示。

图2  melsecnet/h网数据链接环路

        异常时正向环路反向环路中出错，使用反向环路正向环路继续数据链接，如图3所示。

图3  melsecnet/h网数据链接环路

3.2 下位机接受遥控(yk)命令
        上位机往下位机写的遥控(yk)命令，是以一个字(word)为单位的，一个字包括16位(bit)，每一位(bit)代表一个遥控信号。每个遥控对象又有两种操作状态(如断路器的分闸和合闸)。从上位机来的16位的遥控字(word)存到plc的cpu处理器通信适配器的寄存器的某个区(如400011)中，当操作员发出一个遥控命令时，相应的遥控位由0变为1，离散量基板上对应的输出端被置为高电平，被控制的断路器受电动作。通过设置让输出端的高电平维持2秒钟，以确保断路器操作机构动作使断路器跳闸或合闸。
        由于plc模拟块是低电压低电流输入，而控制回路电压电流比较大，因此需要用继电器来进行电气隔离放大。
3.3 下位机遥信(yx)信号处理
        遥信(yx)信号包括位置信号和非位置信号，位置信号包括断路器和隔离开关的分、合状态；非位置信号包括保护信号和故障信号的状态。遥信信号是由momentum的离散量基板进行采集的，离散量基板把从现场设备送上来的16位离散的输入数据以一个字(word)的方式传送给cpu处理器通信适配器，再由cpu处理器与上位机建立通信、传送数据。
3.4 下位机遥测(yc)信号处理
        遥测信号是用8通道输入差分基板采集的，我们采用的是平均值变送器，把控制柜一次回路中的交流电压和电流以直流平均值表示，再输入到模拟量基板中。基板的8输入通道是为8个模拟量输入提供的，每个模拟量占用一个通道，每个输入通道对应一个输入字(word)；由于模拟量aai基板上扣有momentum的cpu处理器适配器，因此由基板传上来的模拟量信号直接存到cpu处理器的寄存器中供上位机读取；而每个通道的输入参数则通过concept中硬件配置中的i/o map进行设定。
3.5 上位机功能实现
        上位机运用mcgs组态软件主要实现以下的功能模块：欢迎画面、主画面、系统运行记录、设备配置图、控制柜实况图、电压电流显示图、控制柜控制屏、事件记录、报警记录、模拟屏显示、曲线、重载数据库、程控操作、报警画面、数据备份与恢复、模拟控制柜接线图、系统帮助画面。
        采用mcgs自带的数据库的报表管理系统对整个控制系统产生的数据进行查询、打印、转出、计算、分析。该系统主要有以下功能：日报管理、月报管理、操作事件管理、异常事件管理、报警信息管理、图形分析。
        报表管理系统还具有丰富强大的电子制表功能。通过动态数据交换(dde)和odbc标准，可方便地将系统的实时数据、历史数据库、应用数据库与报表系统链接，可生成柱形图、条形图、面积图等二维或三维的彩色图型，形成图文并茂、直观清晰的图文报表，并可召唤、定时和条件驱动打印报表。
3.6 web功能实现
        在本方案中，所采用的mcgs软件为网络板因此不需要任何特殊的配置，只要有一台配置了web浏览器(如ie、netscape navigator)的pc机就可以通过以太网浏览到上位机的web 网页。实时地显示该上位机点的运行状况。

4  结束语
        本文介绍了基于plc的发信系统控制方案，并据此设计和建成了一个完整的监控系统。系统组网简洁，软件层次清晰并满足可靠性和可扩展性。实现了对发射系统自动化、智能化的控制。