西门子6ES7253-1AA22-0XA0诚信经营

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　磁悬浮列车突破了普通铁路交通系统中使用车轮和轨道的传统技术界限，是没有车轮的、无接触的新型轨道交通工具，被誉为二十一世纪理想的交通工具。对于交通运输系统，安全是因素。因此，本文以磁悬浮列车为对象，主要研究基于PLC的列车信号监测系统(Maglev Train Monitoring System，简称MTMS)。

　　PLC现已成功运用在国内外大量的轻轨车系统中，如德国SIEMENS公司DUEWAG AG(Krefeld-Verdingen)制造的动力分散型轻轨车RegioSprinter，实现了多功能的分散控制，操作方便、容易监视。本文采用SIEMENS公司的S7-300系列小型PLC来实现车载监测系统。

1 MTMS的分析和设计

1.1 系统分析

　　MTMS主要实现对计算机联锁系统和车体信号设备进行监视和故障诊断，主要完成对车载3×16台悬浮控制器、3×2台推进用逆变器、3×1台DC-DC变换器及备用电池、3×1台空调逆变器以及其它辅助电源(以三辆车为例)的工作状态、故障信息的检测和记录，并将获得的信息传给上位机去处理并显示。由于列车速度快、信号量较多、环境复杂，因此MTMS系统必须有较强的实时性、可靠性，并且可以采集大量的开关量和模拟量信号。经比较，本文选择了SIEMENS公司的S7-300 型PLC组成PLC网络来实现。

1.2 方案设计

　　本文以三辆车为例，分别称首车、中间车、尾车。各节车厢通过各种传感器独立完成各自的信号检测，通过PROFIBUS总线将信息汇总于首、尾两车，进行显示。各节车厢的PLC组成远程分布式I/O系统，各个站之间采用DP协议进行通信。该系统分为智能的和非智能的两种。MTMS的系统组成如图1所示。

　　各站采用S7-300的十个槽的导轨、PS307(5A)的电源，用SM321(DI)、SM331(AI)实现A/D转换。主站均采用CPU315-2，智能的从站也用CPU315-2，但非智能的从站则用ET200(IM153-1)。首尾两车各加一个CP340模块，用于与上位机进行通信。主站的多点通信接口(MPI口)与驾驶系统进行通信。在选模块的时候，应注意选择的模块要满足列车所在地的温度要求，保证各个模块能够正常工作。

2 分布式网络实现

　　智能和非智能主要指从站是否具有独立的数据处理能力，用SIEMENS公司的STEP7 5.0进行网络设计时，二者有很大的区别。

2.1 智能分布式I/O系统

　　对于智能分布式I/O系统而言，各站相对独立。将首车配置成主站，中间车和尾车设成从站，用PROFIBUS总线进行连接。

2.1.1 具体步骤

　　(1) 创建项目，独立配置各站。其中模拟模块要进行参数设置，根据要接收的信号种类，选择信号类型以及测量范围。

　　(2) 加入PROFIBUS子网，配置网络，界面如图2所示。然后插入Dp Master，连接从站(将各CPU联到PROFIBUS之后，点击DP MASTER，从组件中拖进CONFIGURATION STATIONS，在弹出的界面中选择要连接的站，单击CONNECT)。

　　(3) 在DP SLAVE中定义数据交换的类型、缓冲区和长度。类型选择MS方式，长度不能超过32个字节。如果传输的数据大于32个字节，可以组态多行，但多不能超过242个字节，如图3所示。而主站的这些内容是不能定义的。

　　(4) 在BLOCK中添加OB82诊断模块。系统运行之前，OB82模块要对系统进行诊断，并将结果报告给CPU。如果没有错误，系统将正常地工作，否则不能进行工作。

　　(5)保存并编译。这样，就完成了智能型分布式I/O的组态。

2.1.2  通信程序

　　在OB块中调用系统功能块SFC14(DPRD-DAT)和SFC15(DPWDDAT)进行通信。

　　CALL “DPWR_DAT”      CALL “DPRD_DAT”

　　LADDR：=               LADDR：=  

　　RET_VAL：=             RECORD：=

　　RECORD：=              RET_VAL：=

　　二者的参数“LADDR”表示发送和接收缓冲区起始地址，“RET-VAL”表示返回状态值，“RECORD”表示存放数据和读取数据的起始地址，详细编程略。

2.2  非智能分布式I/O网络

　　非智能分布式I/O系统必须以主站为依靠，利用PROFIBUS连接各站，具体如图4所示。主站可以直接从从站的A/D端口读取所需要的信息。

　　具体步骤为:

　　(1) 创建项目，组态主站。

　　(2) 加入PROFIBUS子网，连入ET200。

　　(3) 在主站的硬件组态中，对ET200进行组态。

　　(4) 编程，在主站的OB块中可以直接对从站的各个端口进行操作，无需额外调用功能块。

　　(5) 保存并编译，将程序下载到CPU中。

2.3 MPI网络通信

　　列车的MTMS系统是一个完整的系统，它与列车驾驶系统的PLC采用MPI网络连接，进行全局数据通信。将主站和驾驶系统的PLC组成MPI网络，进行少量的全局数据通信。

　　具体步骤为:

　　(1)在分布式网络组态中加入MPI子网，并将与驾驶系统通信的PLC连入MPI网络中。

    (2)组态全局数据包。右键单击MPI，进入CONFIGURE bbbbbb DATA。加入要进行通信的CPU，并填入要交换的数据，注意一个GD包不能大于24个字节。将GD包编译两次(可以组多个GD包，但是需要多个循环才能执行完毕)。编译之后如图5所示。

　　在CPU的每次循环中，两个PLC之间都进行了一次数据交换，在循环的结束时处理发送，开始时处理接收。这样就实现了与驾驶系统之间的通信。

3 PLC与上位机的通信

　　主站终要把获取的信息传给上位机进行显示，由CP340来完成这项工作。CP340是具有RS232和RS485两种接口的智能通信模块，它可以使PLC与计算机进行点对点通信。它的RS485接口采用差动输出，具有远距离通信的能力(1100m)，能够满足需要。它对上位机的串口进行操作，使用ASCII协议。在组态的时候要对它进行参数设置，包括通信的波特率、帧的长度、有无奇偶校验以及校验类型。程序中对CP340的操作主要由CP软件包提供的FB2(P-RCV)和FB3(P-SEND)完成，它发送和接收的数据必须要放在数据块中。这样上位机可以在串口发送或接收数据，通信数据的数量则没有限制。

　　对于两种网络，它们各有优缺点。智能的组态和编程都很方便，便于扩展，速度比较快，但是造价较高;而非智能的扩展时的变动很大，要牵扯到整个系统，速度相对慢一些，但是它比较便宜。

摘 要: 针对温度控制在塑料挤出中的重要性，本文介绍了以可编程序控制器为核心、采用智能PID算法和脉宽调制原理的挤出机温度控制系统，并介绍了该系统的硬件组成及软件编程的方法和技巧。该温控系统硬件简单、控温精度高、性能稳定，具有较高的实用价值。 关键词: 可编程序控制器;温度控制;比例积分微分算法;脉宽调制 1.引言 　　在塑料挤出中，熔融物料温度控制的效果直接影响了挤出制品的质量，例如制品表面的残余应力、收缩率及制品质量的稳定性。 　　现有一台单螺杆挤出机，由于较早购置，挤出机的温控系统采用分离仪表控制方案。其加热方式为加热瓦分区加热。根据工艺要求，各区设定不同加热温度，采用温控仪表加继电器的温控方式。由于温控电路结构复杂，故障率较高，此外，温控表为断续控温方式，因此各加热区温度波动较大，塑料制品的加工质量难以稳定。 　　针对上述情况，我们设计了以PLC为控制核心的多回路不等温塑料挤出机温度控制系统。经试验，该系统控温精度高，硬件简单可靠，塑料制品加工质量稳定。 　　设备概况如下： 　　单螺杆挤出机，D=120mm，L/D=25，大产量450Kg/h，12个加热段，固体输送段3个，熔融段4个，熔体输送段3个，机头2个。采用风冷方式冷却。 2.系统硬件配置 　　本系统采用德国 SIMENS公司的 S7-3002 可编程序控制器为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。 　　其中CPU模块选用CPU-314IFM，其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。 　　数字量输出模块选用SM322，DO8 ×230VAC。模拟量输入模板选用 SM331，AI8 ×12 位，参数通过模板上的量程和STEP7设定;通道按两路一组划分。 　　温度传感器选用K型热电偶，其测温围适中，线性度较好，将SM331模块量程置于“A”。采用内部补偿温度补偿方式。 　　电源模块选用PS307。 　　上位机通过适配器与 PLC 组成MPI连接。PLC与上位机之间可相互通信，实现对温度的实时监控。 　　系统硬件配置如下： 图1系统硬件结构组成 图2 温度变化示意图 3.系统工作原理 　　本系统是一个闭环反馈控制系统。在一个采样周期内，温度传感器（热电偶）将检测到的料筒与机头温度信号，经模拟量输入模块SM331，由CPU读取。CPU将读取的数值PV与设定值SP进行比较，得到偏差e = SP—PV。根据偏差的大小和温度控制策略进行计算，得到控制输出，即继电器在一个采样周期中的导通比，经过脉宽调制，后得到继电器在一个采样周期中的导通时间。通过控制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热时间，或者冷却风机的工作时间，从而达到控制温度的目的。 4.温度控制策略 　　在进行PID调解时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调解就会产生控制作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来产生控制作用，它可以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来产生控制作用，对系统的控制有滞后的作用，可以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分作用太强，特别是在系统偏差较大时会使系统超调量较大，甚至引起振荡3。因此，本系统中，我们智能PID温控策略。 　　图2中，Tm为机筒或机头某一段的设定温度，±△T1，±△T2，为、第二温度区间值。 　　热电偶测的温度用T表示，控制策略如下： 　　（1） 当T 　　（2） 当Tm-△T2 　　（3） 当Tm-△T1 　　自适应PID控制如图3所示，当温度T>Tm+ξ且在采样周期中，温度持续上升，则继电器断开（a→b，g→h），停止加热;T 　　注意，由于在加料段和熔融段，物料控制的精度要求相对低一些，因此，在这两段的死区阀值ξ=△T1，在熔融输送段和机头，物料控制的精度要求高，因此死区阀值ξ=0.7△T1，ξ的大小根据实际情况决定。 　　（4）当T>Tm+△T1时，接通风机，强制冷却。 　　由于物在料挤出机的不同区段状态不同，所设定的温度也不同，因此不同的区段控制精度也不同。 　　在固体输送段，物料为固态颗粒，物料与机筒之间的作用力是摩擦力。在摩擦力作用下，电机的机械能转化为热能，物料被挤压成固体塞。物料温度升高，软化，该段的设定温度低于物料的熔融温度，温度控制精度较低。 　　在熔融段，与机筒内壁接触处的物料达到熔融温度区域，物料开始熔融。物料逐渐由固态熔融为液态。该阶段物料需要吸收大量的热，同时又要防止物料温度过高分解，因此该段温度控制精度较高。 　　在熔体输送段，该段又被称为均化段。在这一段一是要保证物料成分均匀混合，同时也要保证物料温度均匀分布。该段的温度控制结果决定了终的温度控制结果，因此这一段的温度控制精度高。 图3.温度自适应控制 5.PLC编程 　　本系统采用STEP7 5.3，选用梯形图编制温度控制程序。由于本温控系统中每一回路采用的控制策略及所完成的功能均相同，因此采用结构化程序设计方法设计温度控制程序。比例调解功能块FB用于计算，每一个加热段对应一个相应DB数据块。程序运行时，FB调用相应的DB块进行计算，得出各加热段相应的输出量。 　　（1）比例调解功能块FB3，它主要由功能块FB41和FB43组成。由FB41根据温度偏差进行PID运算，计算出输出量（即继电器在一个采样周期中的导通率），再由FB43将其转化成脉冲信号，完成脉宽调制。程序在一个采样周期中多次调用功能块FB来实现各回路的温度控制计算。本系统中比例调解功能块FB通过OB35中断调用。OB35是定时中断组织块，在程序中设定20s间隔运行。 　　（2）功能块FB41完成PID控制算法。FB41中P、I、D以位置式验算参与工作。比例（P）、积分（I）、微分（D）作用以并行结构的形式相连接，通过激励软件跳选开关可组态成为P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用户参数如设定值、过程变量、操纵变量、比例增益、积分时间、微分时间、采样时间、量化处理、功能选择等存储在各加热段相应的DB数据块中，可在线或离线修改。 　　（3）功能块FB43完成脉宽调制，脉冲输出时间 采用如下计算公式： 　　  　　式中 PER_TM——脉冲输出周期，等于功能块FB41的采样时间20s，INV——功能块FB43的输入参数，等于FB41的输出值。 　　（4）与上位机通信的设计与实现 　　PLC与上位机的通信主要通过读取和改变 PLC的DB 来实现，包括实际温度数据块、设定温度数据块、加热继电器信息数据块、冷却继电器信息数据块、各中间继电器报警信息数据块等。 　　（5）PID参数的整定 　　先采用 Ziegler-Nichols4方法获得系统的 P、I、D 参数，然后在现场用试凑法加以修正。 　　Ziegler-Nichols方法整定参数 PID 参数具体方法如下： 　　给系统施以阶跃激励（全功率加热），根据阶跃响应曲线测量出系统的放大系数 K、等效时间系数 T 、纯滞后时间 t ,然后按 Ziegler-Nichols 公式计算出 PID 算法中所需的比例参数、微分参数Ti、积分参数Td，见表1。 表1 Ziegler-Nichols整定公式 6.上位机监控系统 　　人机监控界面采用西门子组态软件WinCC6.05。通过读取PLC的DB 块，在上位机上可显示各加热段实际温度，加热器或风机的开闭状态等。下面阐述监控系统的功能及实现方法。 　　6.1主屏功能与实现 　　主屏主要显示各加热区实际温度，加热器及冷风机的开闭状态等，通过图形编辑器和相应的标签管理来实现。 　　6.2温度趋势图的设计与实现 　　温度趋势图主要显示各加热区的历史温度和当前温度，通过WinCC将时间取样数据和事件记录在数据库，通过曲线的变化反映温度的历史记录。 7.结束语 　　本论文创新点：根据挤出理论，分析挤出机各段的温度分布情况，根据各加热段所处的不同位置，采用不同的温度控制精度来设计智能PID温度控制系统，降低了控制难度。用PLC做控制核心，WinCC作监控软件，实现温度控制的要求。经试验，在新的温控系统控制下，挤出机工作平稳，取得良好的控制效果，温度超调量小于3℃，静态误差小于±1℃。

1  引言

    风冷组合式机组基于plc的全新风热泵型屋顶式空调机组，集送风、制冷、加热、加湿、空气净化、电气控制等于一体，具有制冷量大、制冷回路简化、可靠性强、结构紧凑等特点。机组可以安装在屋顶，不占用有效空间，空气处理部分也可安装在机房内，送风管道连接简便。采用plc控制系统能够保证机组jingque的温、湿度。本文结合某单位设计安装的空调系统实例概述该类空调产品的控制特点。空调系统控制要求综述：

(1) 温控范围及灵敏度：夏季10±2℃，冬季8±2℃；

(2) 湿控范围及灵敏度：夏季55±10%，冬季40±10%；

(3) 变风量运行，且配置备用送风机段，在风机故障时自动投入运行；

(4) 机组制冷量200kw，制热量(热泵式)124kw，能量控制分如下几档：0%，25%，50%，75%，。

2  系统设计

2.1 硬件架构

(1) 各回路均配置空气开关、交流接触器及热继电器；

(2) 送风机配置变频器，频率可调节范围30~50hz；

(3) 控制系统采用西门子s7-200cn可编程控制器，人机界面采用全中文显示的西门子触摸屏，具体配置为：cpu226一块、em222一块、em235一块、em231rtd三块、em232一块、触摸屏ktp178一台、新风、室内温湿度传感器各一只、除霜探头四只、露点温度传感器一只。

2.2 控制对象

    机组控制对象包括：送风电机(一用一备)、送风机变频器、预加热电加热器、电加热器、加湿器、风阀、涡旋式压缩机、冷凝风机、四通换向阀等。基于plc的全新风热泵型屋顶式空调机控制流程如图1所示。

图1  全新风空调系统控制流程

3  系统原理设计

3.1 夏季控制

    机组做制冷运行，并按露点温度控制。露点温度由用户在触摸屏上设置。当蒸发器露点温度大于设定值△t1℃时先启动压缩机1，大于设定值△t2时启动压缩机2，压缩机1运行延时一段时间后，由室内温湿度传感器测量值与室内温湿度设定值比较，若温度偏高△t3，再启动压缩机3，偏高△t4时启动压缩机4，与此同时若室内湿度大于设定值，投入电加热(如果室内温度低于设定值也要投入电加热)，若新风温度低于设定值，压缩机1，2停止，同时湿度低于设定值时压缩机3，4也停止。

3.2 冬季控制

    冬季机组热泵运行，当新风温度低于默认值t1℃时，压缩机1启动，低于默认值t2℃启动压缩机2，当新风温度低于默认值t3℃且室内温度偏低t4℃以上，压缩机3启动，当新风温度低于默认值t5℃且室内温度偏低t6℃以上，压缩机4启动，若新风温度低于t7℃预加热投入；若室内温度低于各设定值t8℃时电加热分组启动；高于设定值t9℃时电加热依次停止；若新风温度升至t10℃时，预加热和电加热都停止；如果压缩机启动，则电加热停止。热泵运行一段时间后，当室内温度高于各设定值t11℃时依次停各压缩机。此外，室内温湿度还可根据实测值由热回收装置和加湿器进行加热控制和加湿调节。

3.3 除霜控制

    冬季机组做热泵运行时，特别是当环境温度接近0℃或低于0℃时，机组将出现结霜状况。除霜时采用互锁控制，避免温度波动过大，即系统1进入除霜时，系统2不能同时进入除霜，系统3进入除霜时，系统4不能同时进入除霜；除霜时投必要的电加热。当机组进入制热工况后，低温低压的制冷剂进入翅片换热器，盘管温度不断下降，吸气温度也随着下降，当盘管温度下降到设定值时，并且除霜周期已到，plc控制四通换向阀换向进入除霜模式，同时停止冷凝风机，启动电加热器；当蒸发器盘管温度上升到 设定值，或除霜执行时间到达设置的长除霜时间，四通阀换向，除霜结束，电加热停止运行，机组又进入制热工况，如此循环下去。

3.4 加湿器控制

    送风机启动后，当室内相对湿度低于设定值时，加湿器按比例投入。若选用电极加湿器，则在加湿器上配有加湿控制板，能自动进行进、排水控制，为方便用户使用，在plc还加上加湿器手动排水和定时排水控制。

3.5 送风机控制

    当主用送风机故障并停机时，可自动切换为备用送风机运行，并关闭主用送风机相应风阀，启动备用送风机相应风阀。在备用送风机工作时，应修理好主用送风机。送风机通过变频器改变频率，从而改变送风机的转速，终达到变风量运行且节能目的。

3.6 变频器防干扰处理

    变频器很容易产生干扰源，使温湿度波动加剧，严重时会使控制器误动作，影响空调机正常的逻辑控制，因此，无论从硬件还是软件方面都必须考虑消除变频干扰。布线时，动力线与控制线分开，变频器必须可靠接地，热电阻pt100应使用桥式接法。软件方面应对各模拟量输入接口进行滤波处理等措施。这样基本能消除变频器所带来的干扰。

3.7 人机界面

    采用全中文的触摸屏显示器，操作简易，显示内容丰富。可实时监控各处的温、湿度参数，设定室内温、湿度值，定时开、关机功能，显示实时故障与历史故障。为安全起见，对一些重要参数设置多级密码保护。

3.8 安全保护

    机组主要设置如下保护：送风机变频故障、送风机风压故障、电加热高温保护、用户外部故障连锁、电源相序保护、压缩机高、低压保护、压差报警、加湿故障。

4  结束语

    全新风热泵型屋顶式空调机已经在某单位可靠运行一年以上，满足用户温、湿度控制要求，用户反映良好，机组运行至今还没有出现任何不良故障。全新风热泵型屋顶式空调机大特点是能向被控环境提供新鲜的舒适空气。对于不同季节，使用不同运行模式，既高效又节能。此类空调机在冶金、化工及机电等行业将得到广泛应用，具有广阔的应用前景。