西门子6ES7222-1BD22-0XA0诚信交易

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引言

在生产领域中，各种原料之间的配比精度对生产过程的稳定和产品的质量、产量有重要的影响。定量给料系统已广泛应用于水泥建材、冶金化工、电力煤炭等行业粉体连续输料的流量测量与定量给料的工业环节，如水泥厂人窑煤粉的定量给料及输送就是一个典型的例子，其供料过程中的稳定性、均匀性等问题是影响计量精度的主要因素。由于它用途广泛，对提高给料系统的自动化程度就有着重要的现实意义。

本文 的 物 料定量给料系统是根据国内外智能配料系统的发展状况和趋势，结合企业提出的具体要求的基础上设计的配料系统计量装置;它采用可编程序控制器作为整个控制系统的核心，具有原理先进、结构简单、给料均匀可靠、测量准确等特点。

1 系统结构及设计

可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广，其主要特点是:工作可靠、可与工业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速，为继电器逻辑控制所望尘莫及。

该计量装置控制对象和参数多，工作条件恶劣，且要求具有一定的管理功能，为提高系统的可靠性，便于维护 ，拟采用以可编程控制器为核心，以触摸屏计算机作为交互界面，配以各种输人输出专用模块和专用信号调理电路组成一个完整的控制系统。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

1.1 系统测控时序

系统测控时序图[3」如图2所示。系统在料位低点①时，控制输出装料生成指令，装料阀接受打开指令后打开，系统进人体积给料期。经过一个时间延迟后，装料阀全部打开，并发出装料阀全开反馈信号给控制系统，经过一个设定的时间延迟后，硫化空气打开，系统进人快速加料阶段。当物料加到料位高点④时，称重系统检测到料斗满料信号而输出装料阀关闭指令，装料阀接受指令开始关闭，系统运行到装料阀全关点⑤时，输出蝶阀关闭信号，到此系统装料过程结束，进人出料阶段。经过一段稳定时间后系统运行到重量给料开始点⑥，此时体积给料结束，系统进人到重量给料阶段，测量和控制周期开始，持续到给定的下一个料位低时，系统又发出装料控制的指令。以此循环交替进行给料作业。

图2 控制系统时序图

图2中，在点②处装料阀全开、点③处硫化空气阀打开①-⑤为系统加料周期，同时装料和出料;⑤-①为出料周期，系统只有出料;①-⑥为体积测量方式，此时出料量只是速度控制;⑥-①为重量测量方式，测量和控制的阶段。

1.2 计装置电气控制系统

计量装置电气控制系统由上位机系统和下位机系统两部分构成。

1.2.1 上位机系统

触摸屏计算机作为上位机，主要实现监督控制级和管理级的功能。及时处理用户的输人指令并显示运行信息。由于触摸屏计算机自带了与PLC通信的功能，而不用编写专用的通信程序，只要设计良好的界面，使用十分方便。

1.2.2 下位机系统

下位机系统主要由以下几部分组成:

① 可编程控制器。可编程控制器是下位机系统的控制中心，一方面担负着与上位机的通信功能;另一方面根据上位机的指令，控制各执行机构的动作。考虑到系统的负载情况和控制的需要，选用了三菱公司的FR -540 -5.5K-CH的变频器。其输出额定功率为9.1 kV，适应的电机为5.5 kW。控制方式为柔性PWM (V/F控制)。运行频率的输出控制由模拟量进行(0一5 V)，此模拟量值由PLC的2D/A模块给定。

② 接收调理电路。接收现场传送来的差分信号并将其转换成开关信号后送给PLC的高速计数器计数。

③ 转速检测模数转换电路。将电机运行的速度转换成数字量送给PLC。

④ 电参数检测功能模块。将电机运行的电流、功率、效率等转换成数字量并经铭5接口送给PLC和上位机。

⑤ 数模转换功能模块。将经PLC计算后的转速控制数据转换成模拟信号送给变频器以控制下料电机的转速，从而达到给料量控制的目的。

⑥ 重量检测模块。称重传感器是传统的电阻应变式压力传感器，采用的是ET一3型压力传感器。但其输出范围只有0一21.6 m V(供电电压为直流12V ),输出电阻为351 Sl，无法直接采样进行A/D变换。采用了AD623芯片将此信号放大50倍。

1.3 机械本体与机电接口

现场 部 分 主要是机电一体化的执行机构，主要包括机械本体、动力部分、测量传感部分、执行机构、驱动部分等要素，各要素之间通过接口相联系。

① 加料电磁阀及蝶阀。由PLC的输出继电器的闭、合，来控制加料电磁阀的通断，通过该执行机构实现料斗中物料间隙自动加人。

② 测量传感部分。对系统运行中所需要的重量信息进行检测，变成电信号，经信号调理电路处理后以差分信号发送到控制室。

③ 粉料输送螺旋及驱动机构。它是系统的主要执行机构，通过它的运行，实现物料的进给。该螺旋主轴以变频电动机为动力，通过一级摆线针轮减速器减速后拖动主轴运行，变频电动机的运转速度由变频器控制。

④ 粉料压实及驱动机构。它是系统物料的主要执行机构，通过它的运行，实现物料的压实。该机构以电动机为动力，通过二级摆线针轮减速器减速后拖动压料机构运行。

2 可编程控制器PID算法[5]

PID 控 制 具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等特点，计量装置利用PLC的控制计算能力取代模拟调节器，直接通过数字运算，使被调量保持在给定值。系统PID算法如下:

式中:EVn为当前偏;Dn为微分运算值;EVn-1为前一次偏差;Dn_1为上一次微分运算值;SV为设定值;KP为比例常数;PVn为当前采样值;α为输人滤波常数;PVnf为当前滤波输人值;Ts为采样时间;PVnf-2为前一次当前滤波输人值;T1为积分时间;PVnf-2为前二次当前滤波输人值;Td为微分时间;△MV为操作值的变化;KD为微分增益;MVn为当前输出操作值。

当前滤波器输入值PVnf大于设定值时，执行正作用PID算法，反之执行反作用PID算法。

PID指令的许多参数都可以由用户根据自己的需要设置或设定，从控制开始到PID循环达到装置控制要求的困难是找到一个好的控制起始点。调节PID值时一定要保证操作的安全性，以避免对设备的损坏。对FX2 N系列PLC可以进行预调节以便为PID控制过程快速赋初值。一个简单的方法就是每次改变固定比例的参数值，如每次增加或减少10%。

3 结束语

计量装置根据人机工程学的原理进行计量装置界面设计，采用彩色液晶显示和专门的机柜设计，以保证操作的方便和正确;以PLC为控制中枢，以螺旋输送等为物料的推进器，配以相关的执行驱动器件，使系统可自动运行。整个系统给料量进行闭环控制，采用面向对象的编程方法，和面向过程的编程方法相结合，进行优化的接口和流程设计，可以方便地进行功熊扩展;并且具有远程通信接口，在需要时可以组成网络，以适应工厂现代化发展的需要，配料精度达到0.5%级。该装置已在企业应用，运行状况良好。

概述

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用，但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线 或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。

分析硬件电路，提出硬件抗干扰措施

1、PLC控制系统的安装和使用环境

PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃ ～55℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。

2 、PLC的电源与接地

PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常，只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力。但是，如果遇上特殊情况，电源干扰特别严重，可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开，如图1（a）。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，如图1（b）。但是禁止采用串联接地方式，如图1（c），因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC 。

接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地，而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架，它们是惧空中干扰的空中线，需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。系统地端子(LG)是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地的端子(GR)连接。

3 、PLC的输入、输出设备

输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例，按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时，应尽量选用可靠性高的元器件，对于模拟量输入信号来说，常用的有4～20mA、0～20mA直流电流信号；0～5V、0～10V直流电压信号，电源为直流24V。

对于开关量输出来说，PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会使系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超过了规定的大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性，另一方面，在对系统可靠性及智能化要求较高的场合，可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断，当检测到异常信号时，系统按程序自动转入故障处理，从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件，则应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。

为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地，其处理方式如图2。

软件抗干扰措施

硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时，可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。

1、利用"看门狗"方法对系统的运动状态进行监控

PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误
信号，防止输出元件的误动作。在设计应用程序时，可以利用"看门狗"方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作"看门狗"用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值，为运动部件所需要的大可能时间。在发出该部件的动作指令时，同时启动"看门狗"定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。

2 、消抖

在振动环境中，行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号，一般的抖动时间都比较短，针对抖动时间短的特点，可用PLC内部计时器经过一定时间的延时，得到消除抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。

3 、用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比

为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为：流量n= 12，压力n=4合适。对于缓慢变化信号如温度参数，可连续三次采样，选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说，采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力超过单纯积分器的效果。

一、前言

以往的油石超精机床是采用继电器进行控制的，控制部分元件较多，体积庞大，接线复杂，且可靠性不高，经常出现故障。近年来，机床行业的自动控制水平在逐步提高。现决定对油石超精机床进行改造升级，用PLC取代传统的继电器顺序控制，工作周期变短，使工作更可靠，而且编程简单，诊断方便，抗干扰能力强。

二、电气控制要求

油石超精机床的工作原理是把加工工件放在两个导辊之间，工件会匀速向固定的方向运动，超精头在气压下振动的同时来摩擦工件表面，提高工件的光洁度和圆度等。手动调整好机械的各项指标，用旋转开关把工作方式调节到自动，按下自动启动按钮，PLC开始运行，在程序控制下，冷却启动后导辊开始在变频器无级调速控制下旋转，开始加工工件。

机床配有紧急停止和警示功能，一旦发生机械故障用户可以方便地按急停按钮来停止机床动作；由于过载等原因出现问题，会点亮报警灯来提醒操作者。

三、系统硬件设计

1、主电路的设计

导辊采用变频控制，PLC控制继电器的吸合作为变频控制正转的条件，而导辊调速采用电位器进行模拟控制；冷却泵由PLC控制接触器KM的通断来实现起停；油石的上升和下降由PLC控制电磁阀来实现。

2、PLC系统购置

根据系统的输入、输出点的要求，选用20点的三菱PLC即可以满足要求。

四、系统软件设计

1、零件加工可以方便的进行手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成机床调整或手动加工；类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动按钮，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。系统流程图如图1所示。

机床控制系统中，手动部分占用6个输入点，用于零件自动加工前的调整或手动加工；自动控制部分涉及6个输入点，用于零件的程序顺序加工。

自动控制部分的输入、输出点的分布如表1所示

输入设备 输入地址 输出设备 输出地址
过载保护QM X000 报警灯HL Y000
紧急停止SB1 X001 导辊启动KA Y001
复位SB2 X002 冷却启动KM Y002
自动启动SB3 X003 油石上升YV Y003
自动停止SB4 X004
接地保护 X005

自动控制的程序如图2所示，为了避免启动时的电流冲击，用延时0.5 s来避开冷却泵与导辊电机同时启动。

2、故障检测与报警电路

一旦机械部分或控制电路发生故障，报警灯会被点亮，同时油石抬起来避免误动作造成损失；故障解除后，可按复位钮清除报警。报警的程序如图3所示。

五、总结

PLC有丰富的指令集，编程非常灵活，控制相当方便。用PLC对超精机床进行升级改造后，系统的硬件结构简单，自动化程度高，加工效率高，维修方便，可靠性大大提高。