西门子6ES7222-1HF22-0XA8大量库存

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 利用电信的虚拟专用网络*作为整个系统的通讯网络，做到不管有多少个泵站和多少个水池，距离有多远，所有的控制和看管工作均由PLC和计算机远程自动完成。

1 引言

据我了解虽然我国各城市较早的建立了排污系统，但管理也比较落后原始，每个泵站还由人工管理;随着城市的不断扩大，污水池不断相应增加，由于污水池零星分布在整个市区，若按原先管理模式，需要消耗大量资金，管理和控制也非常麻烦，效率较低下，完全不能适应现代城市发展的需要。为了提高管理工作的信息化水平，提高城市污水的处理能力，减少企业人员不断增加带来的沉重负担，提高企业效益，必须从原来的人工管理改造为计算机远程自动化管理，建立网络管理体系是一个必然趋势。

2 系统设计思想

采用分级分布式计算机控制系统，对工艺过程进行集中管理、分散控制。其总体设计思想是：利用电信的虚拟专用网络*作为整个系统的通讯网络，做到不管有多少个泵站和多少个水池，距离有多远，所有的控制和看管工作均由PLC和计算机远程自动完成。并且实现了客户端之间的无关性，可实现多客户端操作，使客户端机器协调工作，提高整个排污系统的工作效率。节省大量资金，减少人员编制，提高管理，具有很较大的经济效益和社会效益。同时提供多级容错机制，保证系统能够安全顺畅地运行。

图1泵站网络示意图

3 控制系统简介

本系统由计算机主机，可编程控制器(PLC)，液位传感器组成，电能统计电度表组成。系统嵌入进原先的控制系统中，既保留了原先的的控制功能又添加了新的远程自动控制功能和大量的数据存储和分析统计功能。系统可根据操作人员在计算机中设定的参数，在不同水位下自动开停机，也可由操作人员在计算机上直接开停机。每台水泵及格栅机均可通过转换开关选择受计算机自动控制;如果计算机遇到故障还能由PLC里的控制系统完成自动控制各机器功能;或脱离计算机控制，改为原先的控制系统。在计算机自动控制时，系统每天自动转换工作水泵的优先开机顺序以平均各水泵的工作时间。系统的监控界面可供值班人员监控各台泵的工作情况，流量，水位等参数。系统提供数据储存和报表查询，打印功能。

图2 系统方案示意图

4 具体设计与实现

根据工艺流程、控制点及现场设备的安装地理环境，我们采用先进的管理控制技术，系统分为控制层、监控层、管理层三层进行监测和控制。

(1)控制层用可编程控制器作为底层控制中心分别对排污设备、监测点进行控制、监测，信息，控制设备运行。

PLC(Programmable Logical Controller)全称为可编程逻辑控制器，简称可编程控制器。它以微型计算机为核心的工业控制装置，它集电控、电仪、电传三电于一体，是现代工业三大支柱之一。由于它的功能强、可靠性高、适应性好以及模块化结构等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。把个人计算机连入PLC网络可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，作为底层单元的PLC完成对现场开/关量、模拟输入/输出量的控制处理，而利用微型计算机良好的人机对话界面和数据处理功能，实现对一台或多台PLC进行监控，充分发挥PLC可靠、灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面。

随着计算机技术的发展，PLC不仅能代替传统的继电器实现逻辑控制，而且已发展成为集各种控制、运算、通信为一体的功能强大的控制器。由于其编程简单、修改方便及工作可靠，在工业生产中它的应用也越来越广泛。

(2)监控层在泵房内设控制室，带有视频，主要监控整个泵房内格栅机和每台泵的运行状态，各种机柜的电流电压度表与计算机显示是否一致，监控处理过程由PLC的模拟输入模块进行数据采集，并将有关水泵的运行状况及有关信息上传污水处理监控中心，污水处理监控中心则将指令下传至各PLC控制器，由PLC控制现场各仪器及仪表。

(3)管理层主要在污水处理厂远程监控中心完成，所有采集的数据通过虚拟局域网远程通信传输到监控层桌面个人计算机，而桌面个人计算机又通过RS232通信模块发送控制命令给PLC，完成水泵的启动和停止控制。总揽整个系统的运行情况。系统同时还充分考虑了在特殊情况下的现场手动控制以保证排水系统的流畅运行并有效地保护设备。对水泵耗电量用电流、电压、时间来计算。当出现停电情况时，PLC将记忆检测的数据，桌面个人计算机将记忆设置状态。当出现故障时，个人计算机进行报警，同时记忆相应的状态，使其在脱机状态下，整个系统独立运转。在个人计算机端，软件具有状态设置、远程监控、数据存贮、报表打印功能。

实际上整个控制系统可以在任何地点控制如：控制室，办公室均可，整个系统可以非常强劲的工作，采用了很多错误处理。系统的扩展性很强，不管有多少个泵和多少个水池，距离有多远，所有的看管工作均由计算机远程自动完成。系统能记录设备的运行的原始数据，并做出信息处理，给出各种报表和运行曲线图，能实时了解全部系统的运行情况。

系统运行流程图如下：

 空压机系统是水电站的*设备，其工作过程并不复杂，但启动和停车过程有严格的要求。随着电子技术、软件技术、控制技术的迅速发展，PLC(可编程逻辑控制器)也迅速发展，性能优越，与原继电器的控制电路相比具有较大优势。PLC具有高可靠性、丰富的I/O接 口模块、模块化结构、编程简单易学、安装维护方便等特点。随着水电站自动化水平的不断提高，有必要对空压机工作过程采用PLC全自动控制，并在远程操作室设置监控和报置，以实现现场无人值守和远程监控、报警。

1、控制系统的总体要求

水电站空压机采用PLC自动控制系统应满足如下要求 ：

(1)控制系统电源为交直流在线式切换，以保证PLC数据处理和控制在异常情况时( 电源切换) 能可靠进行工作。

(2)高低压气机PLC控制屏，以压力反馈作为判据实现现地PLC自动启停空压机。

(3)控制系统应配有I/O模块、*处理模块、通信模块、电源模块、模拟量模块等运行所需设备，全部模块均为固态插入式标准化结构组件，应符合工业控制级以上标准。

(4)必须满足电厂现场运行条件，具有高稳定性和抗干扰性能。

2、控制系统硬件设计

2、1 系统方案

根据电站空气压缩设备的技术要求，设计的控制系统结构如图l 所示。

2、2 控制系统的硬件配置

(1)TSX 3721 CPU模块。具有实时时钟，带 2 0 K字 R AM、1 6 K字备份F l a s h RO M， 允许增加应用存储器容量，并可连接通讯模块，I/O点数较大可达248个。自带一个显示模块， 可将控制、诊断和维护 PLC及其模块所需的所有数据加以归类总结和显示， 提供了一个简单的人机界面。

(2)TSXAEZ 一802模拟量模块。8个高精度多范围电流通道，每个输入可选择0 ～2 0 mA 或4 - 2 0 mA的输入范围。模块使用稳态多路技术扫描输入通道(普通或快速)，以获取数值12位A/D转换。除了上述功能外，PLC处理器还可进行输入溢 出监控、测量值过滤。

(3)TSXDMZ- 28DT开关量模块。16路开关量输入，12 路开关量输出，供电电源 24 VDC。

(4)传感器。温度传感器提供 4 ～20 mA电流信号、 量程范围为 0 ～120 %。压力传感器采用MPM/MDM580系列电子式压力传感器，供电电源24 VDC，提供输出4 ～2 0 mA电流信号， 量程范围为 0 ～10 MP a 、 0 ～1 .0 MP a 。

根据以上的模块要求，PLC硬件配置如图2所示。

2、3 控制软件的流程框图

PLC程序控制图见图3 。

3、PLC控制系统软件设计

3、1 控制策略

(1)如图1所示的气罐压力P1、P2、P3、P4，PLC控制系统按照压力采集信号所处的压力区间，自动启动主备空压机。

(2)两空压机互为热备用。

(3)每台空压机累计工作 30 rain ，启动排污阀 15 S。

(4)所有的启停空压机及异常信号送入中控室。

(5)可在控制屏上选择手动、自动、远控三种控制方式。

3、2 PLC和中控室通讯数据表

PLC和中控室通讯采用 MB+网络接口，表1列出了部分通讯数据表。

4、应用

本文介绍的 PLC空压机控制系统已应用于Mollsadra 水电站。Mo l l s a d r a水电站位于伊朗共和国法尔斯省 ( F a r s ) 境内的 Ko r 河主要支流 Tang-e-Boragh河上。空压机控制系统包括两台高压压缩空气系统和两台低压压缩空气系统，均采用一主一备工作方式。水电站空压机系统主要是为水电站调速器油压装置、 工业及制动设备提供用气。

在此系统中，高压空压机的额定排气量0.822/mi n 、排气压力7 .0 MP a ; 低压空压机的额 定排气量2 . 8 m。 / mi n 、排气压力0 . 8 MP a ; 额定容积均为2 m。在 设计中，P 一 6.3 MP a 、P2= = = 6.4 MPa、 P3— 6.5 M Pa、P4— 6.8 M Pa、P5 —6.9 MPa、 T一 1 00℃ 。

经过现场调试验收，此设备已在现场运行1 a 多，运行可靠，对水电站的安全稳定运行起到了重要作用。

5、结语

a .P L C空压机控制系统已成功应用于 Mo l l —s a d r a 水电站，运行、智能化程度高，良好的实时调节可以克服由人为因素造成的调节滞后等不利因素，操作简单、可实现无人值守。

b .在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善 自控系统的有效性和可靠性。通过优化调度策略、软件连锁保护等 自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

随着微电子和信息技术的快速发展，以单片机为代表的数字技术发展日新月异。单片机由于具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，而广泛应用于各种仪表的控制，计算机的网络通讯与，工业自动化过程的实时控制和数据处理。事实上，通过采用单片机来进行控制，可以实现仪器仪表的数字化、智能化和微型化。本文通过对比选择采用了LPC2148芯片解决方案来实现音频分析仪的设计。

1 系统分析与选择

1.1 信号处理原理分析

在对音频信号进行分析的过程中，本文采用了快速傅立叶变换FFT算法，即首先对音频信号进行离散化处理，然后进行FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率数值，并得到离散化的功率谱，最后在频域计算被测音频信号的总功率。

1.2 系统的选择

在处理器的选择上，通常可以选择8位、16位或者是32位的MCU。但是，由于在处理信号的过程中，通常会用到快速傅立叶变换FFF算法，所以需要进行大量的浮点运算，而且一个浮点要占用四个字节，故在处理过程要占用大量的内存，同时浮点运算时间也很慢，所以采用普通的8位MCU和16位MCU一般难以在一定的时间内完成运算。综合考虑系统内存的大小以及运算速度，本系统选用Philips公司的32位单片机LPC2148。该芯片具有32 KB的RAM，而时钟频达60 MHz，所以，对于浮点运算，不论是在速度上，还是在内存上都能够很快的处理。在信号采样方式上，由于本系统所选用的32位MCU芯片LPC2148是60 MHz的单指令周期处理器，定时精度为16.7 ns，可以实现40.96 kHz的采样率，而且控制方便，成本便宜，所以，本设计由MCU进行直接采样，而不采用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集。

2 系统设计

2.1 总体设计

在系统总体设计中，音频信号的采样过程非常关键。当音频信号经过一个由运放和电阻组成的匹配网络进行采样时，首先要由量程控制模块对信号进行处理，如果信号电压在100 mV～5 V的范围内选择直通，也就是不对信号进行衰减或者放大控制，则可减少误差。但是，当信号强度太小时，12位的A/D转换器在2.5 V参考电压下的较小分辨率为1 mV左右，这时如果选择直通，其离散化处理的误差将会非常大。因此，当采集到信号后，若发现其强度太小，如在20～250 mV之间，这时就应该将其认定为弱信号，故应对其经过增益放大器放大之后再进行A/D采样。

经过12位A/D转换器ADS7819转换后的数字信号可由32位LPC2148进行FFT变换和处理，以分析其频谱特性和各个频率点的功率值，然后将这些值送到Atmega16进行显示控制。信号由32位LPC2148分析后，可判断其周期性，可由Atme-gal6进行测量，然后在LCD显示屏上显示，其功能框图如图1所示。

2.2 放大电路设计

    当信号输入后，首先要根据信号强弱进行放大处理，图2所示是其放大电路原理图。该放大电路通过R1和R2两个电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随功能，并在进行阻抗匹配后。通过继电器控制来决定是将信号直接送给AD转换还是放大后再进行AD转换。

由于需要对音频信号的频率及其功率进行检测，并且要测量正弦信号的失真度，因此要求在对小信号进行放大时，要尽可能少的引入信号的放大失真。正弦信号的理论计算失真度为0，对引入的信号失真非常灵敏，所以，本设计选择了低噪声、低失真的仪表放大器INA217，以将失真度控制在1 kHz频率之内。

2.3 AD转换电路设计

本系统采用12位AD转换器ADS7819来对信号进行转换，并将转换的数据送往32位控制器进行处理，其转换电路原理图如图3所示。

3 软件设计

由于系统主控芯片LPC2148的处理速度比较快，所以，软件设计采用C语言来进行编程比较简单快捷，其软件设计流程图如图4所示。

4 结果分析

笔者对本系统的音频信号进行了测量，并得到了如表1所列的数据。由于实验室能够模的音频信号只有正弦信号，所以，实验采用信号发生器来产生正弦信号，然后对其进行测量和误差分析，根据时域和频域的测量结果可以发现，其测量误差在5%的范围之内，且没有发现明显失真，基本可以满足实验的测量要求。

本文设计了一种基于PLC的异步电动机调速与定位综合控制系统,应用模糊-PI复合控制算法实现了异步电动机的速度控制,应用比例因子自调整模糊控制算法实现了异步电动机的位置控制。该系统集异步电动机速度控制和位置控制为一体,达到了一定的控制精度。

1 引言

随着变频调速技术的不断发展，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其低廉的造价、坚 固的结构得到了越来越广泛的应用。在交流传动的许多应用场合中，均对电机的调速性能和定位性能提出 了较高的要求。例如在加工设备和机床的主轴伺服系统中，主轴应兼备速度和位置控制的功能;在住宅小 区和高层建筑的恒压供水系统中，要求电机有较高的调速性能;在炼钢转炉的准确定位、堆垛机械的位置 控制系统中，要求电机有精确的定位功能。在上述应用场合中，异步电动机以其大功率、高性价比的*特 优势而占有一席之地，但同时其调速性能和定位性能却不甚完美，尚需完善。

本文提出了一种基于可编程控制器(PLC)硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统在没有增加 硬件投资的情况下集异步电动机速度控制和位置控制为一体，应用模糊控制策略，达到了一定的控制精度。

2 硬件设计

异步电动机综合控制系统硬件如图1所示。图1中，上位计算机和PLC通过变频器对异步电动机进行速 度和位置控制。通过旋转编码器的脉冲计数值可以获得异步电动机的速度和位置信息。脉冲计数由PLC完 成，并不断与上位机通讯，将计数值传送给上位机。上位机根据PLC传送过来的脉冲计数值得到速度和位 置信息，根据不同的控制策略，得到输出控制量——速度给定值，再传送给PLC，经过PLC的A/D转换模块， 将速度给定值的模拟量送到变频器的模拟控制端进行控制，形成闭环控制。

在系统实验中，异步电动机采用YZA5*S 三相180W 异步电动机，额定电压380 伏，额定频率50Hz， 额定转速1400r/min，额定电流0.66A;旋转编码器采用的是E6B2-C6C 型三相旋转编码器，分辨率为 1000P/R(采用上下计数方式可达4000P/R)，额定电压5VDC-5%~24VDC+5%，集电极开路输出;变频器为西门子公司的MICRO MASTER440;PLC 采用OMRON CQM1H。

在开环控制工况下，MICRO MASTER440 变频器可以通过BOP 板或者数字量输入端口接收启动、停 止、正反转等指令控制电机运行方式，并通过BOP 板、模拟量输入端口和数字量输入端口三种方式接收 速度调节指令。此系统实现的是闭环控制，因此由PLC 的开关量输出端口向变频器的数字量输入端口发布 电机运行方式的控制指令，同时由PLC A/D 转换模块的输出端口向变频器的模拟量输入端口发布速度调节 指令。

CQM1H PLC 提供了一个RS232C 通讯口，用电缆将其与上位计算机串口相连，即可构成一个简单的 监控网络。上位计算机实现监控功能，包括人机交互界面的显示、控制指令和参数的输入、复杂控制算法 的实现、实验结果曲线的显示、数据的存储、打印等功能。上位机和PLC 之间的通讯采用CQM1H 所要 求的固定格式的通讯协议。

3 软件实现

3.1 通讯与监控功能的实现

为实现 PLC 与上位机之间的通讯功能，必须分别对PLC 和上位机进行设定。在CQM1H 中，需要对 系统存储区的相关字节进行设定，确定串行通讯的波特率、起始位、数据位、停止位等通讯帧格式。如将 DM*6 设定为：波特率9600K、偶校验、起始位1 位、位长7 位、停止位2 位等。 在上位计算机中，采用高级语言编写程序代码实现通讯和监控功能。这里采用 Visual Basic 语言，该 软件易于上手，既具有bbbbbbs 所特有的优良性能和图形工作环境，又具有编程的简易性。在Visual Basic 中有一个专门的串行通讯控件——MSComm 通讯控件，通过该控件可以设定通讯帧格式，实现通讯功能。 具体设定步骤如下：

mPort = 1

MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;设定通讯帧格式

MSComm1.PortOpen = True ;打开通讯端口

MSComm1.InBufferCount = 0 ;接收缓冲区

MSComm1.OutBufferCount = 0 ;发送缓冲区

MSComm1.bbbbbMode=CombbbbbMode Text ;数据以文本形式取回

上位机对CQM1H 的监控方式有两种。一种是由上位机向PLC 发布初始命令，要求PLC 返回相关运 行数据，进而根据该数据进行结果显示和控制运算，并向PLC 发布控制指令，直接改变PLC 的数字量或 模拟量输出，实现速度和位置控制;另一种是由PLC 主动向上位机发送初始命令，提供相关运行数据，上 位机接收数据并根据该数据进行结果显示和控制运算等。这里采用前者。

为与 CQM1H 的通讯数据格式匹配，上位机发送命令的格式如下：

发送命令必须以@打头，节点号指出与上位机通讯的PLC，头代码为两字符命令代码，正文设置命令数据，FCS 为组检验序列，终止符固定设定为*与↙。

PLC 的响应格式如下：

尾代码返回完成状态(是否有错误发生)，正文只有在有数据时才返回。当数据长于131 个字符时， 可分组传送。PLC 返回的数据为ASCII 形式，由于自动加入了@、节点号、FCS、终止符等，需要在上位 机中编写相关的处理程序，在通讯正常的情况下截取所需要的数据内容。

    3.2 控制算法的实现

上位机具备强大而快速的运算能力，因而PID 算法、模糊控制算法、人工神经网络控制算法、遗传算法等各种控制策略都可以方便地实现。这里主要采用模糊控制算法。

3.2.1 调速算法

三相异步电动机模型是一个高阶非线性强耦合多变量的模型[1]，进行控制时需要考虑多方面的因素。 例如转子的电压、频率、磁通，以及转子转速和位置等参量之间互相影响存在耦合，绕组存在电磁惯性， 转子存在机电惯性，转子的电阻值会随温度而变化，负载转矩、转动惯量等有可能出现各种随机扰动等。 这些因素的影响给控制带来了困难，仅采用经典的控制方法很难达到较高的精度要求。而模糊控制算法无 需被控对象的精确数学模型，且对被控对象的参数变化不敏感，鲁棒性强。因此将变频器和异步电动机看 作一个整体，采用模糊控制算法实现速度控制。

同时考虑到模糊控制器是一个有误差控制器，达到期望速度后的稳态阶段波动比较大。而采用PI控制， 当误差较小时有较高的稳态精度[2,3]。故而把增量式PI控制策略引入模糊控制器，构成模糊-PI复合控制，以 改善模糊控制器的稳态性能。基于模糊-PI复合控制的异步电动机调速系统如图2(a)所示，实验结果如图 2(b)所示(给定转速100 r/min，采样周期T=150ms，转速误差≤1.0 r/min)。

基于比例因子自调整的模糊控制系统如图 3(a)所示，实验结果如图3(b)所示(电机额定转速运 行时定位于0°，采样周期T=150ms，位置误差≤0.09°，即1 个计数脉冲的位置间隔)。

4 结语

一直以来可编程控制器PLC以其较高的可靠性和较强的抗干扰能力在环境恶劣的工业生产中得到了广 泛的应用。本文基于PLC硬件平台，充分利用PLC自身资源，设计了异步电动机的速度和位置综合控制系 统。实验表明该系统达到了一定的控制精度，具有一定的实用参考价值。