6ES7222-1BD22-0XA0型号齐全

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 引 言
在工业过程控制中，PID控制适合于可建立数学模型的确定性控制系统。但在实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定的系统，使PID控制器的参数整定烦琐且控制效果也不理想。近年来，随着智能控制技术的发展，出现了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制对象的精确数学模型，而是根据控制规则决定控制量的大小。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果。PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力强，并可将模糊控制器方便地用软件实现。因此，用PLC构成模糊控制器用于油田的污水处理是一种新的尝试，不仅使控制系统更加可靠，而且取得了较好的控制效果。
2 污水处理工艺简介
目前我国许多油田处于二次采油期，即注水开采期，所采的油中含有大量
的污水。油田污水处理的目的是将处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力，防止注入水和返回水腐蚀注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地层结垢。其处理方法是使用A、B、C三种剂，其中A剂为pH值调整剂，B剂为沉降剂，C剂为阻垢剂。其工艺流程方案如图2—1所示。根据工艺要求，关键是在混合罐中对污水添加A剂提高污水的pH值（即控制pH2）以减少腐蚀。添加B剂可加速污水中絮状物的沉淀。添加C剂可减缓污水在注水管和油管中的结垢。该系统属非线性、大滞后系统，其对象的精确数学模型难以获得，采用PID反馈控制效果不是很理想，且采油联合站都位于偏僻的地方，环境恶劣。因此，该污水处理系统采用了基于PLC的模糊控制来提高系统的控制精度和可靠性，从而满足工艺要求。

1 引言

可编程控制器(PLC)以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点，在工业控制中得到广泛应用。然而较多的应用只是根据工艺编制相应的梯形图，用以代替传统的继电器电器控制线路，功能非常有限。近年来各种型号的PLC 在功能上已经有了极大的提高，允许用户做许多底层操作，几乎可以象单片机一样灵活，加上有众多的外围设备可以选用，这就给软件、硬件设计带来了很大的灵活性和先进性。本文通过三菱FX2N-PLC 在一条电镀自动线上的应用，说明如何充分开发PLC 的先进功能，达到行车动作的灵活设定、动态修改的功能，以及断电恢复、通讯、新型人机界面的应用。

2 系统简介

系统采用集散控制，参见图1，上位机使用工控微机，负责工艺调度、质量管理等宏观控制；下位机使用三菱FX2N-PLC，控制行车的动作。行车吊勾（提升电镀工件用）的垂直定位采用接近开关，水平定位采用旋转编码器，垂直和水平的运动都使用变频控制普通交流异步电机来驱动，控制面板使用三菱的F940GOT 触摸屏人机界面。

3 PLC 的应用

3.1 动作表

行车动作无非就是上下左右受控移动，按照*的顺序(即动作表)完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可以在运行时由上位机动态修改。这种要求若是仅用简单的梯形图是无法实现的，因为动作都是由梯形图中的触点指令实现，而梯形图指令在运行时是不能修改的。现在的FX2N-PLC 增加了许多应用指令(底层操作，相当于微机的汇编指令)，以及提供了许多可供用户使用的数据存储单元，并且有间接寻址功能，这就使表结构操作成为可能。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作由一个字(16 位)组成，每个动作表由若干个动作字组成，放在PLC 的数据寄存器里，动作表由PLC 程序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC 程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。

3.2 动作的解释和执行

动作字有3 种：行车动作字、延时动作字、结束标志。

(1) 行车动作字：

动作字的高字节表示“上升所到的工位号”， 低字节表示“下降所到的工位号”，例如：“0205”表示让行车开到02 号工位，上升，再开到05 号工位，下降。由于一个行车动作字表示的是宏动作，由：“前进或后退，水平到位，上升，上到位，再前进或后退，水平到位，下降，下到位，完成”几个微动作组成，通过FX2N-PLC 的步进阶梯指令STL 实现非常合适。我们可以把行车的宏动作分解为几个状态，在到位时进行状态转移。参见图2 的STL 状态转移图。垂直到位比较简单，用上下到位接近开关直接控制即可。

水平到位稍微复杂一些。在程序初始化时将每个工位的准确位置送到数据寄存器里，称做工位位置表，每个工位的实际位置数据通过实测得到。动作表、工位位置表、行车水平运动的关系请参见图3。运行时通过旋转编码器得到行车的当前位置，每毫米大约发3 个脉冲。在做水平动作时，先取出动作字，分离高低字节，得到目标工位号，将此工位号作为工位位置表的偏移量，用间接寻址方法得到目标工位位置，若当前位置大于目标位置则令行车后退，反之则前进，直到行车到目标位置**个提前量时，令行车转为慢速；当行车到目标位置前另一个提前量时，令行车制动。这二个提前量都根据实际情况加以调整，慢速提前量通常为半个工位间隔，制动提前量根据实际的行车速度、惯性而定。经过调整，较终定位精度可以达到±1mm 左右。
图4 是行车水平处理子程序，在二个水平进退STL 状态中先设置好目标工位，再调用该子程序，行车就会前进或后退，直到目标位置停下来，发出完成标志M86，即可转入下一STL状态。

(2) 延时动作字：

延时动作字的高字节用7EH 作为标识，低字节为延时值，如“7E30”。延时动作比较简单，取出动作字，分析一下若是延时动作，将延时值送延时定时器就可以了。以前的PLC 定时器常数在梯形图中设定，运行时不能改变，FX2N-PLC 定时器允许将数据存储器的内容作为定时值，才使在运行时改变定时常数成为可能。(3) 结束标志：每个动作表用7FFFH 作为结束标志，执行到结束标志表示一圈做完。若是单圈模式的话就进入停止状态，若是连续模式的话就让动作表指针重新指向表首，继续运行。

3.3 自动校正

由于旋转编码器指示的是行车的相对位置，因此在运行前应该校正一下行车的**位置。我们采取在水平方向上安装一个校正用接近开关的方法，让行车在开始运行前先朝某方向去找校正接近开关，若在3 秒钟内未碰到校正接近开关，或碰到了极限开关，就让行车朝另一方向去找。只要碰到校正接近开关，就把旋转编码器计数器置为某一个确切值，行车的位置就校正了。在以后的运行中，行车每次经过该校正接近开关，行车位置都会被再次校正，这样可以积累误差。

3.4 断电恢复

以**般的电镀自动线控制系统往往没有断电恢复功能，在电镀生产线工作中如果遇到突然断电，往往结果很尴尬。即使很快又来电了，但由于看不出是在哪一步停下来的，只能从头来过，造成已经在镀的工件报废。利用PLC 的失电保存功能，我们这个系统具有断电记忆，来电恢复的功能。为实现该功能，应该整理一下所用到的寄存单元，分为要记忆和不要记忆的二部分。象STL 状态、运行模式、运行状态等都是要记忆的，而用作动作表指针的变址寄存器V、Z 无失电保存，需要用其他有失电保存的寄存器作为映象后备。一般的临时单元都不需要失电保存，每次RUN 的时候都初始化这些单元。此外还应注意的是，尽管来电后可以继续刚才的工作，但来电后自动运行起来也是有危险的。本系统是这样处理的：当RUN的时候检查一下，若原先是在运行状态下断电，则令系统处于暂停状态，等待操作者通过操作面板按下“运行”键后才继续工作。如果断电时正在做水平运动，则PLC 已经失电，而行车的由于惯性仍有运动，造成PLC 记忆的行车位置和实际位置不符，在重新运行时应该自动校正。

3.5 通讯

FX2N-PLC 提供了比较良好的通讯机制，只要在主机上扩展一块RS232 通讯模块(FX2N-232BD)即可。FX2N-PLC 的应用指令中有完善的串行通讯指令，可以方便地使用。在本系统中，上位机主动发送通讯串，PLC 接收到通讯串，根据通讯串中的命令号，作出相应的动作，参见图5。上位机可以让PLC 返回或修改当前的工作状态、返回或修改动作表中的动作字等，只要编制相应的软件，上位机就可以监视、控制自动线的运行。

4 控制面板

常规的控制面板由按钮、拨盘、开关、指示灯、数码管组成，我们这次使用了三菱公司的F940GOT 人机界面，它是一个带触摸屏的彩色液晶显示器，可以自由布置各种显示、控制器件，如按钮、键盘、开关、指示灯、文字、数码管、图片、进度条等，取代了所有的常规面板元件。这不仅大大节省了PLC 可贵的输入输出点，而且具有外观新颖、信息量大、使用方便、修改灵活等特点。在应用中还可以使用多屏画面，把各种显示、控制要求按功能分成多个画面，相当于多个小控制面板，再用一个封面画面负责切换。图6 是本系统控制面板中的主控画面，具有运行模式(单步、单圈、连续)的设定和显示；运行状态(运行、暂停、停止)的设定和显示；工艺(动作表)选择；行车动作的显示；手动控制；当前行车位置的数字和图形显示；定位误差的显示；动作步的显示和修改；当前动作字的显示；动作表的查询显示等。

5 结束语

由于该电镀自动线充分开发了FX2N-PLC 的多种先进功能，并采用了较多的先进控制手段及新型的控制器件，使整个系统具有较优良的性能。经过一年多的实际运行，证明该系统是成功的。由此我们看到，由于PLC 具有许多优异的性能，并且功能也日益强大，只要深入理解这些PLC 的原理，加强二次开发，就可以在更多的领域发挥PLC 的作用。

在当今的冶金生产工程中，炼铁原料的烧结处理是的一环，而烧结工艺过程的关键参数就是各种原料的配比。对配比的精确控制是实现高质量烧结矿的关键。

传统的烧结生产，对于各个料种的给料量控制采用了手动方式，或者单料种的给料自动下料，整个系统没有进行集中控制，生产数据也不能及时地反映给生产管理人员，从而造成了生产人员劳动负荷较大，产品质量的优劣不能及早预知。

目前的PLC系统已经发展得很完善，具有各种处理能力，除了传统的顺序控制外，数学运算能力已经接近（奔腾）计算机。PLC在烧结系统中的应用，大大地提高了烧结生产的自动化水平，一些新的控制策略和思想可以很方便地实现，特别是网络技术的应用，为现代钢铁企业对生产过程更高层次的管理提供了极为方便的实现手段。

1 Modicon Quantum PLC

Modicon Quantum PLC系统是具有数字量处理能力的**计算机系统，Quantum具有模板化、体系结构可扩展的特点，广泛用于工业和制造过程中的实时控制。它包括Quantum系列CPU、I/O模板（以及采用远程I/O的800系列）、I/O接口、通讯模板、电源和底板。

Modicon Quantum PLC软件系统功能强大，符合国际IEC1131标准的全部规定，提供了多种编程语言供用户选择，用户实现其控制思想的手段大大增强，特别是程序生成的设计与编程与PLC无关，并且带有分布式和多功能PLC系统的现代化硬件体系、与强大的操作员和监视系统（MMI）的接口以及较新通讯系统的配置。

2 北钢三烧烧结自动化系统

北钢三烧烧结自动化系统是以高可靠性工业微机、可编程序控制器（PLC）为核心而构成的全分布式网络化控制系统；变频调速系统以施耐得公司的Altivar 58变频器为核心组成，整个自动化系统具有90年代末国际水平。

系统采用MB+网络作为主要连接方式，辅助以远程I／O工业控制网络组成一个完整的自动化体系，由可编程控制器（PLC）操作站、上位计算机组成。PLC控制工艺设备的运行，检测系统中各个生产设备的状态及工艺参数，并按确定的控制程序对各个设备进行控制和调节。操作站主要功能是操作人员通过CRT上的实时动态画面监视现场的生产状况，根据现场的实际情况对生产过程进行必要的控制和调节，以及进行趋势分析等。上位计算机记录、处理生产数据。

3 系统运行方式

根据设计要求，系统从整体上说具有三种基本的运行方式：
现场手动运行
计算机联锁运行
计算机解锁运行

“现场手动运行”是指操作人员在现场的机旁箱上进行的设备的启／停操作以及设备运转速度设定。当一台设备处于现场手动运行状态时，这台设备就完全从整个系统中脱离出去了，设备的启动、停止完全受现场操作人员的控制，这台设备也就不能再参与系统的任何连锁了。

“计算机联锁运行”和“计算机解锁运行”从控制方式上讲，可以统称为“计算机自动运行”。

“计算机联锁运行”是指处于自动运行的所有设备每时每刻都参加各自的所有的条件连锁，例如运行安全联锁、工艺参数连锁、启停顺序连锁等等。当系统处盂联锁状态时，它的启动、停止既受别的设备的影响，也会影响别的设备的启动、停止，系统各个设备的运行环环相扣。

对于烧结配料这样的物料输送系统来说，这一点特别重要，有效地防止因下游设备故障而引起上游皮带的堆料就是“联锁运行”的重要作用之一。

“计算机解锁运行”是指处于自动运行的所有设备不再随时判断它的运行和停止条件，该台设备的启动、停止仅仅受操作人员在CRT上对他发出的启停命令的影响，操作人员通过一台CRT就可以随意控制接入计算机的所有设备。这种运行方式，为设备的试车、检修等针对单台设备的操作提供了极大的方便。

但是要注意，从系统安全角度来说，“计算机解锁运行”方式具有一定的危险性，特别是当整个系统处于运行状态时，如果系统解锁，就很有可能造成物料堆积、设备损坏等等十分讨厌的结果。所以，除非真的有必要，一般不要采用“计算机解锁运行”方式，而应该把系统长时间的置于“计算机联锁运行”状态。

4 系统的启动和停止

系统启停方式包括下列4种：
紧急停止
顺序停止
顺序启动
同时启动

紧急停止用于需要所有参与配料的设备立即停止运行的场合，例如发生紧急情况要立即使系统停车时。

当点击“紧急停止”按钮时，系统所有正在运行的给料设备全部立即停止运行，只有处于现场机旁手动的设备不理会，仍然处于它自己原来的运行状态。

顺序停止用于希望长时间停车的场合，这样可以保输送皮带上的物料都运送干净，使皮带处于物料状态，并且可以保证料尾对齐。

顺序启动用于系统的初次运行或者顺序停止后的系统再次启动，顺序启动功能可以控制参加配料的给料设备按照皮带的运行方向按一定的时间间隔依次启动，保证料头能够对齐。

同时启动用于急停后的系统再次启动。

同时启动能够使系统在上一次的“断点”处接着往下进行，就象没有发生过任何事情一样。

5 设定目标量的自动跟踪

配料系统所使用的给料设备具备调速功能，并且已经通过MB+网的形式接入了计算机，这是自动跟踪下料量的硬件基础。

系统实现目标值自动跟踪的软件基础是在PLC中嵌入了调整灵活的PID功能，通过合理的设置PID的参数值，可以在响应速度和调节稳定度之间取得平衡，优化自动调节和跟踪的效果。

当一个料种的给料目标值被设定或者被自动计算出来以后，作为PID模块的给定值输入到模块中，而现场各类皮带秤的输出作为反馈信号也输入到PID模块中，较后计算机按照PID方式作出筛选的响应，这种响应被转换为变频器的设定频率值，从而可以根据设定值与皮带秤的偏差来调节给料电机的转速，较终达到稳定给料量的目的。

除了自动方式外，还有一种手动调节给料速度的方式，那就是“PID手动给定值”输入，当选择了这项功能时，可以直接输入给料电机的转速，系统不再使用PID方式进行调节，也不再考虑皮带秤的输出，给料电机的转速用这种方式就可以直接控制。

手动给定的是一个百分比值，它的含义为变频器较高输出频率的百分之多少，输入范围应在0～100％。目前，批料系统所有变频器的较高频率都设定为50Hz，当变频器的输出为50Hz时，给料电机达到较高转速。

画面的下方为皮带秤的实际输出值，当调整手动给定百分比时，可以观察皮带秤的输出值，不断地增加或者减少百分比值，就可以让皮带秤的输出达到设定目标值。

PID的3个参数直接关系到PID的响应特性。

一般的来说，P值是一个比例参数，它没有单位，P值越大，对于同样的偏差，PID的响应输出就越大，但调节输出的稳定性就越糟糕，甚至产生剧烈的震荡；I值的含义是积分时间，它的值越大，系统的响应时间就会越长，当输入有变化时，PID的输出达到较后稳定的时间就会越长；D值是一个微分时间，它的值越大，PID对输入偏差就会越敏感。

以下是P、I、D三个参数在实际使用中的取值范围：
P：0.5～20
I：5～40s
D：0～5s

6 结束语

该系统已经于2001年在北台钢铁公司第二炼铁厂的烧结车间投入实际生产运行，Modicon Quantum PLC系统非常稳定，软件设计完全满足现场需要，一改多年来手动操作进行生产的状况，极大地提高了生产的自动化水平。