西门子模块6ES341-1AH01-0AE0

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随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展，以计算机为基础的控制技术迅猛发展，被控对象规模更大,控制过程和规律也更加复杂和精密，控制方法也更加灵活多样[1]。在转台的控制系统中，除了用来产生输入信号的机之外，计算机还扮演了控制器的角色。根据控制器的不同形式，计算机控制系统分为集中式、分布式、集散式三种类型，其中集散式控制器又分为PC机与单片机、PC机与PC机、PC机与嵌入式控制器三种形式。转台运动控制系统是转台设计中较为关键的部分，本课题中选用PC机与嵌入式控制器的形式，其中PC机采用性能稳定的IPC（工控机），嵌入式控制器选用美国DeltaTau公司的可编程多轴控制器PMAC，即IPC+PMAC。
1 转台的基本结构与组成
由于各种民用、*行器技术的快速发展，当今**都十分重视半实物技术的研究和应用，而三轴转台是半实物的重要设备之一[2]。通常，三轴转台提供模拟*行器飞行姿态角和为被试件提供测试条件的功能，以便验证全数字的实验结果并进一步优化或改良*行器设计方案。转台负载放在内框之上，由平板固定，内框、中框和外框均可绕其轴向做360°旋动，可以模拟*行器的3个自由度的横滚、俯仰和航向运动。三轴转台由控制部分和机械部分组成，转台的控制部分由一个控制柜和一台IPC组成，转台机械结构由框架结构、动力源、支承结构、驱动方式、轴系结构、配重方式等组成。本课题中的转台采用UOO结构，外框架采用音叉形式(U型)，其结构简单，转动惯量小，并可相应缩小转台总体尺寸；中框架和内框架采用封闭框形式(O型)，易于实现整圈旋转。转台的3个轴系均采用精密机械轴承支撑，直流无刷电机驱动，运用海德汉增量式编码器进行速度、位置反馈，并在每轴运用滑环进行导线转接，可使框体做无限旋动。
2 PMAC控制器简介
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delta -Tau公司生产的系列运动控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作为CPU，较多可实现8轴的伺服控制。具有良好的硬件开放性和软件开放性[3]。
2．1 PMAC的硬件开放性
PMAC支持多种工作平台，允许在PC、STD、VME、PCI等不同总线上运行,方便了用户选择主机类型；有模拟和数字两种伺服接口，能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等多种电机连接，并可对不同的电机提供相应的控制信号；可接受各种检测元件的反馈信息，包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等；提供串行方式、并行方式和双端口RAM方式与PC机进行双向通信；绝大部分地址向用户开放，包括电机信息、坐标信息及各种保护信息，这些硬件的开放性使用户可以很方便地根据自己的需要进行硬件设备的搭建。
2．2 PMAC的软件开放性
PMAC支持各种高级语言，用户可以使用VB、VC、Delphi等在bbbbbbs软件平台上制定用户**界面；PMAC提供了包含速度和加速度前馈的PID控制和阶式滤波器，电机和负载的双编码器，能纳入用户开发的伺服算法。PMAC具有很强的计算能力，许多数学、逻辑和追赶函数的计算都能通过用户程序中的变量和常数进行；内含可编程逻辑控制器。PMAC的I/O点可以扩展至2 018位，所有的I/O点都由软件来控制，只要使用一个类似高级程序中的指针变量指向某一I/O地址，就可以方便地在运动程序和PLC程序中通过该指针变量来对该I/O点进行输入或输出控制。同时该PLC工具有强大的逻辑功能和判断能力，可编制复杂的逻辑关系。
3 控制系统的介绍
3．1 控制系统的原理
对于转台的方位控制，首先通过GPS等得到目标点的方位坐标，经过IPC机计算出目标点的方位角度，把位置信号送入PMAC卡，通过**式光电码盘形成闭环，从而达到位置伺服目的，包括速度环和位置环两部分

到分散所需的转速时自动打开进料阀XV22002,然后自动启动供料泵22P01，随后四通阀XV22003自动切换到离心位A，经分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22TA04,而离心分离下的TiO2滤饼进入配制槽22TA01中重用。在带切断阀的流量计F设定好下一批乙二醇量，这些EG经离心机加入TiO2配制罐中，以清洗离心机，当TiO2供料泵22P01入口管线出现流量低报或22TA04液位出现高报时，供料泵自动停止，该批料输送完毕。四通阀自动切换到冲洗位B，离心机冲洗开始，速度自动减到剥离滤饼速度，冲洗用乙二醇阀XV22003自动打开，经过一定时间的冲洗，滤饼连同乙二醇一起进入配制罐22TA01可供下一批继续使用，离心机自动停止。
3、悬浮液输送及供给过程
在中间槽内的悬浮液按要求至少要存放２小时以上以便脱活性，取样合格后，悬浮液在压力作用下经过滤器过滤后进入消光剂供料槽22TA05中，供料槽中的TiO2悬浮液由计量泵连续定量地送入第二酯化釜。
工艺流程图如图1所示。其中第2步流程就是通过离心机系统来实现的。

三、离心机系统介绍
本离心机系统由离心机设备本体和控制系统两部分组成。主要技术参数如下：转鼓直径356mm，转速3200rpm以下无级可调，差转速2—32r/min无级可调，分离因数2040，液层深度45.5—54.5mm可调，生产率5—14m3/h，主电机功率18.5kw。
1 离心机设备本体
LW350HQ离心机主要由差速器、螺旋推料器、转鼓、机罩、机座、主电机等组成。图1中方框内所示即为离心机设备本体示意图。悬浮液经进料管进入主转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将沉积在转鼓内壁上的固料刮下排入与22TA01相连的排污口，分离后的清液经液层调节板开口流出转鼓到与四通阀XV2003相连的排液口。由差速器来实现螺旋推料器与转鼓之间的相对运动，从而实现了离心机对物料的连续分离过程。
2、离心机控制系统
本离心机控制系统根据工艺和设备管理要求，由现场操作屏、控制柜两部分组成。现场操作屏安装在离心机现场，安装有所用的操作旋钮、按钮及指示灯、差转速控制仪表、蜂鸣器、转速显示和主电机电流显示仪表等部件。控制柜设在马达控制中心（MCC室），柜内装有可编程控制器（PLC）、交流变频器、程控稳流稳压电源，直流电源、继电器、信号隔离转换器等。由于整个配制系统除了离心分离机外，还需要一系列的配套设备，主要有进料电磁阀XV22002、冲洗电磁阀XV22005、四通阀XV22003、流量开关FL22001、FL22021、压力开关PH22031和供料泵22P01,这些设备的信号也需要参于程序控制。四通阀XV22003阀体是一入三出的结构，由带两个电磁阀的气缸驱动，A电磁阀得电使C与A 相通为离心状态，B电磁阀得电使C与B相通为冲洗状态，都不得电时C与D相通。22TA04液位高报信号LH22004由DCS系统的逻辑点送到PLC。
由交流变频器来控制主电机，实现转鼓转速的无级调节。变频器的各项参数根据实际情况设置完成后，在运行中是通过PLC进行自动控制的。通过PLC控制变频器从而控制主电机根据工艺流程进行转速、转向的变化。离心时正转且达到离心速度，冲洗时进行4次正反转冲洗，并且转速控制在冲洗速度。
螺旋推料器与转鼓之间的差转速是通过电涡流制动器和Honeywell通用数字器UDC1500来实现。由数字转速表通过测速探头将转速差转换为4-20mA信号，在UDC1500U内与设定值比较得到偏差，对偏差按预置的PID参数运算，输出4-20mA信号去控制程控稳压稳流电源输出电流在0-3A之间变化，此电流作为电涡流制动器的励磁电流，从而对螺旋推料器的轴产生制动作用，使差转速稳定在设定值附进。本控制系统的差转速部分是独立于PLC的单独控制部分，实际应用中只要控制电源投用，此控制部分就按照差转速设定值起控制作用。在差速低于报警值时由UDC1500送到PLC一个同步故障信号，所以在PLC程序中检测同步故障信号是在程序已运行、控制电源投用且转速升到分离速度以后再此信号。

四、PLC控制系统
此离心机系统的核心控制部分即为PLC。为了实现TiO2悬浮液的离心分离，通过离心机本体和相应的配套设备，由PLC进行自动控制，二者密切配合实现了物料的自动分离。

①CPU选用SYSMAC C200HE－CPU 42-E,程序容量为7.2K字。
②数字量输入卡件（DI）共有2个。型号均为B型ID212的DC输入单元，此卡件支持16点直流电压输入。共使用了26个输入量，包括按钮、旋钮、联锁报警信号、四通阀阀位、供料泵状态等信号的输入。
③数字量输出卡件（DO）共有3个。全部为继电器输出单元，分别为型号为B型OC225的1个，此卡件支持16点继电器输出，本系统使用了15点，分别控制10个信号灯、1个蜂鸣器和4个电磁阀；A型OC221的1个，此卡件支持8点继电器输出，本系统使用了5点，用来控制变频器，分别为离心机正转、反转、离心频率、冲洗频率和加减速时间这5个信号。型号为OC224的1个，此卡件8点独立接点输出，本系统使用了6点，用来将离心机的运行、冲洗、停车、故障和供料泵启停信号送入DCS。共使用了26个数字输出量。
④电源和底板。电源选用PA204－S,底板选用C200HW-BC081的8槽底板。
2、PLC的程序
C200HE的程序用易于理解的梯形图来表示，当使用普通编程器时需把梯形图转换为助记符来输入。程序按照配制系统离心分离与EG冲洗的工艺流程编制，能够满足工艺要求。由于使用了PLC内部的保持继电器区来存储数据，这个数据区的数据即使在电源故障时数据也能保持。所以在运行过程中，在发生掉电事故、紧急停车、过载、变频器报警等异常故障时，现场的数据将保存起来，待电源恢复、故障排除后，程序从发生中断时的数据继续运行，保证了工艺流程的连续性和稳定性。本工艺流程是时序性很强的步进流程，涉及到步进关系的计时器，并未直接使用PLC内部的计时器，而是使用了由PLC系统内部时钟脉冲触发计数器进行计数来计时的，从而保证了时序关系的精确性。程序编制了自动和手动两种控制方式，在自动无法实现时，可在现场通过控钮、旋钮进行手动控制。另外，PLC将主电机的运行状态、工作状态以及一个总故障状态送入DCS。变频器通过信号转换器将主电机电流信号也送入DCS，这些信号在DCS操作站流程图画面中实时显示，使中央控制室操作人员能够及时了解离心机系统的运行情况，便于工业过程管理。
下面结合部分PLC语句来说明一下此离心机系统正常工况下自动离心和自动冲洗过程各动设备的工作情况，并与由PLC程序画出的时序关系图来对照说明。用到的变量表如图3，用到的程序梯形图语句如图4所示。

1、自动离心过程：
在现场确认完毕后，按下起到按钮，先进行自检，各信号均正常后自检结束，同时自动离心过程开始。自动离心时序图如图5所示。离心机按照离心频率开始运转，先升速5分钟，然后再稳速3分钟，此时开始检测同步故障，正常后打开进料阀进料，阀开后延时4秒启动进料泵22P01，将悬浮液泵入已达到离心转速的离心机，待22P01运转4分钟后四通阀的A电磁阀得电打到A位离心位，即开始正常的离心分离，分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22TA04，持续此过程直到22P01入口流量低报或22TA04液位高报，此时0.5秒后立即停止供料泵22P01，四通阀的A电磁阀失电阀位到D，2秒后再关闭进料阀，同开泵一样可防止泵出口憋压，流量低报或液位高报后离心机再运转1分钟将转鼓内剩余物料彻底分离完后停止离心机的运转，同时四通阀的B电磁阀得电打到B位冲洗位，待离心机停止时间7分钟到后，此时离心机已完全停止转动可以开始自动冲洗过程。

2、自动冲洗过程：
自动冲洗时序图如图6所示。自动冲洗过程共进行4此冲洗，一次、三次为正向冲洗，此时离心机按照冲洗频率正向转动；二次、四次为反向冲洗，此时离心机按照冲洗频率反向转动。在每次冲洗时，先升速15秒到冲洗速度后，打开冲洗阀用乙二醇进行2分钟冲洗然后关闭冲洗阀，同时停止离心机1分钟，再进行下一次同样的冲洗过程。其中在**次冲洗时在打开冲洗阀后检测流量信号FL22001是否正常，确认有流量后再向下进行冲洗过程。在第四次冲洗结束后20秒全机复位，同时四通阀的B电磁阀失电打到D位，至此整个程序结束。

1 、概述
大庆油田天然气红压深冷装置是天然气分公司较大的气处理装置，每天处理天然气量达到90万方，生产轻烃200余吨。根据天然气深冷分离装置自动化监控系统的设计要求，由于相关的PLC设备分布广泛，监控功能要求自动化程度高，而且有关的信息要迅速获取及处理，并要易于管理。因此自动控制系统以OPTO 22公司SNAP I/O系统作为骨干框架，结合其极其先进易用的应用开发组态软件包Factory Floor Suit 4.0c，在32位的bbbbbbS操作系统平台上，开发出既能很简便完成系统各种监控功能，又具有使用灵活的人机界面的天然气深冷分离装置自动化监控系统应用软件，监控装置区各工艺点的温度、压力、差压、调节阀、电磁阀等。装置内压缩机、膨胀机、丙烷制冷机、ESD紧急停车系统等与OPTO22 SNAP I/O系统通过通讯进行数据交换，由于机组自带的PLC系统出自多个厂家，通讯标准不同，技术难度较大。
我们通过不断摸索、实践，在较短时间内，顺利完成了多个系统间的通信问题，使系统具有可靠性高、兼容性强、操作简便等优点，并且为项目节省了投资。
2、通讯系统的要求
1) 具备实时通讯功能，利用OPTO22 产品的强大的通讯优势，将生产数据实时传输到OPTO22 SNAP I/O系统。
2) 完善的安全监控功能。OPTO22 SNAP I/O系统接收到机组通讯传出的报警信号，能够及时记录并执行相应现场控制流程。
3) 支持多通讯协议；
4) 良好的中文人机界面；
5) 采用工业组态软件实现，便于维护、扩充和升级；
3、技术实现
红压深冷装置项目由压缩机控制子系统、膨胀机控制子系统、丙烷机控制子系统、ESD紧急停车子系统和OPTO 22公司OPTO22 SNAP I/O控制系统(ME系统)五部分组成。其中**个系统只是进行局部的单体控制，与OPTO22 SNAP I/O控制系统之间通过网络通讯实现数据交换。OPTO22 SNAP I/O系统(ME系统)在整个系统中处于全局控制和监视的至关重要的地位。
在本项目中我们使用OPTO22 SNAP I/O控制系统的OPTO22 SNAP LCM4做为主控制器，该控制器CPU采用32位Motorola 68EC030 处理器，4MB内存带电池后备，2MB快闪可读写内存，四个串行接口，一个固定的RS-485，三个可分别独立设定为RS-232/485。我们利用控制器自带的串行接口进行编程实现。
在现场应用中，首先我们分析ESD系统。ESD紧急停车系统是红压深冷装置**的基础，它采用SIEMENS S7-400 可编程序控制器实现，自身设计成主站工作，无上位机显示设备，监视完全在OPTO22 SNAP I/O中实现。OPTO22 SNAP I/O控制系统中的LCM4控制器的COM0---COM3 通讯端口可以根据需要设置成232或485方式，根据现场的多次通讯实验，通讯采用标准MODBUS 方式实现不了。主要原因是ESD 系统采用的是主站方式，若改为从站通讯方式需更换所有 ESD软、硬件。费用太高，实现不可能。经过对ESD PLC的进一步分析,我们决定采用自由口通讯方式，把SIEMENS S7-400 通讯端口用485接线方式连接到与其标准兼容的LCM4控制器的COM3上。通过编制数据交换程序，设定起始码、奇偶效验、每个数组的位数、传输波特率等。调试过程中，DCS接收到了ESD发送的数据，但稳定性差,在线（ONLINE）程序中看到有时出现空栈错误，程序运行至通讯时逻辑不正常，经过反复分析及多次试验，在程序中加了数据同步处理，至此，与ESD通讯完全正常，实现了DCS与紧急停车系统的通讯。
在与压缩机系统PLC通讯时，压缩机系统采用GE公司的90-70，我们采用MODBUS RTU方式，编制相应程序，在程序编制完成后，通过下装、运行，不断调试，较终顺利的进行了连接。
在实现上述两个机组通讯实现的基础上，利用积累的经验，根据机组各自的特点，实现了DCS与全部机组的通讯。
二、系统结构及配置方案
在本系统中，采用OPTO 22的先进且成熟可靠的OPTO22 SNAP I/O系统，这是一个应用串行通讯多次重发技术的三层分布式网络。本系统由自控中心的监控主机PC和四台OPTO 22的主控制器OPTO22 

在传统电网向新型智能电网的转变，以及其中将面临的一个主要挑战是，需要一个很好的通信网络来实时接收所有用户信息和控制其负载。要解决这一问题，目前较被认可且较可靠的方案是以电网为通信媒介的PLC（电力线载波）技术。本文介绍了PLC技术及其发展历程，并将传统的窄带单载波FSK调制方案与基于OFDM的PRIME和G3两种新方案进行了对比。

    I：介绍

    传统的电网正在发生变革。在过去的，电网是一个用来将由一定数量的发电站发出的电能传输到大量不同级别的用户的系统。设计和运行电网的标准，就是要将电能以一种有效的方式从数百个发电站传输到数百万的用户家中。这个系统储存电能的功能是很有限的，所以如何预测用户的用电量就变得至关重要。电网的控制是基于每日的预测来进行，而电能是由发电站通过传输网络输送到配电网络。大部分发电都需要由调节器来控制。

    而现在在某些国家，以及将来的更多国家，绿色能源对于电网的贡献将会越来越大。它在电网中所占的比率，由原来5%的水力发电，上升到了有40%是太阳能和风能发电。在大部分绿色电能中，调节器要进行的控制很少。此外，电动交通工具也加入了变革的队伍。电动交通工具的大规模推广，将使电网的用电量加倍，并大规模地带来了超大储电能力。用电量的上升、绿色电能的推广和不受控制的发电、电动交通工具的储电能力被认为是电网的**风暴。这个方案就被称为智能电网。它结合了嵌入式智能技术和实时通信与控制功能，能够随时与任何用户进行实时通信并控制其负载。要实现这样的通信功能，就需要采用以电网作为主要通信媒介的PLC技术。

    PLC技术早在20多年前就被用于中压领域来控制电网。但在低压侧大规模使用PLC则是更近才开始。PLC技术的一个典型成功案例，是意大利ENEL供电公司采用一个基于FSK和BPSK调制的窄带PLC系统为3500万用户构建一个AMM（自动电表管理）系统。此系统可每2个月自动抄读一次3500万台电表。但是它的平均波特率不够，无法支持更多的实时通信和控制，以及未来基于IPv6等通信协议的应用。

    要进行更多的实时通信和控制，以及未来基于IPv6等通信协议的应用，就需要一种基于OFDM调制的新一代PLC技术。其中两种主要的OFDM方案，就是现在的G3和PRIME技术。G3是一个由法国EDF电力公司发起，MAXIM和SAGEMCOM开发的方案。这个方案在2009年被公布，EDF计划将在2013年试用2000台采用G3技术的电表。

    PRIME是一个由PRIME联盟推出的一个开放式多供应商解决方案，该联盟包含了30多个由供电公司、表计厂家和ADD半导体、FUJITSU、STM和TI等晶片供应商组成的成员。其中的表厂包括SAGEMCOM、ITRON、LANDIS+GYR、ISKRA-MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是**家推广此方案的供电公司，但现在EDP、CEZMERENI和ITRI也加入这个阵营。

    IBERDROLA在2010年开始安装10万台采用PRIME技术的电表。该供电公司还计划在2010年年底发布一个需量为100万台电表的新标，并于未来3-5年在西班牙完成1000万台电表的安装。其它一些供电公司也开始采用PRIME技术。G3和PRIME都是OFDM方案，但发展历史有所不同。G3较初是采用了一块由MAXIM设计的芯片，此芯片可提供适用于PHY层和某些现有软件层的IEEE802.15.42006通信、适用于层的6LowPAN和适用于网络层的IPv6通信。 PRIME则是由一个供电公司、行业厂家和大学研究所构成的联盟，合作开发一个新型OFDM电力线技术公开标准的产物。该联盟采用一个针对PHY层的系统性设计流程，从满足较基本要求开始。接下来就是从噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素来对物理媒介进行定义。行业厂家则开发用于这些目的的新型自动化产品，并和供电公司展开了多次合作。由此产生了一个包含了噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素的大型数据库，和用于电网的精确数据统计模式。

    第二步，他们通过模拟的方法，用这个模式来评估OFDM技术的头实现、带宽分配、子载波数量、子载波调制和误差纠正等多个参数构成的不同组合，并采用新设备在实地测试中来评估较好的方案。经过多次的重复和大量的实地测试，他们根据欧洲电网的情况和供电公司的规格要求，选择出较佳的参数组合。此外，和上端通信层也是由一个包含了晶片供应商、表厂和供电公司的联盟开发出来的。

    经过努力，他们开发出了PHY、和集中通信层。PHY层在临近节点之间收发MPDU。它采用位于CENELECA频段高频率的47.363kHz频率带宽，平均传输速率为70kbps，较大速率可达120kbps。在此条件下，网络中各个节点之间可直接通信的概率为92%。其它时候，路由可以确保**连接成功。

    层提供了系统接入、带宽分配、连接创建/维护和拓扑分辨等核心功能。

    服务**型集中层（CL）可以对信息传输进行分类，将其和适合的连接关联起来。它可测定可能包含在SDU中的任何，也可具备有效负载头压缩功能。同时，采用多个子集中层来实现SUD中的各种不同的。

    在基本FSK或BPSK方案中，信息是以单个载波来传输的。传输的波特率取决于带宽的大小，而噪音和选择性减弱会限制通信。而在OFDM方案中，信息是通过多个子载波来传输的。传输的波特率取决于带宽和DBPSK、DQPSK或D8PSK子载波调制的复杂性。通过采用多个子载波、编码和纠错，更好地了通信中的噪音和选择性减弱。

    符号的大小是由采样频率以及子载波的数量决定的。符号越大，越能够可靠地抑制脉冲噪音。编码提高了稳定性，但也增加了复杂性和功耗。子载波越多，通信稳定性就越高，但并不意味着波特率也越高。

    G3技术采用36个子载波、0.735ms的分类符号、6.79ms的序和9.5ms的开头，需要重复法和RS纠错来提高通信稳定性。

    PRIME采用了97个子载波、2.24ms的长符号、2ms的序和4.48的开头。为了避免重复法和RS纠错的复杂性，它采用了能效高3倍的符号来提高通信稳定性。这是一个能够提供稳定性但成本更低的方案。

    总之，传统电网在向需要更高级通信能力的智能电网发展。PLC技术是实现必需功能和稳定性的更便利的技术。PLC技术也在朝着OFDM方案变革，而G3和PRIME则是主要的2个方案