西门子6ES7221-1EF22-0XA0库存

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引言
恒压供水在工业和民用供水系统中已普遍使用，由于系统的负荷变化的不确定性，采用传统的PID算法实现压力控制的动态特性指标很难收到理想的效果。在恒压供水自动化控制系统的设计初期曾采用多种进口的调节器，系统的动态特性指标总是不稳定，通过实际应用中的对比发现，应用模糊控制理论形成的控制方案在恒压系统中有较好的效果。在实施过程中选用了AI-808人工智能调节器作为主控制器，结合FX1N PLC逻辑控制功能很好地实现了水厂的全自动化恒压供水。对于单采用PLC实现压力和逻辑控制方案，由于PLC的运算能力不足编写一个完善的模糊控制算法比较困难，而且参数的调整也比较麻烦，所以所提出的方案具有较高的性价比。

工作原理
系统主要由AI-808人工智能调节器、变频器、控制接触器组、水泵、阀门、压力变送器等组成。由于水泵功率较大，为节约成本，只用1台变频器，3台水泵的其中2台可以采用变频调速，这样在某1台故障或维护时可以切换到另1台进行变频控制。图1为供水系统的原理框图。



压力传感器出水总管压力，经变送器送至AI-808仪表，与设定值比较得到压力误差和误差变化率，经AI-808特有的模糊、PID相结合的控制算法运算后，将输出控制信号（4~20mA）送到变频器控制端。通过调节频率从而使出水管压达到要求指标。当用户和水量增加时，在一台水泵变频达到50Hz仍不能满足供水压力要求，PLC将检测到AI-808调节器的压力低信号，按其逻辑及工艺要求，加入另1台水泵工频运行；同样，在用户用水量下降，PLC通过收到AI-808调节器的水压高信号后，将其中1台工频水泵退出运行。
系统运行时，变频器是固定控制某一台水泵，不实施多台水泵切换的方法。这样可以避免频繁切换对系统及变频器造成的冲击，并具有较高的性。同时也考虑到灵活性及检修等方面，系统可采用手动方式选择2台水泵中的1台变频运行，也可以减少某1台水泵长期低频运行所造成的损耗。

控制算法
工业过程中常用的PID控制器适用于线性定常系统，而供水系统的对象时常含有非线性、时变环节，而且有些参数未知式缓慢变化，因此单采用PID控制较难达到理想的控制效果，AI人工智能调节器采用模糊控制和改进PID相结合的双模控制算法，入图2所示



当控制开始时，误差e=Y-s较大，即偏差| e |≥EM时（EM为双模控制算法e的边界值），系统采用模糊控制算法，具有较好的动态性能。在误差逐渐减小，即偏差| e |将误差e和误差变化率c整量化及模糊化后，采用带修正因子的模糊控制规则：
P=[αe+(1+α)c]
式中：P为控制量U的整量化值；α为修正因子，介于0，1之间的数。
改变α的值可以改变双模算法的模糊控制规则，从而改变系统的动态品质。AI调节器在调节过程中具有自学习、自调整功能。
改进型PID算法采用抗积分饱和及不微分方式。其传函形式为：


式中：KD为微分增益，在阶跃作用下，PD输出初始值和终值之比；为限制微分突变作用太强，KD取值不宜过大，一般取5～10。
在调试过程中，在定值变化时控制系统调节过程中如图3。在通过调节阀门反映负荷变化时其调节过程如图4所示。

设备选型及功能
AI-808人工智能工业调节器
AI-808人工智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果优化。其具有无调、、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的PID算法明显。这一点在系统调试中得到验证，起初选用日本生产的单纯PID调节器，在用水量变化和水泵投退过程中，其调量和稳定时间均不理想，在改用AI-808智能仪表后，其动态、静态指标均满足了要求。

可编程控制器
选用FX1N系列可编程控制器，输出为继电器类型。由于PLC只完成水泵自动切换等逻辑功能，所以不需要模拟量输入输出模块，从而节省了投资，系统的压力闭环控制由AI-808人工智能仪表完成，其算法的优越性远PLC内部较为简单的PID算法。

变频器
采用艾默生TD2000-4T2000P型变频器,适用于水泵型负载。可通过手动电位计或AI-808调节器输出的电流信号来控制频率。这二种模式的切换由操作台手动/自动开关来实现。将变频器多功能端子定义为电位计-电流信号控制模式。

控制台
系统控制台设计兼顾了手动和自动2种操作方式。手动状态下，每一台水泵和阀门都可以单开启/停止，变频器频率可通多圈电位计手动调节；在自动模式下，通过选择开关确定要投入运行的水泵，这样在某台水泵维修时，可以让其退出自动运行的行列，而不影响系统的正常运行。控制台除了PLC、AI-808调节器外，还设有水位显示仪、分管压力显示仪、频率表。

参数设置
AI-808调节器提供丰富的用户设置方式，使其对不同的控制均能达到满意的控制效果。参数设置决定系统的静态和动态性能，该系统的参数设置如下：给定值：0.43~0.47Mpa
HIAL：上限报警，不用。
LOAL：下限报警，不用。
dHAL：正偏差报警，系统用于控制水泵的切换，Dhal=0.05
dLAL：负偏差报警，系统用于控制水泵的切换，dLAL=0.05.
Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生频繁调节作用，在回差范围内位式调节不起作用，Df=0.05。
Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl＝1。
M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，系统值=25。
P：速率参数，与每秒内仪表输出变化**时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），P=5。
T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强，t=4。
Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢，Ctl=2。
Sn：输入反馈信号类型，Sn=33，信号为1~5V。

结语
系统采用AI-808人工智能调节器和FX1N PLC相结合的变频调速恒压供水方案已在现场运行多年，情况表明：
(1)用AI人工智能调节器，采用模糊控制和PID结合的控制方案，发挥了2种控制器的优点，达到较好的动态和稳态指标，对系统压力调节具有恢复时间快、调小等优点。其自整定功能为用户提供了一种方便快捷的参数设置方法，系统稳定误差在 ±0.01Mpa。
(2)电机功率为180kW，采用单台变频切换的方式有利于降低系统造价。
(3)变频调速系统使水泵电机在软起动下运行，无冲击电流、使用寿命长，同时具有良好的节能效果

以松下FP1系列PLC和A4系列伺服驱动为例，编制控制伺服电机定长正、反旋转的PLC程序并设计外围接线图，此方案不采用松下的位置控制模块FPG--PP11\12\21\22等，而是用晶体管输出式的PLC，让其特定输出点给出位置指令脉冲串，直接发送到伺服输入端，此时松下A4伺服工作在位置模式。在PLC程序中设定伺服电机旋转速度，单位为（rpm），设伺服电机设定为1000个脉冲转一圈。PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）*100（HZ）。设该伺服系统的驱动直线定位精度为±0.1mm，伺服电机每转一圈滚珠丝杠副移动10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故该系统的脉冲当量或者说驱动分辨率为0.01mm(一个丝)；PLC输出脉冲数=长度设定值*10。
以上的结论是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。也就是说，在计算PLC发出脉冲频率与脉冲前，先根据机械条件，综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比！大致过程如下：
机械机构确定后，伺服电机转动一圈的行走长度已经固定（如上面所说的10mm），设计要求的定位精度为0.1mm(10个丝)。为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲的行走长度0.1mm，如设定一个脉冲的行走长度为如上所述的0.01mm，于是电机转一圈所需要脉冲数即为1000个脉冲。此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K。松下FP1---40T 的PLC的CPU本体可以发脉冲频率为50KHz，可以满足要求。
如果电机转动一圈为100mm，设定一个脉冲行走仍然是0.01mm，电机转一圈所需要脉冲数即为10000个脉冲，电机速度为1200转时所需要脉冲频率就是200K。PLC的CPU输出点工作频率就不够了。需要位置控制模块等方式。
有了以上频率与脉冲数的算法就只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可实现控制了。设使用松下A4伺服，其工作在位置模式，伺服电机参数设置与接线方式如下：

 一、按照伺服电机驱动器说明书上的“位置控制模式控制信号接线图”接线： 

    pin3(PULS1)，pin4(PULS2)为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正(24V电源需串连2K左右的电阻),PULS2连接控制器(如PLC的输出端子)。 
    pin5(SIGN1)，pin6(SIGN2)为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正(24V电源需串连2K左右的电阻)，SIGN2连接控制器(如PLC的输出端子)。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41，P42这两个参数控制，pin7(com+)与外接24V直流电源的正相连。pin29(SRV-0N)，伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负相连，则伺服电机进入使能状态，通俗地讲就是伺服电机已经准备好，接收脉冲即可以运转。 
    上面所述的六根线连接完毕(电源、编码器、电机线当然不能忘)，伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据您的要求接入控制器构成完善的控制系统。 

二、设置伺服电机驱动器的参数。 
   1、Pr02----控制模式选择，设定Pr02参数为0或是3或是4。3与4的区别在于当32(C-MODE)端子为短路时，控制模式相应变为速度模式或是转矩模式，而设为0，则只为位置控制模式。如果您只要求位置控制的话，Pr02设定为0或是3或是4是一样的。 
   2、Pr10，Pr11,Pr12----增益与积分调整，在运行中根据伺服电机的运行情况相应调整,达到伺服电机运行平稳。当然其他的参数也需要调整(Pr13，Pr14,Pr15,Pr16，Pr20也是很重要的参数)，在您不太熟悉前只调整这三个参数也可以满足基本的要求. 。
   3、Pr40----指令脉冲输入选择，默认为光耦输入(设为0)即可。也就是选择3(PULS1)，4(PULS2)，5(SIGN1)，6(SIGN2)这四个端子输入脉冲与方向信号。 
   4、Pr41，Pr42----简单地说就是控制伺服电机运转方向。Pr41设为0时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)导通时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)。Pr41设为1时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)断开时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)，正、反方向是相对的，看您如何定义了，正确的说法应该为CCW，CW 。
   5、Pr48、Pr4A、Pr4B----电子齿轮比设定。此为重要参数，其作用就是控制电机的运转速度与控制器发送一个脉冲时电机的行走长度。  

    其公式为： 
    伺服电机每转一圈所需的脉冲数=编码器分辨率 × Pr4B／(Pr48 × 2^Pr4A) 
    伺服电机所配编码器如果为：2500p/r 5线制增量式编码器，则编码器分辨率为10000p/r 
    如您连接伺服电机轴的丝杆间距为20mm，您要做到控制器发送一个脉冲伺服电机行走长度为一个丝(0.01mm)。计算得知：伺服电机转一圈需要2000个脉冲(每转一圈所需脉冲确定了，脉冲频率与伺服电机的速度的关系也就确定了)  。
    三个参数可以设定为：Pr4A=0，Pr48=10000，Pr4B=2000，约分一下则为：Pr4A=0，Pr48=100，Pr4B=20。 
    从上面的叙述可知：设定Pr48、Pr4A、Pr4B这三个参数是根据我们控制器所能发送的大脉冲频率与工艺所要求的精度。在控制器的大发送脉冲频率确定后，工艺精度要求越高，则伺服电机能达到的大速度越低

       本应用实例选择的是位置控制模式，脉冲输入方式有集电开路方式和差动驱动方式两种，为了方便的实现同时对两部电机的控制，采用差动驱动方式。与PLC的接线图如图所示。

                                                                                 PLC与伺服放大器接线图
图中L+为公共PLC端子，接24VDC正端，通过控制内部晶体管的开关使得输出Q呈现不同的电平信号或发出脉冲信号。L+一PG—P lM—L+为脉冲输入回路，PLC控制该回路中的发光二管的亮灭，形成脉冲编码输入。L+一NG—NP一1M— L+为电机旋转方向控制回路，当该回路的发光二管点亮时，电机正转，否则反转。由于伺服放大器内部电阻只有100欧，为
了防止电流过大烧坏内部的发光二管，需要外接电阻R，其阻值的计算如下：

对于输入的脉冲，可以乘上其中任意倍率使机械运行。

下面是plc控制的具体应用

国内外的各制造行业厂商历来重视制造过程中的与保护。随着产能的不断提升，厂商对设备自动化的要求越来越高，机器和设备也越来越复杂、速度也越来越快。因此，厂商对这些机器的要求也越来越高。我们既要能够保证、性，又要保证灵活、易维护性。这就对元器件的正确和合理的设计和选择提出了一定的要求。
      功能在工业设备上的使用在发达国家已十分普及，例如，在欧洲有强制的标准，达不到相应等级的设备不能投产；在美国则依靠高额的事故赔偿来强制设备的性。通常，我们可以参照以下欧洲标准进行设备的设计：
EN 1050-1996  机械  风险评价
EN 292－1：1991 机器 基本概念与设计通则
EN 954-1 机械 控制系统有关部件 1部分 设计通则
EN/IEC 60204 机械  机械电气设备
EN/ISO 13894 机械的 控制系统有关的部件
EN/IEC 61508 主要涵盖了电气/电子/可编程电子系统的功能
EN 418 紧急制动设备
EN 1088  与保护装置有关的连锁装置   设计和选择原则
EN 12415  机床   小型数控车床和车削
EN 12417  机床   加工
EN 12478   机床   大型数控车床和车削
EN 692：1996 机械压力机
EN 693：2000 机床 液压机
EN 1550：1997 机床 工件夹紧用卡盘设计和制造的要求
      在这方面我国还处于起步阶段，很多有一定危险性的设备没有任何保护措施，这也是工厂事故频发的一个重要原因。随着国家对此重视程度的提高和以人为本理念的逐渐深入人心，设备的性正得到越来越多的重视。
      设备的性能由机械防护和电气控制两方面组成。机械防护在本文不做过多介绍，下面详细介绍电气控制的原理及应用。
      控制系统提供一种高度的保护手段，大限度地避免机器的不状态、保护生产装置和人身，防止恶性事故的发生、减少损失。该系统在开车、停车、出现工艺扰动以及正常维护操作期间对机器设备提供保护。一旦当机器设备本身出现危险，或由于人为原因而导致危险时，系统立即做出反应并输出正确信号，使机器停车，以阻止危险的发生或事故的扩散。
      一套控制系统，由输入信号（即功能，如紧急停止信号、门信号等）、控制模块（如继电器、PLC）、和被控输出元件（如主接触器、阀等）三部分组成。
      要使设备达到相应的等级就离不开必要的元件和线路，常见的元件有急停按钮、双手按钮、门开关、光栅等。这些元件通过线路（一般是双回路）连接到控制的，此不是普通的PLC，因为它不具备功能。
      具有要求的机器中，普通的继电器或者PLC被广泛地作为控制模块，对功能进行监控。从表面看来，这样的机器在一定条件下也能够保证性。但是，当普通的继电器和PLC由于自身缺陷或外界原因导致功能失效时（如触点熔焊、电气短路、处理器紊乱等故障），就会丢失保护功能，引发事故。
      而对于控制模块，由于其采用冗余、多样的结构，加之以自我检测和监控、电气元件、反馈回路等措施，保证在本身缺陷或外部故障的情况下，依然能够保证功能，并且可以及时的将故障出来。从而在上保证了整个控制系统的正常运行，保护了人和机器的。

电气控制的方式大致分为以下几种：
1.用普通继电器搭建有自锁和互锁功能的双回路线路。这种是原始的控制方式，能达到较低的等级。其优点是廉，缺点是维护和改造十分复杂，无法监控。
2.使用继电器搭建回路。上个世纪随着继电器的出现，它已经越来越多的应用于各种工业设备中。可以用于控制单一功能，适用于小型的控制系统。其输出通常有继电器触点输出或晶体管输出。无论采用何种形式的输出结构，继电器都能够保证至少2个通道进行输出的控制。在一个输出通道出现故障的情况下，另外一个冗余的通道依然能够保证继电器的功能，并且及时出故障通道。常见的继电器有皮尔兹、施迈赛等，现在西门子、欧姆龙等系统集成商也都相继推出了自己的继电器产品。此控制方式成本适中，能达到较高的等级，但如果元件多线路依然比较复杂，不适于大型生产线。
3.使用PLC进行控制。可编程控制器的CPU采用冗余的多处理器结构。各个处理器之间相互监控，一旦出现不一致，立刻使控制器处于状态，并且发出报警信息；同时，可编程控制器对内部的RAM，EPROM，输入输出寄存器等元件进行实时监控，并且采用特殊的测试脉冲对输入信号和输出被控元件进行，一旦出现任何不隐患，控制器立刻切换至保护状态。总线系统适用于大型、离散式的控制系统。其原理是在现有工业现场总线的基础上，采用了一系列的时间检测、地址检测、连接检测和CRC冗余校验等措施，达到高的等级。PLC是上世纪末出现的产品，他的优点是可编程性能强大，使用总线能实现很高要求的控制，但成本较高。
4.使用可编程继电器进行控制。可编程继电器是近年推出的产品，它介于PLC和继电器之间，即具有一定的可编程性，价格却不是很高。继电器是一个多功能、可自由配置的模块化系统。与其他普通继电器不同，可编程继电器的电路可在个人电脑上使用图形配置工具生成。通过基础模块上的RS232接口可以直接向可编程继电器写入程序。

      以上简单介绍了控制的几种方式，那么与等级密切相关的元件是如何达到控制的目的的呢？下面进行分类介绍：
1.防短路功能。线路一般使用双回路控制，即使有一条线路发生短路，依然能防止设备在不满足要求的状态下运行，另外继电器和PLC都有短路诊断功能。
2.放粘连功能。继电器与普通继电器不同，普通继电器在长时间电弧的作用下有可能发生触点的粘连，而继电器由于其特殊的结构，能保证在回路不满足条件的情况下触点强制断开。
3.区域功能。通过门锁和光栅行程的区域，一旦进入门或穿越光栅，在控制的作用下设备能够强制停机，保证生产人员的。
4.冗余功能。PLC和总线都具有冗余功能，确保在外界干扰下的性能不受影响。
      对于功能4个以下的单台设备或流水线，我们可以使用紧凑型继电器。例如，在动力车间中的单台数控机床，其功能通常包括数个紧急停止按钮、一扇至二扇门，并且等级在3级以上。对于这样一个应用，我们可以采用一个紧凑型继电器控制所有的紧急停止按钮；再使用1/2个紧凑型继电器控制1/2扇门。任何一个继电器被触发，输出切断相关负载（如控制轴运动的变频器或伺服）。
      对于功能在4至14个的设备或流水线，我们使用模块化的可编程继电器来得到高的灵活性和低的成本。我们以一条油漆自动化线为例，在此生产区域中，通常包括在安装在喷涂区域进出口的2对光栅、4/8个门、若干个紧急停止按钮、2套屏蔽传感器，并且等级在3级以上。我们当然可以选用紧凑型的继电器来实现以上功能。但是这种解决方案的成本较高、接线繁琐、故障诊断困难。而可编程继电器的应用，不但能够、的完成功能，并且能够从设计、购买、维护中降。
      对于功能在数十个以上、或者大部分的功能都离散分布的现场，可编程PLC系统和总线系统可以使复杂的控制变得简便、清晰。在大型冲压流水线中，PLC都有成功的应用案例。通常，一条冲压流水线高10m，长50m，分为涂油、冲压、剪切 等几个工作区域。每个区域都有2扇冲程门和若干的紧急停止按钮；外围还需要有光栅保护换模区域；此外冲压机械中还有大量的信号（比如上死点、阀信号等）需要接入控制系统，并且以复杂的逻辑关系贯穿于整个控制回路。在这种情况下，可编程继电器和总线系统是为合适的解决方案。PLC可以简便的实现复杂的逻辑关系。通过总线可以将分散在现场的输入信号通过一根电缆集中至主站进行控制。
      在我国的生产制造行业，各种控制系统已经得到广泛应用。以汽车行业为例，合资企业使用欧美的进口设备，一般都具有较高的等级，例如一汽大众、上海大众、上海通用的生产车间就是如此。而多数民族汽车大都使用国产设备，如奇瑞汽车，长城汽车等，在其冲压焊装和总装线上大范围使用了国产设备，也大都配备了继电器和PLC等控制系统，提高了生产的性。随着以人为本理念的深入贯彻，相信控制在未来的工业生产中将得到加广泛的应用。