6ES7216-2AD23-0XB8参数选型

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一 概述
钢帘线主要用于汽车轮胎生产，随着汽车工业的发展，钢帘线市场前景被看好。02年至今，江苏、山东、辽宁以及湖北等地一直在兴建和扩建钢帘线生产基地。通过对前期引进设备的消化和吸收以及国内机电技术水平的提升，目前钢帘线的生产设备如直线式拉丝机、中丝热处理设备、水箱拉丝机、合股成绳机以及外绕机都在逐渐国产化。为适应日益激烈的市场竞争，提升设备性能，降低设备成本，寻求型解决方案就成为设备商和终生产厂家的重要关注点。

二 工艺要求及控制系统组成
中丝热处理是对半成品钢丝通过热处理正火,钢丝在拉拔过程中产生的加工硬化，它是一种连续加工工艺，示意图如下：

工艺要求：
1、对于一定直径（d）的半成品丝，牵引速度（V）要保持恒定，即d/V值恒定。
2、牵引轮和收线轮之间的半成品丝的张力（F）要保持恒定。同时因为收线轮采用收卷方式，应该进行张力锥度控制。
厂家条件：
1、为控制成本，厂家只提供时序逻辑控制信号，不提供如张力反馈、电机编码器等信号。 2、供应商产品有在国内拉丝机企业两年以上成熟应用经验并提供解决方案。
分析：如果不考虑上述限制条件，上述工艺通过一个非常普通的收卷方案就可以解决。因为艾默生有专门针对此类工艺的TD3300张力控制变频器，可是TD3300变频器三种张力控制方式所要求的条件（张力反馈信号或张力开环闭环矢量转矩模式）均不具备。为此，我们为厂家提供了如下的解决方案，并得到了厂家认可。

如上图，根据驱动轮稳速精度要求，选择了EV1000变频器。整个工艺的难点在于收线轮的张力控制。根据收卷轮运行频率范围（60Hz~5Hz）以及半成品丝的张力控制精度要求（±20%），决定采用TD3000变频器直接进行转矩控制，转矩设定指令由PLC根据用户的设定进行一系列计算之后给出。而根据工艺要求的PLC点数以及程序容量与计算速度，决定选用艾默生新推出的EC20-BRA2012 PLC。

三 控制原理
1、半成品钢丝收线速度控制
由于EV1000变频器运行稳速精度<±1%的额定同步转速,满足工艺对速度控制精度的要求，因此只需要根据线径就可以计算出所需设定的变频器频率。
2、半成品钢丝收卷张力控制
张力控制是通过变频器与PLC配合来完成的，其控制思路如下：

卷径计算
由于有排线器装置，排线器从一边运行到另一边时会产生一个换向信号，我们将此信号传递给PLC，一但PLC检测到此信号，则认为卷径发生变化，具体计算关系如下式所示。

式中n表示收到n个排线换向信号，Dn表示n圈时的卷径，D0表示空卷时的卷径，d表示线径，而k表示卷径校正系数，一般由经验获得，和线径相关。上述公司经过实际验证，和实际情况比较吻合。
张力计算
处于成本考虑，我们没有为PLC配置模拟输入和输出模块，而是巧妙地借用了变频器的模拟输入输出口以及PLC标配的RS485通行串口来实现张力的设定。用户将张力设定电位器连接到变频器模拟输入AI1，变频器自身只是采集该模拟量值，但并不对该模拟量进行任何处理，然后PLC利用内置的标准通信函数与变频器通信，读取模拟量输入值，转化为张力设定值。在此处需要注意的是根据变频器串口通信协议，PLC读入值0~2000代表变频器AI1口电压输入值为-10V~+10V。
根据工艺要求，随着卷径增加（满卷与空卷之比可达4：1），收线张力按一定规律减小，否则会发生外层丝勒到里层中去，导致缠丝现象。PLC根据下面公式来进行张力锥度公式进行计算：

式中，F为实际设定张力，F0为电位器设定张力，D0为空卷卷径，D为当前卷径，k为锥度校正系数。其趋势图如右边所示。
设置了相应的密码（PLC可提供3 级用户密码权限）。保护用户程序的私密性。
转矩计算

四 运行调试
这种设备运行耗费大量的电能，而且调试会浪费昂贵的金属线材，因此用户一般不会给设备厂家提供较长的调试时间，这就需要我们在正式调试前做大量而仔细的工作，确保一次成功。
1、仔细检查线路图，确保强电与弱点接线正确，尽量遵循变频器与PLC用户手册给定的走线方式。
2、因为EV1000和TD3000都具备电机参数自学习功能，特别是TD3000，因为运行在开环矢量转矩方式，一定要进行自学习。
3、在正式调试前，将PLC与变频器通信程序调通，确保读取与写入参数正确。
4、验证PLC的脉冲记数功能。
5、对PLC各计算子程序进行验证，确保计算无误。
6、按照工艺要求，认真分析各时序逻辑信号，做出正确的程序。
经过上述仔细准备，调试起来非常顺利。

五 系统优点
在和用户充分沟通、了解工艺要求与原理的基础上，结合艾默生公司工控产品的功能和特点，实现了高性价比的中丝收线系统，这套系统具有如下的优点：
1、系统电气配置非常简洁
一般带张力控制的收放卷系统，不是设计成带张力反馈的张力闭环控制系统，这种情况下用户需要张力反馈信号，会增加机械和电气成本，就是让矢量控制变频器工作在转矩模式，这种方式对变频器性能要求比较高，而且加装电机编码器，也增加了设备成本，并且编码器安装也费工费时。通过对收线设备的技术要求进行分析，确认TD3000变频器开环矢量转矩模式的转矩控制精度可以满足设备要求。当然这和TD3000的矢量控制算法是分不开的。
此外，EC20 系列PLC的标准配置非常丰富，它标准配置了两个通信口，其中之一就是RS485接口。因此在增加额外成本的情况下可以和变频器建立的通信。由于标配的通信功能，为系统节省了一个模拟输入模块和一个模拟输出模块。
2、系统调试简单易行
在小型电气控制系统中，设备间通信的调试都是一个难点和。但艾默生EC20-PLC自动集成了艾默生变频器通信协议，因此通信非常简单，只需一条指令就可解决问题。以设定变频器运行频率为例，步骤如下：在工程管理器中的通信设备连接项的变频器连接表中设定变频器地址，型号，厂家，协议。然后直接利用如下指令即可：
—[ FRQ 2 D0 M0 D2 ]
其中，2表示对当前地址为2的变频器进行通信，D0存放要设置的频率，M0和D2都是反映指令执行的饿状态。
3、系统的性很高
艾默生变频器很早就进入钢帘线行业，并针对钢帘线行业变频器使用环境进行了专门的改进，有着很好的环境适应性。
一般钢帘线工厂都有自建的电厂，和标准电网质量相比，电厂发电质量不好，因此我们在变频器输入端设计了特殊的处理电路，能够有效容忍电网质量一定程度的下降。此外，变频器适应电网电压波动范围大，如TD3000电网电压波动范围在额定输入电压的±20%。
针对钢帘线多粉尘的潮湿环境，艾默生工控产品（变频器与PLC）的所有单板及器件引脚都进行三防漆的处理，而且采用立的散热风道，有效地降低金属粉尘的影响。

 （2）控制级 控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。 其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。控制器是整个系统的，所以在控制级中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC组成,采用光纤和交换机构建成数据交换网络, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通过该接口连接I/O现场设备,STEP7包含有所需的驱动,也可以延伸到低端PROFIBUS上的设备,而重新连接编程器.现场设备也能够使用额外集成的PROFIBUS接口进行连接,而且,PROFINET接口可以用于单元级的通讯.PRIFINET CPU 能够使用STEP7在工业以太网上通过编程器/PC进行编程.

（3）现场级 现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表（如液位计、DO 传感器等）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入／输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS系统来连接现场控制部件(一些控制设备可能是三方厂商提供)，是解决这些问题的方案。分布式配置意味着可编程序控制 、I/O模块和现场设备通过PROFIBUS_DP现场总线的信号电缆连接。将输入/输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。从而保证了控制级与现场级控制设备的立和兼容 ，同时解决了与三方设备(撇水器、脱水机等)通讯问题,本系统的三方设备均使用了SIEMENS公司性价比较高的S7_200小型PLC,通过其附加通讯模块EM277可与PROFIBUS现场总线相连接,从而方便了运行过程中的系统维护和修理。 污水处理过程中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果。

在本系统中传感器数量大、种类多，包括pH、SS（固体悬浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位传感器以及电磁流量计、压力计等。 传感器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有PROFIBUS_DP接口，利用这些智能接口，这些仪表能与自动化过程控制系统集成，这样获得的所有过程参数可以集中显示， 同时作为工艺的控制参数。


3.2 工艺控制规律

软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律。同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据目前的研究状况，SBR工艺的控制可以分为三种：

种是生物浓度法。是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制；

二种是反应时间控制。对于时间控制规律而言， 它是根据对SBR反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的。

三种是流量程序控制。是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制。

后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的。 生物浓度控制的基本思想是动态的控制SBR的反应时间,使其中的物浓度（用COD或BOD表示）达到允许的排放标准，就停止曝气。在线测定物浓度的BOD或COD传感器比较贵 ，一般都在几十万元，目前还没有应用报道，而且实时性比较差，反应时间慢。时间控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制。该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制。对于进水时间、曝气时间、 沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动/自动转换开关改变其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的时序。在自动状态下，操作人员在控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送往上位机显示。


3.3 控制程序特点 根据以上情况，对应设计了多种控制模式，可根据实际情况由上位机选择运行。

(1)生物浓度法控制程序 生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参数作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的作为输出控制现场的设备，动态控制反应时间，以达到控制反应的目的。

(2)时间控制程序
①本控制系统严格按照时序、按顺序工作。
②允许在工作过程中任意进行遥控、自控切换且不影响工作时序。

(3)分组工作程序 由于该污水处理厂来水水量不均衡,造成生物处理池的负荷无法平衡,同时吨能量消耗大,运行不经济。故我们采用了分组运行的办法,每两个生物处理池为一组，既可以两组同时运行，又可以一组投运自动运行，另一组备用手动控制的方式。一方面解决了生物处理池的负荷问题，另一方面也解决了处理池相关设备的检修问题。


4 上位机组态软件

对SA（数据采集与监控系统）系统要求：通过工业以太网PROFINET，具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据收集处理、远程监视和数据转发，与各种控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制。 本系统选用了Siemens公司WinCC(bbbbbbs Control Center)6.0组态软件。WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有高性价比的SA级操作监视系统 。

在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。 监控系统的功能及特点：

（1） 界面显示 具有全中文显示，界面友好，操作方便。操作画面采用主菜单的形式，在每幅画面下通过按钮进行切换。在控制室能对全系统被控设备进行实时控制， 如启停设备，在线设置PLC中程序的某些工艺参数等。 机械处理监控界面（2）实时画面显示功能 用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及现场的状态参数。用模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况。根据阀门开闭及水泵的启停状态，生产管理人员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况。

（3）数据管理 数据库存储生产过程数据，供统计分析使用。工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。利用数据库中的数据进行比较和分析 ，得出一些有用的经验参数，有利于优化SBR工艺的闭环控制。

（4）报警功能 当参数过设定范围或设备发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警。在每幅画面的下方都有一个报警框，显示近发生的报警事件。所有报警信息都可显示在报警综合监视画面，所有的报警信息均被记录在报警数据库中，通过此画面可以查看当前系统的所有报警信息，也可查看长达几个月的报警历史数据，便于以后的事故分析使用。

（5）报表打印功能 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式分为定时打印和事件实时触发打印。

（6）通讯功能 WinCC是基于标准的bbbbbbs平台开发的SA系统软件，充分考虑了与其它系统交换信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等标准。可以提供多种方式与上层系统数据交换。

（7）冗余功能 两台装有WinCC组态软件的服务器互为冗余，确保数据完整，提高了系统的性。


5 结束语

在污水处理控制系统中采用工业以太网(PROFINET)改变了传统的现场总线及全模拟量传输的数据交换方式，在现场总线级实现了Ethernet数字传输，达到了提高信息传送距离、传送数据量和传送精度的目的，增强了现场控制灵活性，降低了数据交换网络初装费和设计施工费用，达到了减少电缆敷设，易于维护和扩展的目的。该控制系统2006年底在中科国益涿州污水处理厂已投入正常运行，实现了污水处理SBR工艺的自动控制，网络数据交换及控制功能十分稳定,污水处理的效率和效果十分理想，同时降低了能耗，得到了用户的认可,从而了良好的经济效益和社会效益。

1 引言
工业自动化系统中的大型系统或是小型设备，均含有各种噪声和干扰。干扰既有来自信号源本体或传感器，也有来自外界干扰。为了进行准确测量和控制，被测信号中的噪声和干扰。特别是随着自动化程度的提高，许制功能通过自动闭环调节来完成，设备控制的效果取决于外部模拟量采集、控制算法、执行输出等等环节，而在现场工业环境中，电磁干扰、电源干扰、甚至于传感器本身都会影响外部信号，导致得到的数据失真、波动，如果在数据采集环节即出现问题，那整个系统将无法正常工作。本文分析解决的是如何利用软件数字滤波的方式处理外部信号的正确采集，从而才能得到真实的数据，实现自动控制，否则设备的自动化控制将无从谈起。
2 软件滤波功能简介
2.1 软件滤波
软件滤波即是通过软件算法将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。
对于采集信号的处理，除了软件滤波之外，也可以采用硬件电路实现滤波处理，比如常见的RC滤波、LC滤波等等，图1为采用电容滤波电路的信号曲线。

硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要合理使用各种不同的滤波方式则避免因此而带来的影响。
2.2 数字软件滤波优点
(1) 数字滤波用软件实现，不需要增加硬设备，因而性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。
(2) 模拟滤波通常是各通道，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
(3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
(4) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
3 实现软件滤波的方法
软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其，这里列举了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。
3.1限幅滤波法
（1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
（3）缺点。无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。
（4）分析。限幅滤波法是比较简单易行的一种方法，难点在于需要由经验判断合理的偏差值，如果偏差值设小了，起不到滤波作用，设定过大，将不能及时采集外部信号的细小变化。
3.2中位值滤波法
（1）方法。连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果
（3）缺点。对流量、速度等快速变化的参数不宜。
（4）分析。采样次数决定了滤波效果，次数越大，滤波作用越大，但不能对信号进行快速响应。
3.3算术平均滤波法
（1）方法。连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4。
（2）优点。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。
（3）缺点。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。
3.4递推平均滤波法
（1）方法。连续取N个采样值，作为一个队列，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队的一次数据，把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4～12；温度，N=1～4。
（2）优点。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于振荡的系统。
（3）缺点。灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM。
3.5一阶滞后滤波法
（1）方法。取a=0～1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。
（2）优点。对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。
（3）缺点。相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，不能滤波频于采样频率的1/2的干扰信号。
3.6消抖滤波法
（1）方法。设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零；如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N(溢出)；如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器。
（2）优点。对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。
（3）缺点。对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统。
4 台达PLC软件滤波应用
上面简单描述了六种滤波的方法，实际上滤波的方法很多，而且针对不同的信号可以将两种或三种方法综合使用以满足信号处理的要求。
台达PLC的模拟量采集主要有模块和混合型主机两种。
4.1使用模拟量采集模块
台达模拟量模块分为两大类，-S和-H，分别配合SS/SA/SC主机和EH主机，如DVP04AD-S、DVP06XA-S、DVP04PT-S、DVP04TC-S为-S模块，DVP04AD-H、DVP06XA-H、DVP04PT-H、DVP04TC-H为-H为-H模块。无论哪一款模块，对应模块每个输入通道都有软件滤波功能，也就是模块内部控制寄存器中的平均次数设置（通道立），在此采用的是递推平均滤波法，设置的次数是上文中提到的采样N值，可以设置1～20，不同的滤波系数适应不同的信号，另外当输入有杂波造成配线受噪声干扰时还可以连接0.1～0.47 μF 25V做电容滤波，即硬件滤波，如图2所示。

图2 硬件滤波


4.2 混合型主机
台达也提供集成模拟量的主机类型，主要有DVP20EX（8DI/6DO/4AI/2AO）和DVP10SX(4DI/2DO/2AI/2AO)，以及在EH主机上可以扩展F2AD卡作为模拟量采集，在PLC中有平均次数设置的内部特殊寄存器D1062，可以设置1～4作软件滤波，同样的采用的也是递推平均滤波法。
可以看出，台达PLC作为工业控制产品，在模拟量采集的处理上作了比较完善的软、硬件处理满足大多数应用场合，当然并不是说他能满足所有的信号处理，特别是混合型主机的平均次数比较少，因此可能在某些场合不能满足要求，在此基础上我们可以根据现场信号的不同特性在程序中作滤波处理。
4.3 基于台达PLC的一阶滞后滤波程序设计
下面是以燃煤热水锅炉系统的炉膛微负压为设计背景，用台达PLC编制的一个一阶滞后滤波程序案例，以此简单介绍滤波程序的编写方法。
案例采用氧化硅压力传感器测量，由于炉膛负压是一个较小的压力量，大概在正负几百帕之间，很容易受到外界影响（如鼓风机、引风机等），因此这是一个波动较大的采集量，如果直接使用采集值，波动将很大（可能是正负几十帕的波动），根本没有办法调节控制到正负20Pa，因此对采集值作处理，减小其周期性波动才能完成控制。