西门子6ES7231-0HF22-0XA0诚信合作

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1、 引言

触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，性高，编程简单，使用维护方便。在工艺参数较多又需要人机交互时使用触摸屏，可使整个生产的自动化控制的功能得到大大的加强。

PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。近几年，随着科学技术的不断进步，各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。触摸屏结合PLC在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。

触摸屏和PLC在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过PLC与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。并可实时监控到被控系统实际值的大小及变频器内的多个参数，实现报警、记录等功能。

2、闭环控制的变频节能系统用途很广

         各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：

空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。

恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等

锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、DCS或多冲量控制系统给出。

汽轮机：循环泵、凝结泵等，其控制调节预处理信号由汽轮机自动控制系统及DCS给出。

纯水处理系统：软化水泵、增压泵等。

洁净室：增压风机、FFU等等。

3、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用：

（1）PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU224XP、DI/DO模块、AI/AO模块组成。PLC作为控制单元，是整个系统的控制。其主要的作用要体现以下几方面：

①完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。

②完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。

③向触摸屏提供所及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。

④将PID运算的数据转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。

⑤通过通信电缆及USS4协议完成对变频器内部参数读写及控制。

（2）触摸屏采用SIEMENS公司MP370： 其主要作用如下：

①可实时显示设备和系统的运行状态。

②通过触摸向PLC发出指令和数据，再通过PLC完成对系统或设备的控制。

③可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能加强大。

（3）变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部的部分参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC。

（4）压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC。

（5）电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。

4、 触摸屏画面设计

触摸屏画面由ProTool等软件进行设计，然后先通过编程电脑调试，合格后再下载到触摸屏。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。

（1）主画面的设计

一般的，可用欢迎画面或被控系统的主系统画面作为主画面，该画面可进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大致的了结。

（2）控制画面的设计

该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。

（3）参数设置页面的设计

该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，同时还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。

（4）实时趋势页面的设计

该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。

（5）信息记录页面的设计

该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值范围和系统急停等故障。另外该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。

（6） 节能画面的设计

该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。

5、 PLC程序设计

PLC程序由S7-200编程软件进行设计，然后通过编程电脑下载到PLC进行联机调试，合格后即可使用。PLC在编程前应先对各功能程序段的进行规划，以免重复使用同一，造成误动。

（1）逻辑功能的设计

这部分程序主要是完成各变频器、水泵（或风机）的启动停止、联动、联锁及自动投切等等功能，一般在离线状态下就能完成软件逻辑功能的测试。

（2）PID功能的设计

通过S7-200中的PID向导可完成PID调节程序，具体应用时需根据实际被控设备及采样设备决定其配置。

（3）采样程序的设计

采样元件使用标准配置时，应注意采样A/D转换后的具体数据是否与PID及显示等程序配套，实际制做时还应考虑采样是多路且相关联的情况。

（4）PLC与变频器通信程序的设计

SIEMENS S7-200PLC与SIEMENS 430等变频器的通信一般使用USS4协议程序来完成，该程序的主要目的是监控变频器的实时运行状态。

（5）其它辅助程序的设计

PLC程序在实际编程过程中，需考虑对一些程序进行修补，尽量减少程序漏洞，反复推敲，不断的总结完善。

结束语

在闭环控制的变频节能系统中采用触摸屏可以使用户简单直观监控整个空调变频节能系统及与其相关联的设备和系统，提高了整个被控系统以及企业的自动化程度和硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中使用，实现了整个被控系统自动化程度的质的飞跃，这必将使触摸屏与PLC被多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点

0 概述

气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气（氧气、氮气及氩气），来满足生产单位的需求。

近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大，就加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：

1）过程自动化程度低，信息和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。

2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。

3）系统性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升。

鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。

1 PLC控制系统的特点及组成

PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、性高等优点。它通用性强，适应面广，特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。

PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10//触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。

1.1 系统结构及硬件配置

根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出（DO） 采用 SM322模块，模拟量输入（AI） 采用 SM331模块，模拟量输出（AO） 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。

1．2控制系统的功能实现

PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。

PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。

1.3 现场显示

现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。

1.4 工控机配置

工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。

2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：

1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：

系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作；

2）报警功能：

当压力过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警；

3）简单、方便的参数设定：

压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。

2.1 系统控制功能

（1）过程控制的功能：

1）系统对供气压力实现了PID自动调节控制；

2）对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；

3）实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。

（2）逻辑控制

联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。

（3）人机接口

HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。

（4）报表打印

以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。

3 软件设计

根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：

（1） 数据采集及工程量转换

（2） PID算法

（3） 温压补偿计算以及流量的累积计算

对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。

PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一介绍。

3．1 PID算法

STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。

PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和：

Mn＝MPn+MIn＋MDn

MPn ＝ GAIN（SPn－ PVn）

MPn ＝ GAIN  TS/ TI（SPn－ PVn）+MX

MDn ＝ GAIN  TD/TS（PVn－1－ PVn）

Mn：n次采样时刻的输出值。

MPn：n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。

MIn：n次采样时刻的积分作用，可以静差，提高控制品质。

MDn：n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制调。　　　　ＳＰｎ：ｎ次采样时刻的设定值。

PVn：n次采样时刻的过程值。

MX：n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。

GAIN：回路增益，P参数。

TI：积分时间常数，即I参数。

TI：微分时间常数，即D参数。

TS：采样时间。

从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到的控制效果。

4 采用该系统的意义

（1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除；

（2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。

5 结束语

该系统自2005年7月投入运行后，工作稳定、，成功地实现了全部控制功能，了比较好的控制效果，达到了预期的控制指标

当今世界上精密加工技术发展很快，新的加工方法和设备层出不穷，计算机的广泛应用使精密加工技术为普及和多样。 实现精密和精密切削加工有三种方法： （1） 采用和研制加工设备;（2） 采用新的切削工具材料; （3） 利用加工与测量控制一体化技术。 前两种方法成本较高，而后一种方法成本较低，具有广阔的前景。 在后一种方法中，除了要保证的精度、夹具的精度以及测量精度外，还有一项重要内容就是微进给机构的精度及其控制精度。 笔者在控制精密磨削的研究中，利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构，在滚珠丝杠确定后，步进电机的控制精度成为了主要矛盾。

1 　步进电机的控制

步进电机在不失步的正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。 可以方便地实现正反转控制及调整和定位。 由于步进电机和负载的惯性，它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。 因此，实现步进电机的自动升降速功能。 为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频这些脉冲序列，可以由脉冲源加逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。 对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。

如果要改变控制逻辑和控制方案，改变电路结构和元件参数，而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。 且可以从多种控制方案中，选取一种方案进行控制和调节。 也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制。 利用计算机控制的形式也很多，本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制。

2 　PLC 系统组成及位控单元的工作原理

本研究所利用的PLC 系统的组成包括如下七大模块：电源，CPU ，位控单元， I/ O 单元，A/ D ，D/ A 单元。 其中位控单元的主功能是当步进电机（或伺服电机） 与电机驱动器联结时，输出脉冲序列控制电机的转速与转角。 进给机构可以是2 轴型，也可以是4 轴型。 本文采用的是前者，即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给。 具体地说，位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种，如E 点控制（单速度控制） ，P 点控制（多级速度控制） ， 线性加/ 减速和S型加/ 减速， ， 线性加/ 减速， 除此之外还有位置控制和相对位置控制等。 E点控制不同模式的控制码（P 点与其相同） 。

3 　磨削加工PLC 控制原理

PLC 可以控制变频器、传感器、步进电机。 总控制程序流程图如图5 所示。 其中两个步进电机是利用PLC 的位控单元控制的。 在进行精密磨削过程中，横向进给将是十分重要的，PLC 的位控单元能较地控制步进电机的转角，从而使滚珠丝杠获得定位。 由于PLC 位控单元的控制方法有多种，对于磨削加工来讲，横向进给量不能大于215μm ，通过实验的方法可以找出方案。 这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用。 ，设置原点，利用光栅尺粗对，测量出对位置距原点的距离。 为防滚珠丝杠出现爬行现象，工作台从原点出发，经过一段距离以后开始自动加/ 减速。 此时，只要给定起始速度，目标速度，加速/ 减速时间以及位置要求值，并设定控制码即可实现上述功能，相关程序如图6 所示。 如果设滚珠丝杠的螺距为d ，步进电机的步距角为α°;进给速度为v （mm/ s） ;行程为s （mm） ;则要求的脉冲频率（即程度中的目标速度） 为f = 360 v/αd （Hz） ;总脉冲数（即程序中的位置要求值） 为F =360s/da（个） 。

4 　结束语

PLC 位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点。 因此，它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义

1 引言

从国内外的发展趋势上看，实现移动机的自动取料工作方式是必然的方向。为此，在大型取料机上增加HMI人机交互画面和部分硬件设备。对控制系统硬件线路和PLC的程序加以改进，便可以通过HMI进行参数设置、故障报警和屏幕操作，实现半自动取料功能，增强判断和处理故障的能力，降低劳动强度，大大提高作业效率。

2 取料机半自动取料特点

生产中，操作人员将取料机手动定位至料堆切入处，通过操作台上的HMI人机界面设定取料数量、旋回区域和步进距离，然后切换至半自动取料模式，通过HMI半自动取料启动按钮，进行自动取料作业。由启动一侧旋回区域自动向另一侧旋回取料，到达旋回区域的另一侧后，走行自动按设定值进行寸动，到达要求的寸动距离后，作反向旋回运转，周而复始直到达到设定的取料数量。

3系统组成

整个控制系统由一套机载 PLC和一台XBT型触摸屏组成。其中 PLC主机采用QUANTUM系列140CPU11303；主要模块：1块CRP-93X-00，1块CRA-93X-00， 4块DDI-841-00，2块DAI-740-00， 2块DRA-840-00，1块AVI-030-00，1块AVO-020-00；触摸屏作为HMI人机界面，用作机器工作状态显示，报警信息的显示、复位，参数的设置及调整等，组态软件采用XBT-L1000。PLC主机采用ModBus工业通信协议与机载触摸屏进行数据交换。

3.1 采用MODBUS通讯协议

HMI人机交互系统、PLC主站与分站之间的通讯方式、通讯协议和电气要求多种多样。有profibus、genis、rs232等。本系统将根据实际情况选用ModBus方式，充分满足系统开发和运行需要。

取料机是现场移动大型设备，并且它的大车部分和旋臂部分来回频繁旋转，如果采用传统的控制方案，势必要铺设大量的控制和信号电缆，浪费大量的人力、物力，同时使系统复杂，而且大车部分和旋臂部分之间的电缆，由于旋转频繁还经常扭断，性很差。考虑到实际情况本系统采用的ModBus工业通信协议，取料机控制室的PLC主机和分站，用1根RG6同轴电缆连接起来进行通讯。这样可以降，同时提高系统的性，使系统易于扩展。

3.2智能检测装置

为提高设备性能以及实现机侧半自动取料的需要，在悬臂皮带侧增加一个皮带打滑装置，2个皮带检测跑偏装置，金属检测装置及一台电子称；在走行侧安装走行编码器及编码器接手，用于检测取料机走行位置，在料场两头各增加一套走行限保护装置；旋回侧安装旋回编码器及接手装置；俯仰侧增加俯仰编码器及接手装置；操作室增加机侧手动取料方式/机侧半自动取料方式切换开关，一套UPS及一台施耐德触摸屏作为HMI界面。所有电气信号都将纳入PLC设备和HMI作为控制和监视使用。

4软件设计

4.1 PLC程序设计

本系统采用Concept2.6软件进行程序设计，通过操作台上的选择开关，可以选择三种操作模式：手动、联动、自动。手动模式为检修作业模式，在这种模式下，操作人员通过操作台的选择开关、按钮可以单运行某台设备，设备运行条件比较简单，除了一些基本的电机电气保护外，均不影响设备的运转，如皮带上的金检、打滑、跑偏等均不影响皮带的运转。

联动模式为正常作业时的取料模式，在这种模式下：皮带新增了打滑、跑偏保护，作业时会造成皮带停车。皮带新增了金属检测保护，作业时金属检测保护会造成皮带停车，操作人员捡出皮带上的金属后，在操作台上复位方可重新启动。新增触摸屏HMI上，操作人员可以看到设备的状态指示、报警指示、位置指示（旋回角度、走行位置、俯仰高度等）。旋回速度的控制采用4~20MA的模拟量控制，左旋和右旋各分为6档速度控制，操作人员通过旋回操作手柄的左旋、右旋、旋回减、旋回切控制回转。回转速度及方向在HMI上均有指示。新增一套电子称装置，HMI上有瞬时流量和累计量指示。当取料瞬时流量连续20s过1200吨/小时，皮带启动蜂鸣器会响。

4.2组态软件设计

采用XBT-L1000工控软件编制，触摸屏作为HMI人机界面，用作设备工作状态显示、报警信息显示、参数设置、复位等。

（1） 人机参数设置界面

控制、操作方便，能对系统被控设备进行实时控制，如启停设备、在线设置系统的某些工艺参数等，参数设置画面如图4所示。

（2） 实时画面监视功能

用图形、数值实时地显示现场被控设备的运行情况以及状态参数，使生产操作人员快速了解整个系统主要的设备运行情况。

（3）报警功能

当参数过设定范围后或设备发生故障时，可根据不同的需要发出不同等级的声光报警，屏幕显示报警信息，操作人员根据报警信息切换到相应监控画面，可以立即排除故障。

5 结束语

该系统具有节约投资、维护方便、性能稳定等优点。实践证明本系统具有较强的抗干扰能力，操作简单方便。自投入使用后，其各项性能指标均满足了工艺设计要求，达到了预期使用效果，创造了良好的经济效益