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产品描述
西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8诚信合作
1 引言
水位测控装置是水电厂的重要测控设备，水电厂的上下游水位是防汛的重要数据，拦污栅压差影响机组出力、水工，水头值影响调速器协联曲线，进而影响机组效率甚至稳定运行，因此水位测控装置需满足长期稳定运行。目前的水电厂水位测控装置普遍采用定制仪表采集水位传感器的格雷码值，换算栅差、水头等，输出开关信号报警，输出4~20ma信号至监控、远动、调速器。在运行维护中存在以下问题：采用电缆长距离输送格雷码信号，防雷、抗干扰能力差，仪表、传感器易损坏；4个24位格雷码传感器需100芯电缆维护困难；定制的仪表扩展性差，输入、输出校准，参数整定操作复杂；价格高，备品备件采购困难。因此开发基于通用硬件设备的水位测控装置意义重大。
根据水电厂水位测控具体要求，我们自主设计了基于plc的水位测控系统，具有高性、配置灵活、安装维护简单方便特点。
2 系统功能结构
水东水电站装设有上游、#1拦污栅后、#2拦污栅后、下游四个水位测量井，配置浮子式水位测量装置，采用光电编码器将水位信息转换成数字信号。坝上传感器距离中控室500m，下游传感器距离中控室30m，为提高系统的防雷、抗干扰能力，坝上传感器通信采用光纤传输。水位测控装置plc通过rs485串行口采集编码器水位数据，经过换算处理模拟量输出模块输出4～20ma的上游、下游海拔值信号至远动rtu装置，输出4～20ma的水头信号至机组调速器电气调节装置。计算机监控系统通过网络连接水位测控装置plc，所有水位信息，故障报警信号等，并可远程设置相关参数、定值，系统功能结
3 实现原理
3.1 浮子式水位测量装置
该装置安装在测井口上方，当液位变化时，浮子随之上升或下降，测绳带动线轮做旋动，与线轮同轴连接的多圈编码器就输出与液位对应的数字信号。装置具有结构简单、合理，性高、适应性强等优点，能够长期用于液位测量。
3.2 编码器
根据现场实际需求，编码器选用现场总线型输出的多圈编码器。
编码器由机械位置确定编码，每个编码不重复，它不受停电、干扰的影响，记忆，找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取，这样，编码器的抗干扰特性、数据的性大大提高了。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装调试时不必费劲找零点，将在测量范围内的某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。
编码器信号输出主要有并行格雷码输出、串行ssi输出、总线型输出、模拟量4~20ma输出。并行格雷码和模拟量输出信号读取简单但不适合长距离传输，串行ssi输出大部分是与西门子plc的ssi模块配套成本较高。现场总线型编码器用通讯方式传输信号，信号遵循rs485的物理格式，连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和性就提高了。信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号，多个编码器集中控制的情况下可以大大节省成本。
3.3 水位测控装置plc
plc选用m340模块化plc，它是施耐德公司生产的性能价格比很高的可编程控制器，已广泛应用于工业控制的各个领域。cpu模块选用、大内存的bmxp34 2020，带一个100m以太网、一个485串行口；输入、输出模块可根据现场实际需求灵活配置。
4 软件设计
4.1 编程步骤
plc的硬件配置、控制程序采用的编程软件包unity pro完成，pc通过网络或usb与m340plc进行程序传送。进行plc硬件组态，含底版、电源、cpu、输入输出模块等。通过电源模块属性可查看电源使用情况，应保留一定余量，否则需换容量大的电源模块；在cpu模块的serialport口配置串行链路参数如：485modbus主站、波特率9600、帧延时4ms、数据位8位、停止位1位、偶校验；创建网络链路ethernet1并配置ip地址等网络通信参数，将cpu模块的ethernet口链接到网络链路ethernet1；根据现场模拟量信号要求配置模拟量输出模块参数；定义相关变量等。
4.2 plc程序设计
（1）程序结构。程序采用模块化设计，具有较高可读性、可维护性
（2）程序注释。plc上电扫描执行初始化init（）子程序，初始化通信参数，上、下游海拔预置值，各个传感器调零值，拦污栅压差整定值等。
传感器通信comm（）子程序，分时读取传感器水位值，通信故障时水位保持原值。
计算calc（）子程序，计算出上、下游，拦污栅后的实际海拔值，拦污栅压差、各机组有效水头等。
信号输出out（）子程序，拦污栅压差过大报警、通信故障报警、装置故障报警、4～20ma模拟量输出等。
数据上送sent（）子程序，根据监控上位机通信规约，组织上送数据信文，含各实际海拔值、有效水头、详细故障信息、拦污栅压差报警定值等。
4.3 水位信号读取
m340 plc和编码器串行rs485通信采用modbusrtu通信规约，这个通讯协议已广泛被国内外各行业作为系统集成的一种通用工业标准协议，有利于系统的维护和扩展。plc为主站，编码器为从站。
查编码器技术手册，水位测值的modbus地址是4x0000，根据modbus通信规约信息帧结构读取地址 1传感器的水位测量值，应发送以下通信码：m340 plc读取水位信息主要用read_var功能模块：
01 03 0000 0001 840a
站地址 功能码 地址 个数 crc校验码
功能模块说明［1］
adr
通信地址：语法为 addm （`r.m.c.node`机架号。模块号。通道号。站地址） 类型。
obj 要读取的对象类型
● ’%m’：内部位
● ’%mw’：内部字
● ’%s’：系统位
● ’%sw’：系统字
num 读取的个对象的索引。
nb 要读取的对象的数量。
recp输出参数包含所读取对象的值的字表。
gest交换管理表：4个字的数组。
read_var功能模块实现将地址1传感器水位值送入%mw1，交换管理表置于%mw400：4，%mw401==0，说明通信成功，非零值记录故障代码。通信过程需占用一定时间，保证通信，防止通信阻塞，4个传感器通信分时进行，用上升沿触发。读取交换管理表确认通信是否成功，通信失败应将故障代码上送上位机并报警，将水位值保持为上一次正确通信时读取的值。
4.4 上位机软件设计
上位机系统与plc之间通过以太网连接，水东电厂的计算机监控系统采用南瑞集团公司的nc2000系统。narinc2000计算机监控系统是南瑞集团面向水利水电领域的新一代计算机监控系统软件［2］。nc2000具有良好的人机界面和网络功能，与施耐德plc网络通信采用tcp/ipmodbus规约。在组态环境下，设计人员对plc进行驱动配置，运行环境以图形画面形式的人机界面监控水位信息、故障报警，对有关数据存储历史库，生成报表，同时利用web功能使系统具有在线监控功能，即在授权的情况下在任何一台联网的计算机上用标准的浏览器可远程监控。限于篇幅，上位机程序不再详述。
5 结束语
系统的设计结构合理，采用多圈编码器采集水位，以可编程控制器为控制，提高了系统的自动化程度，保证了系统运行的性；硬件、软件模块化设计具有良好的扩展性和灵活性，可根据现场实际需求改系统的配置规模。该系统在福建水东电站现场运行表明工作稳定，在监视报警、综合计算、信号输出等各方面满足电站的运行要求，了很好的效果，有较高的推广。
1 引言
剔除控制是灌装、数粒等瓶装产品包装线典型的自动化品控工艺。随着在线空瓶自动速度的不断提高，空瓶检测系统对剔除不合格瓶的要求也不断提高。现在的空瓶检测技术已达到每小时3~4万瓶的速度，甚至有的国外检测设备已达到6~7万瓶/小时，而且是连续的流水在线检测。因此，如何将在传送带上不断流动的空瓶测出来的不合格瓶准确的剔除便成为一个关键技术点，也是衡量整套在线检测系统性能好坏的一个重要指标。
本文所介绍的基于西门子s7-300plc的剔除控制系统主要用于对在线空瓶装置出来的不合格瓶进行准确的剔除，并对检测过程的一些重要环节进行控制，如连续剔除过多报警、传送带传送过程中的倒瓶报警以及实时显示系统运行状态等。西门子s7-300系列plc是模块化的中小型plc，适用于中等性能的控制要求［1］，因此符合本系统的需求。本系统主要针对玻璃啤酒瓶的检测剔除，同时也适用于其它圆口圆身玻璃瓶。
2 系统整体介绍
系统由控制模块、执行剔除模块、现场数据采集模块、人机界面显示和报警模块等几部分组成。控制模块主要由s7-300plc组成，包括一个cpu315-dp/pn、一个16点的数字量输入模块sm321、一个16点的数字量输出模块sm322以及一个高速计数模块fm350-1［2］，主要用于接收现场采集的信号以及系统发出的不合格信号并进行相应的处理，控制现场设备的动作，如电磁阀的开关、报的报警动作等；执行剔除模块主要由电磁阀、气动剔除器以及空气压缩机组成，由空气压缩机产生的气压作为剔除器的动力，电磁阀的开关控制剔除器的剔除动作；现场数据采集模块包括分布在现场各处的光电传感器和旋转编码器组成，用于对现场的信号如到瓶触发信号、倒瓶信号以及空瓶在传送过程中的位置信号进行采集，并传送到plc中进行处理；人机界面显示和报警模块包括op77a操作显示面板和报，用于显示系统运行状态、修改参数和故障报警等。
根据空瓶在传送链道的传送方向，空瓶依次要经过如下区域：检测区域，触发检测光电，并由空瓶检测系统对其进行检测，其检测结果信号传送给plc进行存储，同时plc根据旋转编码器脉冲数以及fm350-1的计数值计算该瓶的位置信息进行存储；倒瓶检测区域，由于此区域的传送链道两旁没有护栏，因此此处易出现倒瓶现象，需要在此区域进行倒瓶检测；剔除区域，当该瓶到达剔除器处时，若该瓶为不合格瓶，则剔除器动作将其剔除，同时到达剔除器处的所有瓶子的检测结果信息以及位置信息；剔除确认区域，该处为一剔除确认光电，用于检测是否有没剔除的不合格瓶，有则进行报警。
3 系统设计
3.1 工作原理设计
在传送带传送的同时旋转编码器不断产生脉冲信号并传送到fm350-1模块中，由其计数脉冲数，以脉冲数来记录检测瓶在传送带上的位置，便于后面剔除器处的剔除。由于检测位置与剔除器之间的检测瓶可能不止一个，因此，需要在plc中开辟两个存储区来顺序存储检测瓶的好坏信息和位置信息。当检测瓶到达检测位置并触发检测光电时，检测光电产生一个上升沿信号触发plc动作，此时，plc读取fm350-1计数模块中的计数值n1，由于预先设定了检测位置与剔除器之间的距离转换成的旋转编码器的脉冲数n，这样就可以计算出瓶到达剔除器位置时高速计数模块fm350-1的计数值n2=n1-n（因为设定fm350-1为减计数［3］），并将之存储到plc中开辟的位置信息存储区中的相应位置中。这样，当fm350-1中的计数值小于等于n2时，就可以断定检测瓶到达剔除器位置处。当检测瓶到达剔除器位置时，提取出信息存储区中相应位置的好坏信号，如果该瓶为不合格，则plc控制电磁阀开，由剔除器将此瓶剔除，若为合格瓶，则电磁阀不动作，此瓶过去，当检测瓶触发剔除确认光电时，判断该瓶是否为不合格瓶，若为不合格瓶，说明有漏剔，此时进行报警。
3.2 关键技术设计
（1）准确剔除控制。准确剔除的前提在于系统能够时时记录进入检测区域的每一个瓶子的位置信息，能够捕捉到到达剔除器位置的瓶子，并将不合格的进行剔除。由于检测位置与剔除器位置之间的距离是固定的，因此，本系统通过安装在传送链道上的旋转编码器发出脉冲以及高速计数模块fm350-1计数值来记录检测瓶在链道上的位置。本系统采用的旋转编码器每转一转可发出1000个脉冲，这样，检测位置与剔除器位置之间的固定距离就可用旋转编码器发出的脉冲数来表示，且脉冲数也是一个固定值。因此，可通过计数值来判断检测瓶是否到达剔除器位置，并进行准确的剔除。
（2）检测结果信息与位置信息的存取方式。由于现场的空瓶检测属于自动流水线式作业，因此传送带上传送的检测瓶数量众多，如何能够记录这么多瓶子的检测结果信息和位置信息便成为一个技术难点，plc中无法开辟出这么多的空间来存储这么多的信息。经研究发现，只有处于检测位置与剔除器之间的检测瓶的检测结果信息和位置信息才对系统有用。因此，只需要记录位于检测位置与剔除器之间的瓶子信息即可。
经测量，本文所介绍的控制系统的检测位置与剔除器之间多容纳67个瓶子。因此，需要开辟连续的67个字空间来存储之间的瓶子的检测结果信息即可。而对于位置信息，由于fm350-1的计数值占用双字的空间，需要开辟连续的67个双字空间进行存储，
本系统对于检测结果信息和位置信息的存取采用间接寻址［4］、顺序存取的方式，其基本思想如下：
在对信息存储区进行信息存取时，将现场运行的瓶子以67瓶为一组，同时在plc中启动一个检测计数器c1和一个剔除计数器c2。当检测计数器c1的计数值达到67时，便将计数值清零，以备下一组67瓶的计数和信息存储。同时，plc在内部程序中不断检测瓶子是否到达剔除器位置，每当有瓶到达剔除器位置时，剔除计数器c2的计数值便加1，同时根据与信息存储时相同的方法，以存储区地址为基址，以c2的计数值为偏移量访问检测结果存储区中的结果信息，如果该瓶为不合格瓶，则启动剔除器进行剔除，同时该瓶在存储区中的检测结果信息，便于后面瓶子信息的存储。由于检测区域多只能容纳67瓶，因此，当计数器c1计数满67并将计数值清零时，存储区个位置的信息早被出来并处理完毕，因此，当下一瓶到来的时候计数值加1变为1，其信息仍可存储到存储区个位置，且不会影响以前存储的信息。以此类推，下一瓶，下两瓶等等到来的时候仍可顺序存储其信息，这样，就可以将检测区域的每一个检测瓶的信息都存储起来了。
每当瓶子经过检测位置触发检测光电i0.5时，计数器c1的计数值dbw564便加1，以此计数值作为偏移量，同时以信息存储区的地址dbd560和dbd598作为基址，就可以按照图5所示程序计算出存储区中需要存取的位置的地址md160和md164，其中的fc15的功能如图6所示，其计算出out3=in0×in2+in1，即对信息存储区相应位置存取的地址。这样就可以遍历整个存储区，将相应瓶子的检测结果信息和计算得到的位置信息存储于存储区的相应位置
4 人机交互与报警
本文所介绍的剔除控制系统采用西门子op77a操作面板作为人机交互界面。op77a是西门子公司推出的一款小巧易用、操作简便的人机交互工具，通过wincc
flexible或protool工具进行编程组态，与s7-300plc通过profibus总线进行通讯，可以读取或修改plc内部的变量值［5］。人机交互主要用来修改系统的一些参数，如检测区域所能容纳的大瓶数（本系统中为67）、允许连续剔除的多瓶数、剔除器的动作时间、检测位置与剔除器之间的距离脉冲数（转换为旋转编码器的脉冲数）等，同时也需要实时显示系统的运行状态，如已经检测的总瓶数、合格瓶数和不合格瓶数、系统运行时间以及报警情况等。
本系统还具有报警功能，报警的情况主要有以下几种：（1）连续剔除过多报警，当剔除器连续剔除的瓶数过预设值时，plc便会控制报进行报警提示；（2）倒瓶报警，当瓶子在传送过程中歪倒时，其会触发倒瓶光电，此时plc会控制报进行报警；（3）漏剔报警，当剔除确认发现有漏剔瓶时，就会产生报警，提醒现场人员进行相应的操作。
5 结束语
基于s7-300plc的剔除控制系统能够实现对在线空瓶系统出来的不合格瓶进行地剔除，不仅提高了整个检测系统的技术水平和速度，保了整个生产过程的稳定顺利进行。经测试，该系统对不合格瓶的剔除率能够达到**，且运行稳定，其间接寻址、顺序存储的控制思想也是本系统中一个关键的技术突破。
1 引言
随着工业技术的发展越来越快，工业中对空调控制精度的要求也越来越高，现在很多工业生产过程都对温度有较高要求，但是空调系统是一个参数时变、纯滞后、大惯性的非线性系统，其控制过程与环境条件及空调系统本身的诸多因素密切相关，许多参数是难以计算和测量的，很难建立的数学模型。模块化空调机组是由多台空调组合而成的并联空调系统，控制系统采用多台plc通讯联网处理。当实际环境多变时，传统控制方式对水温的控制效果并不理想。
近来提出的模糊控制可不必了解对象情况，且具有动态响应好，上升时间快，调小的优点，随着plc技术的不断发展，各plc厂家推出了适于各类过程控制的智能模块，应用模糊控制技术合理调节模块化空调的能量，达到良好的温度控制效果和响应速度。
2 组建plc网络
现有三台风冷热泵螺杆机组，编号分别为机组a、机组b和机组c，还有4台水泵，其中3用1备，每台机组对应一台水泵，如果在运行过程中任意一台水泵发生故障，备用水泵自动投入工作。
本plc网络采用4个co-trust公司的可编程控制器，其中1＃plc、2＃plc、3＃plc均为cpu226l，4＃plc为cpu224+。1＃plc、2＃plc和3＃plc分别控制机组a、机组b和机组c，4＃plc控制4台水泵。4个plc相互串接到一条总线上，构成线型网络拓扑结构，如图1所示。
三台风冷热泵机组的进水口和出水口分别并联在两条总管路上，构成总进水口和总出水口，在总出水口处各放三个温度传感器，三个温度传感器信号分别送至1＃plc、2＃plc、3＃plc的温度采集模块。
3 模糊控制实现
针对机组只有一个控制量即机组出水温度，系统采用二维模糊控制。设模糊变量为：e（温差），ec（温差变化率），u（输出增量）。输入输出变量语言可以表达为：负大（nb），负中（nm），负小（ns），零（zo），正小（ps），正中（pm），正大（pb）。系统中温差基本论域为e其范围为［-3，+3］，温差变化率ec其范围为［-0.5，+0.5］，输出增量u其范围定为［-3，+3］，量均可划分为12个等级。
根据过程控制的实际经验得到一系列推理语言规则，写成如下形式：
if e=（nb） and ec=（nb） then u=（pb）
即温度偏差e为负大且偏差变化率ec为负大，则输出控制增量u应为正大，快速减少负偏差，使其趋近于给定值。
if e=（nm） and ec=（nm） then u=（pm）
即温度偏差e为负中且偏差变化率ec为负中，则输出控制增量u应为正中，逐渐减少负偏差，使其趋近于给定值。
if e=（ns） and ec=（ns） then u=（ps）
即温度偏差e为负小且偏差变化率ec为负小，则输出控制增量u应为正小，慢慢减少负偏差，使其趋近于给定值，避免出现调现象。
if e=（ps） and ec=（ps） then u=（ns）
即温度偏差e为正小且偏差变化率ec为正小，则输出控制增量u应为负小，慢慢减少正偏差，使其趋近于给定值，避免出现调现象。
if e=（pm） and ec=（pm） then u=（nm）
即温度偏差e为正中且偏差变化率ec为正中，则输出控制增量u应为负中，逐渐减少正偏差，使其趋近于给定值。
if e=（pb） and ec=（pb） then u=（nb）
即温度偏差e为正大且偏差变化率ec为正大，则输出控制增量u应为负大，以快速减少正偏差，使其趋近于给定值。
各模糊子集的隶属函数选择三角分布方式，根据模糊控制规则表和各模糊子集的赋值表即可计算出每个模糊关系r，然后合成总模糊关系，再根据模糊推理合成规则，得到控制增量模糊集u，再按隶属函数中位数方法得到相应的控制增量u，即得到模糊控制表。
4 网络通讯指令的使用
plc之间的通讯采用netw/netr（网络写/网络读）指令，在这里把1＃plc设置为主站，其它plc均设置为从站，主plc通过采样周期和控制周期检测水温变化，通过plc根据计算得到的水温偏差与水温偏差变化率查询模糊控制控制表，获得相应控制量，对3台机组的能量进行控制，同时还需考虑3台机组的能量输出基本相当。
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