6ES7222-1EF22-0XA0型号含义
一、前言
随着微电子技术的飞速发展，控制技术日臻完善和成熟，作为工业控制核心部件的PLC，其控制功能越来越强，体积越来越小，运行也越来越高速可靠；人机界面（HMI）彻底打破了传统的按钮、信号灯等操作模式，使设备操作界面更加通俗友好、灵活多样，其强大的存储功能和通讯能力，给设备的制造和使用者带来了难以想向的实惠和便捷，取代传统设备操作界面已是大势所趋；目前用于普通电机调速的变频器，其控制技术已远远超出了早期单一的V/F控制方式，快速朝着无传感矢量化、直接转距控制等方向发展，使其在各行各业获得了广泛应用。
二、设备工艺流程
AP-5022全自动边封包装机是在引进、消化国外同类设备的基础上，由我公司自行设计、开发生产的全自动高速三边封口设备，可广泛用于食品、制药、卫生、文教等行业相关物品的收缩薄膜包装。
AP-5022的运动机构主要由三部分组成。其中供膜电机和收膜电机用来控制收缩薄膜的供给和废膜的回收，由变频器驱动并实现无级调速；进料和出料传送带各由一台电机驱动，通过变频调速，使进料、出料速度在0-40米/分钟之间连续可调,以适应各式各样的包装物体；横向封切电机用于控制横封封刀的上、下运动，纵向封刀上、下运动的控制则由汽缸控制实现。
AP-5022全自动边封包装机的模拟量有温度和速度两类。温度控制回路分别将纵、横两个方向的封切温度信号经温度变送器转化为4-20mA信号供PLC采样；通过人机界面设定的传送带运行速度信号，经PLC数字运算，再经D/A转换，转换成0-10V的信号，送到变频器模拟量输入端，控制传送带的运转速度。
三、硬件配置
根据上述的设备工艺流程以及考虑到设备的扩展性以及设备出口要求，决定采用SIEMENS公司的S7-CPU313C紧凑型PLC及TP170B人机接口界面作为该设备控制系统的核心控制器件，具体配置框图如图1所示。
图中S7-CPU313C是西门子公司近期推出的结构紧凑型、性价比极高的高性能CPU模块，其本身带有集成的24DI/16DO、4通道模拟量输入、1通道Pt100热电阻输入和2通道模拟量输出，运算速度快；其模拟量输入、输出信号可通过编程软件选择灵活选用±10V、0-10V、±20mA及0/4-20mA等信号类型，满足多种应用需要。该CPU模块支持S7-300系列多种功能模块如高速计数模块、定位模块等，系统扩展灵活、方便。
图中TP-170B采用32位微处理器，基于bbbbbbs CE操作平台，运行高速可靠，支持多达500屏用户界面、1000个变量、100种用户配方，可存储多至1200条产品生产数据，满足用户多种应用需要。
多点MPI接口集成在S7-CPU313C上，可通过PROFIBUS接头和S7-PLC、编程器或人机界面（HMI）进行通讯，一般（默认）传输速率为187.5kbps，也可以指定19.2 kbps的传输速率，是一种连接十分方便、通讯高速可靠、简单实用的通讯网络。
四、软件控制
本机的软件设计包括两个部分，其一是PLC控制程序，其二是人机界面控制画面。PLC控制程序是本机控制的核心部分，结合西门子S7系列PLC结构化编程的特点，PLC程序控制结构框图的设计如图2所示：
图中组织模块OB1是对应于循环执行的主程序的程序块，它是STEP 7程序的主干。其他大多数OB则对应于不同的中断处理程序。与每一个OB紧密相连的是它对应的类型和优先级。OB1的优先级比较低，它的优先级是1，OB1通常总是可以被其他OB中断。
控制功能模块FC1-FC8，根据目前设备所处的运行状态，执行相应的控制功能，完成设备上各对应设备的动作；温度控制功能模块FC10、FC11的控制功能是读入设备横、纵两个方向的当前温度信号，经D/A变换和数字处理，其结果与设定温度比较，用其比较的结果，控制横、纵两个方向加热器的开关，加热器的开关频率和响应速度可通过设定PID调节器的参数实现。
共享数据模块DB100用来存储设备当前运行状态和工作方式，主要包括横、纵两个方向封切温度设定值和实际值、进/出料带的运行速度的设定值以及各需要调整定时器、计数器的设定值等，其存储的数据可被各功能模块随时调用。
五、结束语
目前AP-5022型全自动边封包装机，工作高速可靠并已批量生产，出口国外。上述硬件配置成熟、高效，可用于多种工业控制场合。
当车辆驱动电机采用分散驱动时, 受电机转速不同步的影响, 可导致车体运行不协调,进而使电机转速偏离正常值, 严重时会造成设备损坏。解决车辆驱动电机在分散驱动时产生的电机转速不同步问题具有现实意义。
本文介绍一种利用PLC 解决车辆分散驱动时电机速度同步的先进实用的控制方法。
一 问题的提出
目前, 车辆的运行设备一般采用集中驱动（ 见图1） 和分散驱动（ 见图2） 两种方式。集中驱动变频器与电机的关系是“一拖多”;分散驱动时两者的关系是“一拖一”。
“一拖多”的优点是控制简单, 操作维护方便,但采用集中驱动布置, 要求车体具备较大的空间。当车辆负载很大或者车体空间受到限制的时候,通常采用“一拖一”的分散驱动方式, 因为其结构紧凑,布局简单。但一拖一对变频器和电机有较高的要求,特别是同步问题难以解决。如果电机转速不一致, 会出现变频器相对逆向做功, 输出电流过大导致跳闸,影响车辆的工作效率和电气设备的使用寿命。如果转速偏差过大, 则导致车体变形, 影响使用。
二 解决方法
采用PLC 与变频器控制方法, 实现多个分散驱动电机同步运行。PLC 采用西门子S7400 系列, 图3为网络拓扑图。
为实现两台牵引电机的速度同步, 采用两台变频电机牵引, 并分别采用变频器调速进行矢量闭环控制, 用PLC直接控制两台变频器。在控制中,PLC与变频器之间采用Profibus 联接, 保证输出信号源的同步性。以牵引电机1 的速度为目标速度, 由牵引电机2的变频器来调节其速度以跟踪牵引电机1的速度。将两台增量式旋转编码器与电机同轴联接, 使编码器1 和编码器2分别采集两台电机的速度脉冲信号, 并将该信号送到PLC 的高速计数模块中。PLC以这两个速度信号数据作为输入控制量,进行比例积分控制运算（ PID） , 运算结果作为输出信号送至PLC 的模拟量模块,以控制牵引电机2 的变频器。这样, 就可以保证牵引电机2 的速度跟踪并随着牵引电机1速度的变化而发生变化。使两个速度保持同步。
取自编码器采集的脉冲信号, 经高速计数模块FM350- 1 进入PLC, 转换成电机速度数据。将两个电机编码器的信号相比较,通过PID 调节模块, 调整电机转速差值, 给定电机2 的转速值MW1000。
MW1000 需要转化成变频器能接受的信号。由于PLC的对应4～20mA 值为0～27648, 变频器接收范围值为0～8192,MW1000/27648×8192 送到模拟量输出通道, 换算成变频器能接受的电流信号, 以控制牵引电机2 的变频器, PID算法是工业控制中常用的一种数学算法, 其基本算式如下:
Pou （t t） =Kp×（et） +Ki×Σ（et） +Kd×[ （et） - （et- 1） ]
式中:Kp—比例调节系数。是按比例反映系统的偏差,系统一旦出现偏差, 比例调节立即产生调节作用, 以减少误差。
Ki—积分调节系数。使系统消除稳态误差, 提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间,常数Ti 越小,积分作用就越强。Kd—微分调节系数。微分作用反映系统偏差信号的变化率, 具有预见性, 能预见偏差变化的趋势,能产生超前的控制作用, 在偏差还没有形成之前, 已被微分调节作用消除。为了减少电源系统波动等因素引起的外来干扰,在编制控制算法时,必须考虑利用积分环节, 即采用一段时间内连续稳定的输入信号而不是某一瞬时值的输入信号进行PID 运算, 以消除累积误差,使转数在一定的范围内可调。这样, 牵引电机1 和牵引电机2 就能很好地进行同步控制且同步精度较高,从而确保了运行机构的稳定性。
三 控制结果
利用STEP7 编制PLC 上位机监控程序,Wincc采集速度值并绘制曲线。数据提取的时间间隔为15ms。实际上牵引电机1和牵引电机2 速度是相同的, 但为了反映牵引电机2 的跟踪和波动情况, 在此特地将其分开, 上面是牵引电机1 的速度曲线,下面是牵引电机2 的速度曲线（见图4） 。牵引电机1 的速度发生变化时, 牵引电机2 就能及时地响应, 进行跟踪,并且能很快地达到稳定。实验表明, 采用PLC 和变频器的控制方法, 能达到较高的同步要求, 响应快、速度波动幅度较小。
该控制方法已在各种炉下车辆中应用。实际应用中, 走行同步起动效果明显, 车辆运行平稳。实践证明, 采用PLC解决车辆分散驱动时电机速度同步的控制方法应用效果较好, 是一种理想的调速控制方法, 满足了生产工艺要求, 减少了设备的维修维护费用,保证了车辆发挥正常的生产效率, 经济效益显著。随着PLC 与变频器控制方法的广泛应用,必将更好地提高传动系统对速度控制的可靠性与灵活性
1 引言
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。可编程逻辑控制器(PLC)作为一个从八十年代发展起来的新兴的工业控制器，是自动控制、计算机和通讯技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。PLC以其体积小、功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
洪门水电厂是一个投产30多年老电厂，原有的自动化设备无法满足安全生产的需要。溢洪道是水电厂重要的水工建筑物之一，对于该建筑物日常运行维护特别重要，消力池排水廊道自动抽水系统的更新改造正是为了满足这要求。考虑到水工建筑物自然环境因素，根据可靠性，选用性价比较高的产品的原则，我们重点对AB、GE、三菱、OMRON（欧姆龙）、MODICON（莫迪康）、SIEMENS（西门子）等公司的PLC系列产品进行了综合的比较、选择，后选用了三菱公司的产品，这是因为三菱公司产品除具有上述优点外，还具有维护方便及操作简单直观易掌握的特点。PLC采用三菱 FX2N-48MR+2A/D+2D/A,主要负责水位的数据采集，控制潜水泵的启动/停止等。选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责参数显示和修改参数以及显示详细的故障信息等。
2 系统结构
洪门水电厂溢洪道消力池排水廊道排水系统主要由三部分组成。①一级堰廊道自动排水系统；②二级堰廊道自动排水系统；③人机对话系统。其中主控制系统安装在二级堰廊道它由水位变送器、液位开关、可编程控制器、接触器、控制开关等构成。除具有现地控制功能外，还具有通过远方的液晶触摸显示器完成水位检测、实时显示、传感器整定、实时控制、保护等功能。一级堰廊道只安装了水位变送器和接触器等水泵起动设备。液晶触摸屏也就是人机对话系统安装在溢洪道维护人员的办公地点，离主控中心有100米左右。
3 各部分工作元器件特性
3.1 PLC
PLC(FX2N-48MR)是整个控制系统的核心控制部件，其丰富齐备的控制运算指令、优越的性能、现场编程调试的方便已使其成为深受现场技术人员欢迎的控制设备。主要性能指标为：24点输入/24点继电器输出，内置8000步RAM可使用存储盒，运算速度为1.52цs～数100цs/步（应用指令）；其输出接点的大负载为80VA或100KW，输出接点的寿命为20VA/300万次，35VA/100万次，80VA/20万次。
3.2 2A/D及2D/A
FX2N-2A/D转换模块用于接收水位变送器输出的4～20 mA电流信号，并将其变为PLC程序可用的十进制数。（即将模拟量转换成数值量）
FX2N-2D/A转换模块用于将PLC运算得到的控制量数值转换为-10V～+10V电压信号，通过RS485或RS422接口连接将电流模拟量信号输入到远方监控系统。
3.3液位变送器和液位开关
液位变送器采用高精度、高可靠性美国麦克产品，型号为MPM426W 液位开关 采用台湾凡宜LTB产品，当水位达到设定值时，给可编程一个动作信号。
3.4 触摸屏
作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着工业设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化、简单化，也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。本系统选用三菱公司的GOT930触摸屏，它和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。
4 本装置系统实现的主要功能
4.1具有三种运行方式:自动、手动和退出，采用操作把手手动切换。
4.2在“自动”运动方式下，根据液位开关（或液位变送器）提供的液位信号启动和停止潜水泵；在“手动”运行方式下，可以直接通过手动操作把手起动/停止潜水泵。在“退出”运行方式下，自动和手动操作均不起作用。
4.3自动定时切换各潜水泵间的主用/备用状态，也可以人为进行切换各泵间的主用/备用状态。
4.4采用发光二极管指示装置的运行状态和系统故障。
4.5采用液晶显示屏来进行参数显示（如：水位等）和修改参数（如：水泵启动和停止水位整定值、水泵切换时间参数、）以及显示详细的故障信息。
4.6具有故障报警功能，报警信息包括：电源故障、水泵故障、变送器故障、水位过高、水位过低、PLC故障等。
4.7具有自检功能和较强的容错能力。
4.8控制电源采用交直流两路输入的UPS电源。
4.9具有通信联网功能，将报警信号和模拟量信号等传送到远方计算机监控系统。
5 软件设计
根据溢洪道消力池排水廊道排水系统控制的要求，利用三菱公司PLC丰富的指令编制控制程序，并结合现场调试及优化控制程序的原则，本控制系统主要有以下几个控制程序模块。
5.1 二级堰廊道自动排水控制过程
5.1.1当两台水泵处于“自动”状态时，若液位开关达到“水位高”位置时，主用水泵起动；若液位开关达到“水位过高”或“水位很高”位置时，备用水泵也起动，并且发出“水位过高”告警信号。
5.1.2当液位开关低于“水位低”位置时，所有运行的水泵都停止工作；若“水位过低”时，除水泵停止运行外，还发“水位过低” 告警信号。
5.1.3当PLC发出某台水泵的运行指示后2秒内该台水泵的磁力起动器未动作，则该台水泵主/备用状态改变至备用状态，并发出告警信号。
5.1.4二级池水泵自动运行流程图见附录一所示。
二级池水泵自动运行流程图
图1 二级池水泵自动运行流程图
5.2一级池水泵自动工作过程：
当水泵处于“自动”状态时，若一级池集水井水位达到“水位高”位置时，一级池水泵起动；若水位达到“水位过高”时，水泵起动并发出告警信号；若水位达到“水位低”位置时，一级池水泵停止。若水位达到“水位过低”位置时，一级池水泵停止并发出告警信号。
一级池水泵自动运行流程图
图2 一级池水泵自动运行流程图
5.3 人机界面设计
在人机界面中，设计了16幅画面，包括状态信息，故障信息，参数设置，修改密码，系统维护等。状态信息包括一、二级堰廊道水位显示以及二级堰廊道1#潜水泵、2#潜水泵、一级堰廊道水泵的工作状态；故障信息显示水泵、电源、热继、水位超限等设备或信号的故障时间；参数修改包括压水位的整定值设置，水位的输入、输出值整定设置以及主/备。触摸屏的画面如图所示：
6结束语
洪门水电厂溢洪道消力池排水廊道自动抽水系统是在可编程技术在该厂机组调速器压油罐油压和油位自动控制系统的基础上，自主设计安装、调戏而成功的一个项目。溢洪道消力池排水廊道自动抽水系统获得当年该厂“合理化建议”一等奖。。本系统从2003年改造至今正常运行两年，没有发现大问题，本系统设计合理、先进，运行安全、可靠，维护方便，操作简便直观，。由于PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏监视并修改、优化程序，锻炼了该厂职工队伍，使电气维护人员基本掌握了PLC的原理及自动控制系统的软、硬件设计及制作的技术，提高了职工的技术水平。为洪门水电厂设备自动化改造及维护节省了不少资金。