西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8型号含义
1 引言
滤池作为保障水质的重要环节，其作用越来越受到重视，滤池恒水位控制技术也随之不断发展，从模拟PID、数字PID到优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。本文以郑州市柿园水厂为例，将改进的PID算法应用到滤池自控流程中，使其能够根据水位的变化实时控制清水阀开度，从而使水位始终保持平衡。
2PID算法在恒水位控制上的实现
2.1 PID控制算法
PID（Proportional IntegralDifferential）控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术成熟、应用广泛的调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在系统输出误差值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性，为了防止系统过大的超调量，在系统误差的值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以tigao系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果，它成为当前为普遍采用的控制算法。
PID控制器，其控制规律为：
（2-1）
由于式（2-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令
（2-2）
则可得可得到位置式数字PID算法
（2-3）
使用位置式PID数字控制器会造成PID运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法
（2-4）
增量式PID控制算法是对偏差增量进行处理，输出控制量的增量，即执行机构位置的增量。增量式PID数字控制器不会出现饱和，当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。
2.2恒水位控制
为保证生产安全，滤池分站的待滤水liuliang和滤后水liuliang应基本保持平衡，每个滤格在过滤时应保持水位恒定。正常滤水工作期间，每组滤池在就地PLC控制台的控制下，依据来水量的大小，及时调整滤水阀的开度，保证滤池恒水位运行;当达到反冲洗条件或人为强制反冲时，每组滤池就地控制柜向主站发出反冲洗请求，主PLC对需要反冲洗的滤组进行排序，采用先进先出的堆栈式管理，在满足反冲洗条件后，调整要反冲的滤组的阀门状态，待水位降到一定高度后，启动鼓风机，进行气洗，按约定时间气洗结束后，开启反冲泵进行气水联洗，联洗结束后，关闭鼓风机，再开启一台反冲水泵进行水洗，水洗结束后，恢复本组滤池的正常滤水状态，进行下一组反冲洗。所有反冲结束后，进入正常的恒水位滤水工作周期。
由于恒水位的根本目的是保证待滤水liuliang与滤后水liuliang基本恒定，转化为控制各个滤格的水位保持基本恒定。用PID闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水阀开度，把以上所有影响水量变化的条件转化为滤格水位的控制。
2.3PID对清水阀的逻辑控制指令及参数的设定
当进水量增大或因池内水头损失增大导致出水量减少，使水位上升高于设定水位时水位偏差e为正，e越大则u也越大，从而使出水阀开度增大，相应地出水量也增大，使水位下降趋于设定水位；当进水量减少或因其它因素使水位下降低于设定水位时，水位偏差e为负，e的值越大则u越小，从而使出水阀减小开度，相应地出水量也减小，使水位上升趋于设定水位，从而把水位控制在以设定水位为中心的一定波动范围之内。从式（2-1）中的积分控制项可知，控制器输出u与积分时间T成反比：当T较小时，相同的水位偏差将造成较大的积分控制作用。若积分控制作用过强，将造成过调现象：当水位偏离设定水位时，过强的积分控制作用使出水阀开度改变过大，使水位矫正过大，造成大的振荡起伏，积分时间T愈小，过调现象愈严重，被控量（水位）的振荡幅度愈大，终超出允许范围。正确设定控制参数是保证控制系统能达到设计要求的重要前提。对于实际生产过程，要jingque确定其数学模型比较困难，本系统是通过试验方法来确定控制参数。
设定完参数后，根据现场实际情况在外部程序还可进行一些特殊的程序处理，如该项目中作了以下处理：
①把PID的计算结果放到一个中间变量中，当水位处于设定水位的上下5cm以内，3分钟输出一次PID的计算结果到输出模板；10秒钟输出一次PID的计算结果。这是为了水位在可接受的范围之内尽量少动作清水阀，但超过范围以外则以保证生产安全和水质为，很大程度上消除了输入模拟量在受到外界干扰时而出现的计算误差。
②在上述条件满足的条件下，程序会比较当前的PID计算结果与上一次输出值的差值，如开度在两个开度范围以内则不输出当前PID计算结果，则输出计算结果。因清水阀开度在两个开度范围以内对水位调节作用不大，而小开度调节清水阀会出现阀门开度不到位而造成电磁阀频繁动作的现象。
③当清水阀开度小于10个开度时，过水量基本与全关时一样，我们把PID计算结果为7个开度以下就直接输出全关信号。
.4PID控制梯形图子程序
每个滤池的自控部分的实现需要数字量输入点28个，数字量输出点18个，模拟量输入输出点13个，整个PLC自控系统具有自保护和掉电数据保护功能，在发生供电及其他严重故障时，可立即进入紧急处理状态，工艺条件和程序时间都得以记忆，待故障消除后，系统能够立即恢复到故障前的状态，大大tigao了整机可靠性。表1为PLC系统的I/O地址表，这里仅仅列出了主要的I/O地址。
表1 PLC控制I/O地址分配表（部分）
通过以上参数就可以完成相应的控制过程在水厂滤池自动化的安装调试阶段，数据采样频率恒定，系统调试人员通过调整相应的参数，使滤后水阀开启度随滤池水位的高低而变化，进而使滤池水位基本保持（2.00±0.20）m范围内。图1为滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序：
图1 滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序
3运行效果前后对比
调试后我们经过统计，基本上的清水阀动作次数小于200次，比其它水厂平均4000次要少得多，基本上与手动凭经验调节清水阀的效果相同，但大大的减少了工人的劳动强度。但各个水厂的实际情况有所不同，在系统调试过程中所处理的手段也会有所不同，参数设置也会有所不同。
经过对滤池改进前后数据分析，绘制出下面的波动曲线对比图。通过对图2和图3可以看出，经PID调解后的滤池水位变化很小，滤池液位能够保持恒水位运行。
图2 滤池改进前水位曲线
图3 滤池改进后水位变化曲线
4 小 结
本项目应用于郑州市柿园水厂的滤池自动化改造系统中，系统以工控机为核心，采用了模糊化积分分离数字PID控制方案、梯形图语言以及组态王软件。该系统经过三个月来运行，完全符合生产要求，系统的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大tigao，真正实现了现场的滤池自动化管理，实现了自动过滤和定时自动排队及反冲，新系统使滤池的净水效果得到很大改善。采用标准PID控制软件包实现了对滤池水位的闭环自动控制，使多组滤池自动运行，运行水位保持在工作水位的4%范围内。恒水位的控制使得滤池反冲洗次数减少，水量和电量损耗减少1/3，产生经济效益300万元，大大降低了生产成本，还改善了水质，具有重要应用价值。
本文作者创新点是将改进了的增量式PID算法与恒水位控制相结合，优化恒水位控制方法，降低水耗及电耗，减轻工人劳动强度，tigao了滤池水处理的自动化水平和效率。
1 引言
2005年以来，中国制鞋工业迅猛发展，鞋业年生产总量近60亿双，占世界产量的51%，出口量40多亿双，制鞋总量和出口总量都已居一位。在制鞋行业快速发展的国产制鞋装备的自动化程度相对比较低，与全球闻名的意大利鞋机产品还有很大差距。近年来，为了产品的先进性及满足各方面客户的需求，一些实力强的企业也开始开发具有世界先进水平的产品，这使得PLC、变频器、人机界面等现代自动化技术在制鞋工业装备领域大展身手。
EVA（乙烯-醋酸乙烯二元共聚物，商品名Ethylene vinylacetatecopolyme）是一种新型塑胶制鞋材料。EVA发泡塑胶具有良好的缓冲、抗震、隔热、防潮、、质轻、无毒、环保、耐磨、耐寒、抗拉、抗化学腐蚀等鞋底材料需要的物理与化学特性。
对比工序复杂产量低的传统热压EVA工艺，EVA发泡成型射出工艺采用射出机将EVA粒子直接射入机台模具里边,真空加硫模内鞋底发泡成型,再经过热、冷定型箱定型。射出发泡成型特点是产量高,一次成型，是目前先进的EVA鞋底生产技术。EVA塑料的发泡成型工艺符合制鞋行业快速大批量高效率优质生产要求，倍受制鞋行业的重视。EVA材料的环保达标特性还是欧美鞋业出口贸易广泛应用的绿色鞋材。
本文重点讨论基于台达PLC的EVA射出成型自动化系统开发的技术路线。
2 系统分析
2.1 工艺原理
EVA射出成型是将颗粒状塑料加入高温料管中，一面融化一面向前移送，此时加料的速度（亦即射出胶螺杆的后退速度）和加料螺杆的转速须互相搭配，加料压力关键参数的控制。因为融料密度（塑料在料管中的密度）的稳定性，以及射胶定位的jingque度直接影响了射出品的成型精度。塑料射出成型机工艺过程主要以四个动作来完成。分别是负责模具打开关闭的锁模机构，将成型品由模具内顶出的顶出机构，把塑料颗粒绞入融料料管的加料机构，以及将融化之塑料加压射入模具的射胶机构。油压系统因具有维护容易，控制简单的优点，成为射出成型机的主流。油压系统仰赖电磁阀的开度大小来控制流过的liuliang和压力，进而控制各动作的进行。
2.2 工艺分析
整个系统实现EVA鞋机生产过程的集中控制，主要监控设备有：左模真空、右模真空、安全杆进退、左阻料杆、右阻料杆、安全门上下、模站下降、模站上升、锁模泄压、合模压力、开模调模压力、快慢速转换、比例阀、背压阀、工位泵、左枪泵、右枪泵、真空泵、左入料、右入料、左注射、右注射、移座电机、48路温度控制等。系统控制工艺流程说明如下：
3 系统设计
针对6工位EVA鞋机，该方案中主控制设备采用台达DVPPLC作为主控制器，台达触模屏作为人机对话的窗口。根据系统的现场实际情况，根据整个控制系统先进、可靠且性能价格优的原则，系统采用DVPPLC作为下位控制器，负责采集信号，并对信号进行逻辑运算，进而控制相关设备。该控制系统结构，考虑到省配线及性价比。
基于台达PLC的EVA发泡自动化控制系统总体架构如图1所示。自动化系统配置系统由DOP10.4HMI触模屏1台；EH 系列PLC1台；DVP14SS系列PLC6台、相关检测元件（温度采集、位置判断、温度控制、压力检测等）；相关执行元件（行走电机、液压缸）等构成监控系统。DVPPLC作为下位机，用来监控机台的运行情况。
3.1 PLC分散控制
采用1台EH PLC做主机，PLC EASYbbbb做网络通讯，将6个工位站设为子站由6台SS机控制、2个枪也控制在主站、1个移座站控制在主站构成整个PLC分散控制系统。PLC分散控制部分的控制部分PLC由DVPPLC构成，用以实现对整台机器的监控。该部分一方面通过与人机界面的通讯，另一方面通过各采集模块实现对现场信号的采集与逻辑处理。DVPPLC通过各采集模块对现场数据的采集与处理，其中PLC还能接受人机界面发送的控制逻辑、参数、指令等，并响应人机界面请求向人机界面传送实时数据，报警信息。主要设备是PLC即可编程序控制器。PLC运行控制逻辑，通过I/O接口控制现场设备。DVP系列PLC的性能如下：
（1）基本性能：EH系列采用高速运算处理晶片(ASIC)设计架构。采用CPU+ASIC双处理器，分工运算处理技术；基本指令速度可达0.24us；高速脉波输出可达200KHz，內建平滑加减速控制；高速计数器计数频率可达100KHz/每組，共四组；I/O模组资料更新介面，不占用程式扫描时间；內建多组外部中断功能。
（2）DVPPLC模块丰富：直流输入，可控硅、继电器输出模块；电流电压型模拟量输入、输出模块；热电阻输入模块；热电偶输入模块；高速计数输入模块；用户定制的伺服、步进电机控制模块；EHPLC还具有用户定制协议RS-232，RS-485通讯接口卡。
（3）具有内建式的PLCbbbb功能：具有PLCbbbb的功能，可减轻单站PLC的工作负担，轻易实现分布式系统。
3.2人机界面上位机监控
采用1台10.4吋的DOP人机界面作为人机对话的窗口。用于实现整个系统画面监控、数据处理及报警、及工艺参数的设定功能。通过与PLC进行通讯，达到传送控制组态、实时数据，参数设定、报警监控及机器生产流程的监控。选用台达DOP人机界面，可以实现：
（1）丰富、逼真、生动的EVC发泡过程直观监控。
（2）温度、发泡时间等各种工艺参数的设定、记录、存储、等功能；有配方、万年历功
能。
（3）使生产工艺简单化、灵活化处理。
（4）可实时、动画显示设备当前运行状态，操作、监控一目了然。
（5）可实时显示设备故障、报警，并可及时弹出故障信息，提供故障排除建议。
（6）可采集、存储、记录、查询、分析、系统内各设备状态、报警信息、故障信息量等信息。
3.3 系统通讯
该系统采用二层网络，实现系统各设备之间的连接和分工协作。如图1所示。
图1 EVA发泡自动化控制系统总体架构
（1）PLC分散控制部分.DVP-PLC提供了EASYbbbb的功能，您只要将写入及读出的参数地址及长度填入特殊缓存器内，不用撰写通讯程序，主站(Master)会自动作各站号间的资料交换(读出/写入各16个Word)，而从站(Slave)多为16站，不限DVP-PLC，包含台达其它机电控制产品变频器、温控器或伺服驱动器等具有串联通讯只且支持Modbus通讯协议的装置。
(2)具有完备的自我诊断功能：有故障时自动警告；EH PLC还可在线控制：EHPLC可随时在线程序编辑、存取、控制及参数设定等工作，而不影响系统之正常运行。
(3)EHPLC具有实时时钟功能。内置RS232和RS485两个通信口，可支持当今各种流行的现场控制总线系统；RS485通讯口可与台达其他产品无缝通讯（变频器、温控器、伺服以及第三方协议开放的设备）。
4 设计方案讨论
4.1 射出系统
射出系统主要由射枪构成，需控制射出料的质量。可以选择的方式有用旋转编码器控制射出的质量和用计量尺控制射出的质量。综合考虑：本系统采用计量尺检测方式。
4.2 移座系统
移座系统控制射枪的行走，其用变频器来拖动。可用如下方式控制：
（1）移座行走位置用限位开关来检测。
（2）移座行走位置用旋转编码器来检测。
综合考虑：本系统采用旋转编码器检测方式。
4.3 吸料控制部份
在料仓中装设料位检测开关，当到达低位料时进行自动吸料，直到高料位时自动停止。油温、水温检测控制。在油路及冷却水回路各装设一温度检测传感器，并经温控器进行油温、水温温度的报警及控制。
4.4 系统通讯抗干扰措施
为了确保系统PLC的信号不受干扰，所有模拟量信号线均使用屏蔽双绞线，所有的信号线均应使用金属管作为外壳保护，金属管应与大地紧密连接，信号电缆应避开动力线安装。对于PLC控制盘应根据配电情况采用可靠的抗干扰措施。温度采集部分的热电偶均采用补偿导线进行延长连接，确保温度采样的jingque性。
4.5 温度控制
系统的温度采集用pt100的温度模组进行采集控制，温度采集也可采用温控器进行控制，这样将原系统中的pt100模组改为温控器即可。再利用台达人机的双口双驱动功能，将人机的1个口跟plc进行通讯，另1个口通过rs485与温控器进行通讯，将有关数据采集到人机上进行监控。
5 客户服务
5.1 现场安装说明
在系统安装之前，项目工程师应在熟悉施工图要求及仪表使用说明书的基础上，编制施工技术方案或技术交底。计有：系统总体施工方案；PLC控制盘安装方案；电缆敷设方案。安装方案经技术负责人审核后，作为系统施工作指导书。
5.2 现场施工顺序
（1）系统安装前的单体调试。系统安装前必须进行单体调试，可按照仪表使用说明书进行调试合格后方可进行现场安装。系统单体调试记录作为竣工材料组成部分。
（2）通讯电缆敷设要点。仅使用指定的电缆；保持通讯电缆与动力线或高压线分开，以防电噪声干扰；在网络的一端将通讯电缆的屏蔽线接地，屏蔽线不要两端都接地；不要将通讯电缆的屏蔽线接在已经用于动力系统设备接地的地方。
（3）控制室盘柜安装。当控制室达到门窗封闭、照明、空调、内装修、接地完成以后，方可进行盘柜台安装，应保证线槽基础尺寸的准确性和水平度垂直度的要求。
（4）控制柜接线。只有在现场仪表安装接线全部完成时，在仪表回路二次系统调试时，每确认一点，完成做好隔离措施后，方能把该回路的输入端字接到机柜输入端，对所有电缆应进行校线，并做好端子号。
（5）控制柜柜内布线。PLC控制盘内器件安装接线，要求布置整齐，接线清晰，标记明确，美观大方；根据微机系统到货后的随机资料，应编制详细的施工程序，技术要求及控制要点由项目负责人审核后，交由安装人员施工。
5.3制鞋商客户培训
针对该系统的培训计划主要包括对系统的运行操作培训、对系统开发的技术培训和对器件的掌握培训。对系统开发的技术培训则从工程启动之日起就开始进行，将在开发过程中不断与贵厂技术人员进行方案探讨，商议控制模型，解决技术难点，让客户技术人员直接参与软件设计和上位组态；系统开发结束后，我公司还将安排项目负责人员对系统的总体设计，技术难点进行阐释，加快维护人员对系统的掌握，tigao日后的维护效率的准确性。
6 结束语
基于台达机电自动化的全自动EVA发泡射出成型机，高精度预热温度，并具有模内抽真空功能，使EVA新材料达到发泡要求。采用PLC控制，自动定量、定模、开模、锁模，tigao了生产速度，降低了劳动强度与生产成本，且价格是国外同类产品的1/3，具有高精度、高效率、操作方便安全等显著优点。广阔的市场前景，使其具有十分显著的经济效益与社会效益。本文介绍通过台达PLC 强大的EASY-bbbb 功能，用小型机实现了以往大中型机实现的功能，具有很高的应用价值。