西门子模块6ES221-1BF22-0XA8原装代理
PLC和变频器在污水处理中的应用（2）
图3A/D和D/A模块初始化程序
PID指令所涉及到的24个数据寄存器也需要设定，如采样时间、滤波常数，积分时间、微分增益等。这些数据需要根据被控对象的实际情况来定量，如pH值的存在范围、污水的liuliang大小、加入中和药水的品质、中和速度等。通常工厂的生产工艺相对较为稳定，污水的pH值和liuliang基本稳定，有些变化，只要控制参数设置合理一般不会有太大出入，而其它的影响因数比较容易控制，这些参数可以定值设置，并在PLC上电工作时就调入并在控制过程中使用。
3.2采样过程
采样的间隔时间可以根据实际情况定置，时间因子可以采用PLC内部的时间基准，如图4中M8013为秒脉冲的时钟继电器。
图4所示的A/D转换程序可以每秒钟完成一次pH值的采样。
图4 A/D转换程序
3.3分析、计算过程
采样完成后，利用PID指令进行分析和计算。
图5PID指令程序
在图5所示的PID指令程序中，目标值是指用户希望被控对象应稳定在哪一个模拟值所对应的数字量。如pH值0～14的模拟量4～20mA对应的数值为0～1000，若被控对象的pH值需要稳定在7，那么目标值数字量就应设定为500。测定值是指A/D采样所得到的pH值的数字量。参数D20表示PID指令在执行时所需的24个参数的个参数，也指明了这24个参数的首地址指针。从D20至D43应专门留给PID指令用于存储参数，通常需要在系统上电初始化时完成参数的输入，或者还可以使用编程器输入到受电池保护的D200以后的数据存储器，这样就不需要在每次上电时都把参数调入了。由PID指令分析后所得到的输出值存储在D50中。
在FX系列中，FX
是在内部固化了PID指令的PLC，它使用户在面对复杂控制时编程更加方便、程序量可以大大减少，控制的准确性和反应速度得到了很大的tigao。
3.4输出程序
在PID指令执行后，所得数据将送至D/A模块，由它转换成4～20mA信号来控制变频器的输出，调节加药量，控制pH至。输出语句如图6所示。
图6D/A转换程序
4 结束语
以PLC和变频器为核心的自动控制系统运用于pH值的控制，在工厂污水治理中取得了很好的效果。在以太湖流域为主要治理对象的“零点行动”中，许多污水处理厂采用这种自动控制系统都能很好地控制排放污水地pH值，tigao了工作效率，降低了工人的劳动强度，tisheng了污水处理厂的现代化水平。
一、引言
矿棉吸声板是本企业去年投产的一种新型建筑装饰材料。引进90年代先进的日本全套板材自动生产线，可以生产不同厚度，不同规格，不同花色的矿棉吸声板，但由于日本原装包装线设备费用昂贵，且国内并无此种板材堆垛全自动包装线，由我中心开发本自动包装线并已投入使用。
本自动包装线是板材自动生产线的后继设备，由于矿棉板的成品板(规格：300mm×600mm)是分两路并排由干燥窑输送出来的，本自动包装线也具有两路独立的分流，翻板，堆垛系统，后经包装段统一到一起，再进入塑封段完成包装任务。按工艺要求本包装线应该能够实现：(1)自动翻板，即把块板经翻转后扣放在第二块板上，使两块板保持面与面的接触。(2)自动堆垛，即把经翻板后的不同规格的对板按不同数量堆成一垛。(3)自动装箱，即用机械手把堆成一垛的板放在纸箱板上，经本工段后把一垛板自动包装，粘合好成一箱。(4)塑封，即把装成的箱进行塑料封装。
二、控制系统主要设备及控制方案
本自动包装线是典型的逻辑顺序控制生产线，有繁多的检测元件，逻辑关系复杂，实现动作难度大，I/O点数近400多个。其受控设备除变频器，执行气缸还包括一套单轴交流伺服系统和一套喷胶系统。由于生产线较长，执行设备相对独立集中，按照设备可就近控制的原则，在中央控制柜下分段设立三个子控柜。采用OMRON-C200HG构成的远程I/O系统来完成控制方案，其控制系统结构如图所示：
上图使用Omron-RM201主站单元由RS485通讯口与三个Omron-RT201从站单元连接。伺服系统由OHMODC-1001控制器和PanasonicDV80X驱动器及伺服电机组成。伺服可以用输入器(ODC-1001)或由中央控制柜面板直接控制，它由PLC的两个独立的I/O单元对控制器进行控制。喷胶系统具有独立的溶胶温控线路，由PLC提供喷胶电磁阀的控制信号。本自动包装线有如下功能：(1)全线自动运行；(2)各工段独立自动运行；(3)现场设备就地控制手动运行；(4)各控制柜设有急停按钮，机械手，伺服机均设有特殊急停按钮。
三、控制系统设计
本自动包装线的控制系统程序设计，使用OMRONSSS软件用梯形图直接编程，井进行现场调试和程序监控。经过现场调试使本系统能够符合现场的各种工作条件操作极为简单，能够对故障和人为的干扰进行判断，分析，实现简单智能化功能。本程序采用模块化设计思想，分工段可独立操作完成本工段的工作，模块之间井用连锁和互锁条件建立关系，全线自动或分段自动时信号可互相调用。下图为包装线包装段的控制逻辑图：
伺服机的前进是由三个工位工作的完成情况来控制的。在本系统上电初始时，伺服机先回原点，由于此时三个工位上都没有工件，必须由纸箱站开始，伺服机一个工位一个工位的前进。当纸箱站吸纸板完成后伺服机就执行程序，当伺服机停止时，纸箱站再吸一个纸板完成本工位工作，但此时伺服机并不能再向前进，只有装箱工位在机械手放完一垛板后伺服机才能前进到下一个工位。此时纸箱站处再吸一个纸板，装箱工位再放一垛板，此时就必须再等粘箱工位把纸箱全部粘合完成，伺服机才能再向前走以后三个工位便动作，伺服机便不断工作下去。这段程序的逻辑动作比较复杂，关键是抓住伺服机前进这一目的。在完成本段初始化设计中使用了SEUREST指令，用起来方便有效。在这一段的程序设计中关键考虑这样几个问题：
①PLC的电源只有当工厂大修，或长时间不生产时才断开，而在每班次结束或休息时只须在面板上实现软关机，此时PLC仍为RUN状态。伺服机也同样只须软关机。伺服机必须能够区别是PLC断电再开还是软关机后再开。
②由于伺服机的运动轨迹与机械手的运动平面是相互垂直的，它们又是由两个独立的子控系统控制的，因次在机械手伸出的条件中必有两个信号：上升旋转气缸的得电信号A和伺服程序段结束信号B。当A信号接通时说明此工位有板，伺服机处于等待另两个工位的完成信号，伺服机即将运行。此时B信号接迪机械手是伸不出的。当B信号接通时说明伺服机己完成程序，可以进行本工位操作。当A断开时，由于此时伺服机正处于运行状态，只有当两信号满足时才能向装板工位装板。
③由伺服机连接起来的三个工位，每个工位执行元件大都是由电磁向控制的气缸完成的，在气缸气压不足，机械限位松动以及其含意外故障都会影响本工位工作完成情况，拖延动作时间，它将导致堆垛，翻板，和输送段的堵板。在设计中可以节拍为依据，对每一个必须到位的气缸均设时间监测及故障报警伺服系统由OHMODC-1001和Panasonic DV80X组成，采用示教方式编程控制。
OHMI/O信号接口共有48个端子。我们采用集电极开路控制方式，把脉冲输出端等用双绞屏蔽线引至DV80X的CNI/F端子用来控制脉冲和脉冲符号输入。把程序选择端子CHACHB及启动信号引到端子接进PLC的输出模块，作为伺服的程序选择通道信号。选择STANDBAY作为伺服程序结束信号接进PLC的输入模块，当PLC接受到此信号时就可以进行生产线上的其他动作。我们由PLC输出端引出一个回原点信号，使伺服机在进行规定的程序后，因负公差重新向前找回原点。原点信号选用反射式光电开关，使总累计误差在-0.lmm以内，能够满足精度要求。在开关电源的选择上，伺服24V电源容量不能太小且需单独使用与PLC用24V之间应严格区分避免干扰，PLC在模块选择上也同样要注意这个问题，尽量避免伺服信号与其他信号混放在一个模块中，可以优先考虑使用独立COM端的PLC模块。伺服控制程序(INC方式编程)如下：
STEP1DIM=(0000.0000
STEP2POS=+787.9800
OUT=OOOO
SPEED=100
SLOPE=30
STEP3POS=+42.00001
OUT=0000
SPEED=50
SLOPE=30
STEP4POS=+12
STEP7
STEP6END
STEP7RTN
STEP8END
塑封段主体设备为一台连续式电阻炉，它的温度控制主要由两部分组成：SR-73PID温控表和固态调压器(或采用PAC03A三相调压控制器)。温控表通过K型热电偶输入模拟量，输出4-20VDC电压来控制三块固态继电器SSR(或直接控制PAC03A三相调压控制器)，每个固态继电器(或控制器)又分别带若于加热管。固态调压器则由电位器来控制输出，每个固态调压器也分别带若干加热管。温控表和固态调压器的总控则由PLC来完成。这样塑封炉膛内温度就可以分段全控，分段调压，分段直接启动，能够把温度控制在180℃左右，对己包装的箱体进行塑封。本段的其他动作如推箱，封切，放膜等均由PLC进行控制。
前言
本文介绍项目是天水长城开关厂2002～2003年度的重点新品开发项目，专为青藏铁路开发的、处于地位的新型中压开关设备“XGNE-40.5”。“XGNE-40.5”是40.5kV电压等级，采用SF6气体作为绝缘介质，采用真空开断的C-GIS开关设备，是国际上新发展起来的高新技术的成套配电装置。与其他相同电压等级的开关设备相比较，“XGNE-40.5”具有体积小，可靠性高，免维护等优越性，能够适应各种恶劣的运行环境。
天水长城开关厂是具有33年历史的、拥有完整的产品系列的、中国年产量高的输变电开关设备制造企业，主要生产0.4～35kV高压开关设备、3～35kV高压电器元件及低压开关柜。产品广泛用于国家大、中型电力工程和工业项目，并出口到二十多个国家和地区。
电力是支撑国民经济建设与发展的重要能源，是我国国民经济实现可持续发展的基础。当前我国的电力供应总体上偏紧，电力消费保持高速增长。输变电设备制造业，尤其是中压开关制造行业的市场前景十分广阔。
由于市场竞争日益激烈和面对国外企业的冲击，为加快我厂新型开关设备的产品研发速度，在开关设备的设计和制造中引入新的理念和方法势在必行。我厂继产品设计成功地应用二维CAD技术之后，为tigao产品设计效能，推动设计工具的标准化，又购买了PTC公司的机械设计自动化软件系统Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三维设计软件进行辅助设计工作。应用PTC解决方案进行了包括“XGNE-40.5”在内的一系列新产品开发项目。
2采用PTC解决方案的项目目标
（1）由于市场需求和企业新产品开发计划的迫切要求，产品必须在两年内完成从研发到生产的全过程。
（2）在产品的前期阶段能看到产品的三维仿真模型，应该可以在三维环境下很轻易地观察产品模型中任意感兴趣的剖面，以作为工程选型的基础。
（3）采用自顶向下的装配设计，在设计中可以先用零部件的外轮部来考虑预留空间，在后续的设计中用详细设计的零部件进行替换。也可以在装配中进行零件设计以保证其形状和装配的精度。还可用干涉及间隙检查的功能来检查装配情况。
（4）通过机构分析和产生的动作仿真看到我们所关心的零部件的速度、位置以及加速度，初步验证机构工作的正确性。
（5） 对产品设计的运动部分进行运动力学方面的研究和优化。
（6） 对产品设计的结构进行研究和优化。
（7） 行为建模生成关键零部件关键部位的外形。
（8）产生开关设备装配过程和联锁操作过程的动态演示，为开关设备的装配工和维修员提供培训，为用户和参观人员提供清晰的演示和教学。
（9） 产品设计过程中的数据库内容全相关性和工程数据的可再利用性。
3采用PTC解决方案的项目内容
3.1 CAD实体几何造型（应用Pro/ENGINEER建立数学模型）
采用几何造型的方法将产品的数学模型在计算机内部建立，在几何造型时，我们力求做到以下几点。
（1）明确设计意图，创建几何模型，由设计要求导出几何模型。利用特征和设计基准，生成三维实体，可以在三维空间中观看它的形状；当需要修改零件时，只需修改尺寸或增加特征。
（2）基于特征建模的全相关性和参数化。全相关性是指在设计过程中任何一处的变动都会反映到从设计到加工的各个过程，以确保所有零件和各个环节保持一致性和协调性。参数化是指用熟知的特征作为产品的几何模型的构造要素，通过给这些特征设置参数，修改参数很容易地进行多次设计，实现产品开发。
（3）产品设计中的装配关系管理。将各个零部件装在合适的位置上，确定系统部件间的装配关系，系统会根据给定的约束自动地安排零部件的装配关系，如改变一零件的装配相关尺寸，则与它相关零部件位置或约束都会自动地改变。
3.2 CAE功能仿真（应用Pro/Mechanica进行优化分析）
（1）干涉检查及结构检查。通过对各零部件的空间体积进行计算，可以及早的发现产品结构设计中相互干涉影响的部分，保证产品设计的正确性。
（2）进行机构运动仿真。了解机构的运行情况，研究机构的灵敏度，自动地优化机构以满足特定的目的和限制，能够计算组合体中运动和影响运动的力之间的关系。使用这些计算结果通过改变参数可以实现佳的设计方案来优化设计。具体地讲能完成以下的工作：简便而快速地校验机构模型的空间关系；利用行为建模功能合成凸轮轮廓并研究相应的运动条件下的参数变化；指定运动驱动器模拟机构运动中的实际载荷；优化机构模型，研究运动过程中各种可能发生的情况时参数及受力情况的变化。
（3）结构优化设计。在一定载荷的条件下评估产品的性能，预测产品在实际使用环境下的性能，研究哪些设计参数对结构特性有大的影响，进行几何形状优化。对产品设计构想中的任意类型结构进行建模，通过CAE分析结果比较各方案的优劣；施加不同载荷的约束，观察各参数及相关结构设计变量的变化情况；进行结构形状优化和灵敏度分析，寻找佳工作点；针对设计方案，输出多种格式的结果，方便设计数据的共享。
4 PTC解决方案的实施过程及结果
该作品中应用PTC解决方案按照设计流程主要经历三个阶段（如图1所示），采用了Pro/ENGINEER2001和Pro/Mechanica两种PTC软件模块。
图1 该项目采用PTC解决方案的产品开发流程
4.1 研究性开发阶段
在研究性开发阶段，主要任务是确定今后整体设计的理念和宗旨，即根据设计师的创造性构想，结合设计对象的功能性制定总体设计方案。解决诸如“采用何种结构形式和驱动方式”、“预计达到的参数值是多少”和“采用何种材料”等影响到具体设计阶段的问题。主要的工作内容为应用Pro/ENGINEER及相关模块进行驱动机构初形式的概念化设计，建立几种初构想方案的3D模型，创建相应的布局框架，以直观的形式比较、确定设计方案，并确定相关需要解决的工程问题，决定设计过程中分工和权限分配。
图2 采用PTC解决方案进行产品设计后建立的3D模型
4.2 具体设计阶段
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在具体设计阶段，主要是要按照前一阶段所确定的设计方案，进行细化设计，确定各零部件的形状、尺寸以及材料的选择。根据设计中遇到的需要改进之处，在充分论证的基础上，对总体设计方案进行修正，终初步完成产品设计图样。在具体的工作过程中，我们按照设计方案为基准做出相应的产品骨架（Skeleton）模型，使用Pro/ENGINEER软件及其相关的CAD模块作为设计工具，采用自顶向下的设计方式进行产品具体设计。通过骨架模型，我们得到了诸如产品架构、各种零部件的位置及相互连接等相关信息。这样，相关设计人员就只需基于骨架模型，集中注意力于相应的零部件的结构形式设计。针对设计中暴露出的不足，对设计方案和骨架模型作出了部分修正。通过参照骨架进行几何复制，设计工程师在较短的时间内就分工协作完成了产品的设计工作设计；我们课题组的4人利用Pro/ENGINEER进行C-GIS的设计，经过两个月的时间我们已完成总体结构设计。比起通常6～9个月的设计耗时，所用时间不到原有耗时的三分之一，设计效率获得很大tigao。
4.3 设计校验阶段
在设计校验阶段，需要解决“产品结构形式和强度是否可靠”、“运动部分的运动形式和各项参数是否达到要求”、“机构的总体效率如何”、“能量分配是否合理”等问题，还须按照预定参数和运动形式的要求，确定关键运动零部件（这里仅举其中一项凸轮为例）的外形尺寸并检验其刚度是否可靠。为保证产品设计的合理和可靠，这一阶段主要是采用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica及相关的CAE模块，进行了这样几项工作：①对驱动机构运动部分的整个运动过程进行仿真运动分析；②对产品设计结构和运动能量分配进行优化处理；③针对校验结果，对机构形式和设计方案进行合理改进；④按照优化后外部条件利用行为建模方式生成优化后的关键零部件机构和外形尺寸，并对其受力情况进行分析，与原有受力情况相比较，校验该件的强度。
通过前三项工作的校验优化过程，驱动机构的主要运动参数分闸运动速度和机构运动效率获得了显著tigao。图3是在利用Pro/Mechanica对机构进行仿真运动分析并进行优化后得到的运动部件速度曲线。原有产品设计能够达到的运动速度为1200mm/s，储能弹簧力为5200N，优化分析后在储能弹簧力降制至2500N的情况下，运动速度tigao到了2000mm/s，该产品中驱动机构总传动效率从30%tigao到70%。经产品试制后试验验证，试验数据与此相符。
经过第四项的工作，我们利用行为建模功能模块自动生成了机构优化后的关键运动零部件结构和外形尺寸。以驱动凸轮为例，图4为根据对凸轮接触部位接触力进行分析优化的结果，结合Pro/ENGINEER软件对驱动凸轮接触部分外型进行行为建模的模型情况。通过行为建模，可以及时准确地将优化结果反映到零件模型的变化中，很大程度上减小了凸轮接触部分的碰撞力，使其运动效率和工作可靠性得到明显tigao。图5为采用行为建模外型驱动凸轮进行仿真运动分析获得的优化后凸轮接触力，凸轮接触力从原设计的200000N减少到低于100000N，凸轮的可靠性tigao很大，从而也tigao了所开发产品的整体可靠性。
产品试制和试验后，产品各项参数均符合并优于原设计要求，产品设计取得了圆满成功。PTC解决方案中设计数据库的相关联性使得在生产过程中与CAM技术相结合可以方便快捷的进行零件加工。无论是把数字文件直接应用到数控机床还是为传统模型的制造提供三维模型，采用Pro/ENGINEER快速建模都可以为快速的制造和设计更改的及时反映提供有效的支持。Pro/ENGINEER提供的干涉检查功能使我们不需依赖物理模型就可以对零部件之间的装配关系和间隙进行检查。
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图3 采用Pro/Mechanica对机构进行仿真运动并优化后得到的终运动速度曲线
图4 对驱动凸轮接触部分外型进行行为建模的模型情况
图5 对驱动凸轮接触部分外型优化后得到的凸轮接触力
5 项目效益和现状
我们原来使用的CAD设计软件主要是二维设计软件，由于设计软件数据集成能力和设计体系不很理想，加之二维软件对模型进行仿真分析校验的能力较差，使得设计者在设计阶段对产品可靠性的了解于经验值，无法进行细节性的优化设计，影响了产品开发速度和效率。通过应用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，以该作品为例，传统方法开发该类开关设备（从立项到试验通过），使用5～10人的设计小组，平均花费需要5年时间。通过应用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，我们使用4人设计小组1年半就已经完成了上述工作，工作效率大大tigao。新产品上市时间由5年缩短为2年，节约成本在人民币百万元以上。由于设计软件同生产的紧密结合，设计差错减少达80%以上，所有错误都能被及时发现并加以妥善解决。现在“XGNE-40.5”已完成了产品开发过程和全部试验项目，新产品设计取得了圆满成功。
6 结束语
PTC解决方案的应用，将加快我厂新型开关柜及断路器、环网柜等产品的研制速度，使它的设计更加合理、完美。PTC解决方案这一技术作为新的设计手段，正在逐渐被工程界所认识和接纳。随着PTC解决方案在我厂的开发和应用，必将使我厂在整个设计、制造观念上发生变革，大缩短产品开发周期，促进我厂产品质量的tigao，tigao我厂应用CAD/CAE/CAM/PDM集成技术进行信息化产品设计和制造水平，为我国电力工业提供安全可靠、性能稳定、技术含量高的输变电设备