西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8物优价廉

西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8物优价廉

1 引言
 在城市高楼快速发展的，以前城市供水所必需的水塔、水箱以及气压供水设备，由于水质污染和水压不足，已经远远不能满足现代人民生活的需要，水厂的自动化改造迫在眉睫。水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，但城市用水量是动态的，白天用水量大，晚上用水量小。如何保证供水量波动时水压恒定是一个必须解决的问题。本文采用PLC、文本显示器、变频器等组成全自动恒压供水控制系统，根据管网压力自动调节供水liuliang，使管网压力恒定。

2 系统设计
 变频调速恒压供水控制系统见图1，系统采用1台变频器拖动4台电动机的启动、运行与调速，其中2台大电动机(220kW)和2台小电动机(160kW)分别采用循环使用的方式运行。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。

图1     变频调速恒压供水控制系统图

2.1  系统功能
  (1)手动运
 手动运行用于系统调试时测试系统各部分是否正常。1、2号泵作为主泵在变频器的控制下分别运行，但不运行。PID控制发挥作用，在手动状态下水管压力也不会超过设定压力。3、4号泵作为辅助泵可以直接工频运行，在水管压力达到设定压力时自动关断。
  (2) 自动运行
 图2为自动运行时的流程图。进入自动运行状态，控制系统检测水管的压力，当压力低于设定值时，启动辅助泵进行补水。在设定的时间内，水管压力能够达到设定值，则停止辅助泵，此时认为水管压力下降是由于管道系统漏水或小量用水造成，主泵不运行。若启动辅助泵后，在设定时间内若管道压力不能达到设定值，则停止辅助泵运行，使标识为A的主泵变频启动。标识为A的主泵变频运行后，若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的小出水频率以下，则停止水泵运行，将另一台主泵标识为A。标识为A的主泵变频运行后，变频器在运行一段时间而管道压力没有达到设定值则将A切换到工频运行，变频起动标识为B的主泵，此时若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的小出水频率以下，则停止工频运行的水泵，原来变频运行的水泵按前述流程工作。两台主泵轮流标识为A，可以避免在小用水量时，一台频繁起动而另一台长时间不运行。

图2     系统自动运行流程图

2.2  PID控制器设计
  (1)PID算法的数学模型
  西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215,CPU216开始增加了用于闭环控制的PID模块。它是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差值e是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。PID控制的原理基于下面的算式:

   其中:
  M(t): PID回路的输出，是时间的函数; 
  Kc: PID回路的增益;
  e: PID回路的偏差(给定值与过程变量之差) ; 
  Minitial:PID回路输出的初始值。 
 为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下:

   其中:
  Mn: 在第n采样时刻PID回路输出的计算值; 
  Kc: PID回路增益; 
  en: 在第n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);   
  KI: 积分项的比例常数; 
  Minitial: PID回路输出的初值; 
  KD: 微分项的比例常数。 
 由于计算机从次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为:  

  其中:
  Mn: 在第n采样时刻PID回路输出的计算值; 
  Kc: PID回路增益; 
  en: 在第n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);
  KI: 积分项的比例常数; 
  MX: 积分项前值;
  KD: 微分项的比例常数。
  (2) PID算法改进
  CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID 输出，这个改进型算式为:
  Mn=MPn+MIn+MDn

  其中:
  Mn: 第n采样时刻的计算值; 

    :第n采样时刻的比例项值; 
   :第n采样时刻的积分项值; 
   :第n采样时刻的微分项值;
  Kc: 增益;  
  SPn: 第n采样时刻的给定值; 
  PVn: 第n采样时刻的过程变量值; 
 PVn-1: 第n-1采样时刻的过程变量值; 
  Ts: 采样时间间隔;  
  TD: 微分时间; 
  TI: 积分时间;  
  MX: 第n-1采样时刻的积分项(积分项前值)。   
2.3  软件设计
 S7-200系列PLC中的CPU215/216提供了用于闭环控制PID运算指令，用户在应用时不必象CPU212,CPU214那样自己编写几十条指令来实现PID功能，用户只需在PLC的内存中填写一张PID控制参数表(见附表)再执行指令:“PIDTableLoop”即可完成PID运算，其中操作数Table表使用变量存储器VBx来指明控制参数表的表头字节;操作数Loop只可选择0-7的整数，表示本次PID闭环控制所针对的环路编号，多8路。
 控制参数(见附表)包括9个参数，全部为32位实数格式，共占用36字节。附表中的参数分两类。一类参数是固定不变的，如参数编号为2,4,5,6,7的参数，这些参数可在PLC的主程序中设定。一类参数必须在调用PID指令时才填入控制表格。如编号为1,3,8,9的参数，它们具有实时性。分析发现:其中有一些参数，既是本次的输入(执行PID指令之前)，又是本次的输出(执行PID指令之后)，还是下次运算的输入，如编号为3,8,9的参数。附表中变量类型栏的In/Out应理解为相对于PID控制器而言的输入或输出。

附表     控制参数

3 结束语
 由S7-200系列PLC和变频器等组成的恒压供水控制系统，充分发挥了S7-200CPU215可靠的内置式PID运算模块，可自动调节变频器输出频率、控制各泵的投入和退出，实现恒压供水。该系统操作方便、运行可靠，具有一定的推广应用价值。

1：前言
　　滚齿机是一种齿轮加工设备，其采用滚刀按展成法，粗、精加工直齿、斜齿、人字齿轮和蜗轮等类型齿轮，其加工范围广，加工精度高生产率较高，适用于齿轮的单件或批量生产，在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械等各种机械制造业中应用广泛。

　　PLC控制器应用在滚齿机整机的传动控制上，效果显著，其中需要控制的滚齿机的传动部分，主要包括滚齿机工作台和滚刀的旋转以及进给两大动作，旋转动作是由主电机经过一级PIV齿轮箱无级变速后经蜗轮蜗杆减速，从而带动滚齿机工作台和滚刀的旋转，而进给动作则是由二级PIV齿轮箱无级变速后带动滚齿机进给箱来实现进给量的改变。
　

　　本文介绍了采用和利时公司LM系列PLC控制的Y3140型滚齿机的电气控制原理以及LMPLC在滚齿机中的应用特点和优势。

　　2：滚齿机的控制要求
　　滚齿机控制的功能除了自动控制和手动控制的逻辑控制外，还包括对液压泵、冷却泵、润滑泵以及多个阀门、离合器的各个动作控制，并且需要通过模拟量信号控制PIV齿轮箱进行无级调速，PIV齿链式无级变速器，是适用于工艺参数多变，转速连续变化并且能够协调多台机器运转的装置。具体的采用模拟量信号控制PIV齿轮箱无级调速的工作过程是：先在触摸屏上设定滚刀的速度和进给量，PIV齿轮箱带动多圈绕线电阻旋转改变其输出电压，绕线电阻输出的电压信号输入到模拟量模块中，转换后与触摸屏给定信号比较，产生误差信号来控制PIV齿轮箱上的调速电机，从而实现PIV齿轮箱的无级变速。
　

　　在对整个滚齿机的控制过程中，重要的便是PIV齿轮箱无级调速的控制，
　

　　下面是PIV齿轮箱控制的电路图。

　　左侧的电路为多圈绕线电阻电路，将其产生的模拟电压信号送入和利时小型PLC的模拟量处理模块LM3310进行处理，并且将采样值与在触摸屏上设定的电压值进行比较，再通过PLC的数字量输出模块LM3223控制减速电机的启停，其它的数字量输入/输出模块检测各个按钮、开关的状态从而来控制各个泵以及离合器的动作。
　

　　3：滚齿机的控制系统组成及功能
　　滚齿机的电气控制部分的主要设备由触摸屏和PLC组成，实现对滚齿机各个部件动作的逻辑控制以及各参数、命令的显示及设定。这些需要控制的部件主要有滚齿机的液压泵，提供液压动力；冷却泵，对加工过程进行冷却的主要装置；润滑泵，起到润滑的作用以及离合器，进行速度的调整。整个滚齿机的控制系统组成如下图所示。

　　4：和利时小型PLC在滚齿机中应用的特点
　　本滚齿机的核心控制器件采用了和利时公司的LM系列PLC，LMPLC是和利时公司自主研发、自主生产的新一代高性能小型一体化PLC，它充分融合了计算机技术、通信技术、电子技术和自动控制技术的新发展成果，包括CPU模块、数字量、模拟量扩展模块以及通讯模块等多种模块种类，完全能够满足滚齿机的各种控制需求。PLC的编程软件PowerPro，其功能强大、界面友好，并且包含有各种丰富的指令与功能块，支持自定义库，能够给用户编程带来非常大的便利。在本滚齿机的控制装置选择上，采用了和利时公司的LM3109CPU模块、LM3310模拟量输入模块以及LM3212和LM3223数字量输入、输出模块，其主要特点在于：
　　（1） LM3310模拟量模块的分辨率非常高，达到了16位，能非常jingque的处理从绕线电阻传来的电压信号；
　　（2） LM3109 CPU的运算性能非常优越，程序执行速度非常快，使得整个滚齿机的生产能力得到极大tigao；
　　（3） 和利时PLC的编程软件PowerPro功能非常强大，能够直接进行浮点数运算，为编程带来极大便利。

　　下图是在PowerPro中采用LD梯形图语言对模拟量进行处理的程序片段，从此程序片段中能看出，PowerPro软件界面清晰明确、功能块指令简单易操作并且只用了三条语句就完成了对PIV齿轮箱的启动及速度控制。

　　5：结束语
　　可编程序控制器PLC在齿轮加工设备上的应用大大tigao了各种齿轮加工设备的加工性能及生产效率，而和利时小型PLC产品，以自身的快速程序执行速度、强大模拟量处理能力和出色的软件编程环境，使得其在滚齿机上得到了成功应用，这也印证了国产PLC在齿轮加工设备乃至整个机械加工行业中的成就已经越来越大。

 上辊式卷板机简介
　　上辊式三辊卷板机，用于在常温下弯卷一定厚度的金属板成筒状、弧形或有一定锥度的零件。其工作原理是旋转式弯曲变形。因上辊可上下移动、也可水平移动，不需另加压力机和等附加设备，可一次上料，不需调头就可完成板材两端部的预弯及成型弯曲功能，以及用于成型工件的校正。借助辅助装置，可使板料端部对正，且剩余直边较少。是石油、化工、水泥、造船、锅炉、航空、水利、输变电铁塔等机器设备制造行业的必备设备。
　

　　本机床结构形式为三辊对称式，上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，通过液压缸内的液压油作用于活塞而获得，为液压传动；两下辊作旋转运动，通过减速机的输出齿轮与下辊齿轮噘合，为卷制板材提供扭矩。
　

　　2 设备结构及工作原理
　　上辊式三辊卷板机具备预弯及卷圆双重功能，其结构主要有整体底座，翻倒侧机架，固定侧机架、工作辊、支撑辊装置、主传动装置、上辊移动装置、翻倒装置、液压泵站、电控系统等部件组成。

图1 设备结构图

图2 上、下辊位图

　　上辊的上下移动及上辊的水平移动均设有数字显示装置，操作方便，控制准确。上辊倒头的翻转、复位均由油缸来执行，上辊的平衡通过卸料装置来完成，从而使卸料更为方便。本机两下辊为主动辊，位置固定，由主电机经主减速器减速后，经输出轴齿轮传动至设在下辊两端的齿轮使下辊转动，减速机输入轴伸出端设有制动装置，当板料被上下辊夹住，板料与工作辊之间产生磨擦力，使板料运动，通过三辊与金属板相接触的三个切点构成弧度，使平板弯曲，调整上辊的压下量，可达到所需弧形或圆形工件的曲率半径。本机上辊为从动辊，依靠工作辊面与钢板间的磨擦力，使其旋转，其上下移动由两端顶部液压缸驱动。上辊前后水平移动则是由制动电机经一对V型带轮传动至副减速机输入轴再由减速机两侧输出轴经联轴器传动至轴承座中蜗轮副，通过蜗轮中的螺母旋转，使丝杆及与之相连接的水平移动轴向前或向后作水平移动，从而带动固定侧及翻倒侧机架同上辊一起向前或向后水平移动。在机器的翻倒侧机架一端，设有一个翻倒油缸，当卷制工作结束后，上辊移动至中间位置并上下爬升到预定高度，翻倒油缸动作，使翻倒侧机架翻倒，卸下工件后，双级油缸再动作使翻倒侧机架恢复，到此一个工作循环结束。

　　3 上辊的同步控制
　　卷板设备固定侧和翻倒侧驱动上辊进、退同步是协调上、下辊和板料压力一致保证卷板精度的决定性因素。上辊两端的位移差受一定的精度范围限制，在固定侧和翻倒侧分别装有光栅尺，上辊同进、同退运行过程根据光栅尺采集信号及时反映上辊两端位置，当两端位移差超过精度范围上限时，行走快的一端将自动停下等待慢的一端跟上，达到同步范围下限时又自行启动，如此保证上辊两端达到同步进、退。
 　

　　LM系列PLC提供两路100KHz的高速计数输入端，可外接两个采集高频信号的光栅尺满足同步信号的采集和处理，实现上辊的进、退同步控制。

　　4 系统介绍
　　上辊式卷板机全自动控制系统由控制部分、驱动部分和监控部分组成。系统结构图见图3。

图3 控制系统结构图

　　4.1 控制部分
　　本系统采用LM系列PLC控制，配置1个CPU模块LM3107、1个8路数字量输入模块LM3210和一个4入/4出数字量模块LM3231。
　　1）CPU模块：LM3107，本体集成14 DI / 10 继电器DO，其输出有3个公共端，其中AC220V输出占用2个公共端，DC24V的输出占用1个公共端，具有两路100KHz高速计数输入功能，还可以通过RS-232通讯口与触摸屏进行通讯。
　　2）开关量输入模块：LM3210，8路数字量输入，输入电压为24VDC。
　　3）开关量输入/输出模块：LM3231，4DI/4继电器DO，输入电压24VDC，输出电压24VDC或24VAC-230VAC。
　

　　表1为控制系统的I/O配置。
　

　　表1 系统I/O分配表
 

　　4.2 驱动部分
　　上辊式三辊卷板机卷板过程的运动部件主要包括翻倒侧机架、上辊和下辊。上辊和下辊合称工作辊。上辊执行升降和平移动作，升降动作由安装在固定侧和翻倒侧的液压缸内的液压油作用于活塞而获得，为液压传动，前后平移动作由电机带动圆弧齿圆柱蜗杆减速机执行。下辊又称卷板电机，左右转动作由三相交流电机正反转实现。翻倒装置装于翻倒机架一侧，用于翻倒机架的翻转及恢复，由油缸来执行。
　

　　4.3 监控部分
　　上位监控部份由一台和利时触摸屏，配以监控软件来完成，触摸屏上可以进行卷板动作操作，数字显示上辊的上下移动及上辊的水平移动，以及显示PLC的输入输出点工作状态。图4-图7为触摸屏部分监控画面。

　　5 tigao
　　设备采用性价比极高的和利时PLC提供了整体解决方案，保证设备运行达到好的控制效果。设备对上辊同步精度要求较高，目前设备采用的是光栅尺采集信号协调控制上辊两端达到同步，但外界的干扰导致存在高频信号丢失现象。油封可以屏蔽掉外界的干扰，考虑到系统采用的是液压驱动，LM系列PLC提供了丰富的模拟量扩展模块，具备模拟量信号处理能力，可利用油封装置采集模拟量信号实现同步控制，降低外界干扰对工艺精度的影响。