西门子6ES7212-1AB23-0XB8详细解读
由于该进口无菌灌装机本身并无计量系统，灌装的启动/停止过程全凭操作人员自己控制，灌装效率低下、整个生产过程严重依赖操作人员经验。灌装出来的果汁量极不稳定，给公司造成声誉和经济上的损失。
现需要通过自动化手段对整个生产工艺进行改造改造，提高灌装效率和精度，并且添加人机接口，使整个灌装过程流程化和可视化，摆脱依赖操作人员经验的状况。
该系统经过自动化改造后的目标为将人工手动控制气动阀门启停改为自动化计量控制。操作人员在文本显示器上设定目标重量，并启动罐装程序，开始罐装作业，当灌内重量达到设定值后，控制器关闭气动阀，结束罐装程序。并且精度需要控制在100g以内。
二、系统分析
该项目改造目标为改进控制系统，使之达到工艺需求的控制精度
精度：灌装误差控制在+/-1%之内。
计量共有两种选择，分别为流量（流量计）和重量（质量流量计、称重计）。重量=累积流量*密度。灌装果汁的种类比较多，各种果汁的密度值略有偏差，密度与环境温度，果汁浓度都有关系，采用流量计进行计量是无法满足精度需求的。
分析：若罐装采用质量流量计计量。
采用质量流量计测得为质量瞬时信号，即公斤/秒（Kg/s），只有通过积算的方式才能得到总共流过的总质量。V总＝△T×L1+△T×L2＋….+△T×Ln，△T为采样时间，一般为1秒。则采样结果如下所示：
图（一）
可见，采样计算所得到的（质量）流量值（小长方形中的面积和），与实际体积（曲线以下的体积）之间存在着一定的误差，采样时间越长，该误差越大。
由于质量流量计的安装方式和测量原理，其受管道内阻力的影响较大，流体介质在管道内的流量是不均匀的，其中心的流量大，越往外壁，其流量越小，与外壁接触的流体层其流量几乎为零。这样注定用普通流量计无法用到需要jingque计量的场合。
采用称重传感器作为称量手段，就可以避免上述的问题，其与果汁的种类、浓度无关。
三、改造过程
通过以上分析可知，需要对控制工艺进行改进，由于标定物理量为重量，故改造方案直接采用重量传感器。并且为了避免模拟量输出的共模干扰和漂移，现采用精度更高的串口协议来读取重量值。因为串口协议不容易受到线路上的信号干扰和模块内步信号的扰动，稳定性更好，jingque度更高。PLC采用RS485对称重变送器串口进行读取。称重传感器采用悬臂梁式，悬臂梁式传感器一端固定，另一端拖住容器，安装方便，适合于该罐装系统。这样控制精度可以控制在100克之内。
由于考虑到PLC既要与重量传感器进行通讯，又要连接文本显示器。保持原有的FX2N控制器，并加装RS485BD通讯面板。
整个系统简图如下：图（二）
图（二）
罐装工艺原理为：人工将无菌袋放进罐装头，罐装室内置卡爪抓住袋颈，自动启盖，由气缸控制的罐装阀下降填充无菌袋口，介质从高位灌经灌装阀流入无菌袋内，人工启动升级气缸，升降气缸在罐装过程中慢慢上升，以防拉破无菌袋。如罐装速度慢时，可设置氮气加压。加快罐装速度。
其中有两点需要强调和说明：
一）由于罐装完毕后，需要借助于底部的辊筒将其移走，故重量传感器只能安装于辊筒之下，并且为了防止辊筒底板的积水造成称量的误差，要将辊筒底板拆下。考虑到钢筒和辊筒的重量，重量传感器大量程不得小于350KG。
二）由于阀门全开时，流量较大，会有一定的冲击。如果此时称量，有可能会造成误差。称重变送器要采用具有防过冲功能的控制器。
实际灌装中，由于管径较大，270KG的液体介质一般在3分钟内罐装完毕，则每秒平均流量为1.5KG，考虑到延时等因素，如果单单采用程序提前量的方法进行关闭控制，无法达到jingque灌装的目的，我们采用以下的解决方案：当开始罐装时，阀门为大开度，当称量重量距目标重量还有20%-15%时，启动脉冲灌装程序，系统由连续灌装自动切换到断续灌装状态。采用此种方法确保了实际灌装量与设定灌装量之间的误差处于可接受的范围之内。
四、
通过工程实施前的仔细分析，我们选择了正确的方式对该系统进行了改造。在随后的生产中，该系统的jingque度完全满足客户要求，界面友好，操作方便，无论是熟练的操作人员还是新上手的操作人员，只要遵循正确的操作步骤，都能完美的完成灌装操作。该系统解决了一直困扰客户的难题，赢得了客户的。
PLC(可编程序控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、功能强等特点，得到了广泛应用。
我国20世纪90年代以前生产的机床、轧机、喷涂生产线等机电设备，普遍采用继电器控制，由于继电器的自身特点，对电气元件故障的识别能力较弱。为了提高控制系统的可靠性和机床的加工效率，采用PLC对控制系统进行改造，取得了一定效果。但在采用PLC对原有继电器控制的机电设备进行改造的过程中，除了考虑完成系统工作所需要的控制功能以外，还非常有必要考虑机床电气元件本身故障的自动识别和处理。
一、机床电气系统进行PLC改造的基本方法
利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电气元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。
1.1 电气元件与PLC的硬件连线
电气元件与PLC的连线主要就是将控制电路所需要的各开关、按钮、继电器触点、接触器辅助触点等连到PLC的输入端口，并确定各触点对应的端口号，1个元件的多个触点一般只需要连接1个输入口。继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、照明灯等耗能元件连接输出端口，建立输入、输出端口分配表，各端口号将是逻辑程序进行逻辑运算的重要逻辑量。
1.2 逻辑程序设计
在将各元件与PLC的端口连接以后，还需要编写逻辑程序，确定各输出端口得电、失电的逻辑条件，从而控制各输出端口对应耗能元件的状态。逻辑程序的编写应根据机床的控制要求和原来继电器控制线路中的逻辑关系进行。PLC在运行时，能够采集各输入端口的状态，并根据建立的逻辑程序进行逻辑运算，控制各输出端口，使与输出端口相连接的各线圈得电或断电，从而控制电动机、液压系统和其他电气元件工作，即通过开发逻辑程序代替原来元器件间的串、并联接线。
采用上述方法可以完成机床工作所需要的控制要求，结合PLC的功能特点，可以考虑在已有的元器件基础上通过编写逻辑程序或者根据需要添加少量元件就能实现机床的故障自诊断，这对于提高机床的可靠性、高效性、易维护性、避免事故的发生是非常有利的。
二、故障的自诊断设计
2.1 开关信号量的故障诊断设计
PLC控制机电设备时，设备中的开关、按钮、继电器的触点等开关信号与PLC的输入端口相连，每个输入端口在PLC的内存中为1个地址。通过读取PLC输入位的状态值作为识别开关量故障信号的依据。诊断开关量故障的实质是将PLC正常的输入位状态值与相应输入位的实际状态值作比较:如果二者比较的结果是一致的，则表明设备处于正常工作状态；若不一致，则表明对应输入位的元件处于故障状态。下面就常用的几种诊断方法作一叙述。
2.1. 1 逻辑错误故障检测诊断法
在机床设备正常工作的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器的信号之间存在确定的逻辑关系，一但输入元器件发生故障，就会引起逻辑错误，控制系统不能按设计的要求进行工作。在这种情况下，我们可以根据元器件发生的故障，建立元器件故障发生时的逻辑关系。一旦故障发生，就能作出相应的警告和处理，如停止进给，停止主轴转动等。
图1所示的组合机床滑台工作时检测3个行程开关X00l(起点)， X002(快进终点)，X003(工进终点)是否正常的逻辑程序。Y030，Y031，Y032表示快进、工进、快退。表示在任何一个工作状态下，这3个行程开关任何2个都不应该闭合，如果闭合，则表示有行程开关失灵的故障发生，应该进行停机检查。
2. 1. 2 附加触点连接诊断法
在进行机床的PLC改造时，往往只是根据系统控制的需要，接入必需的外部输入元器件触头，这可以节约输入点数。但为了提高系统的可靠性，可以考虑把一些非常重要的元器件的常开触点和常闭触点分别接到PLC的2个输入点，并在软件部分加上相应的检测判断程序，以实现在出现卡死或失效时能准确找出故障所在。
如在电气控制系统中有一中间继电器K，其一常开触点与X401输入端口相连，为了能够自动判断继电器K是否卡死或失效，现将其常开触点与X401相连，另一常闭触点与X402相连，如果卡死或发生失效，在继电器K线圈得电时，常闭触点断开了，但常开触点没有闭合；我们可采用图2的逻辑关系进行检测，即可发现故障。在端口数量有多余的时候，多串入1个常闭触点，有利于准确发现故障。
2.1. 3 时间限制法
自动机床在工作循环中，各个动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时间限制还没有完成动作，则可认为是机床设备运行出现故障，可以在被检测工步动作开始时，启动一个定时器，定时时间可以根据实际情况确定，但应比正常工作所需时间要长一些，如果定时器有输出信号则说明已出现故障，可以采取相应的处理措施。
图3表述了在组合机床上快进转变为工进时的故障检测程序，Mll0表示快进工步，压下行程开关后，应转变为工进，如果超过了规定的时间限制未切换，应视为在快进工步上出现了故障，出现故障的原因可能是行程开关，也可能是液压元件或其他电气元器件。不能确定是何种故障原因，但能确切地控制故障的继续发生。
2.2 模拟信号量的故障诊断设计
由于PLC具有模拟量的处理功能，在进行机床PCL控制改造时，对一些比较重要的能反映机床工作状态的参数，如液压系统的压力、流量，机床重要机械部件的温度、振动等参数，可以考虑选用相应的传感器或变送器与PLC的专用A/D模块对机床工作参数实现实时检测，并与极限要求值进行比较，以判断机床工作状态是否正常，若不正常，则可以进行显示、报警或者停机等处理。机床设备参数的检测流程框图见图4。
三、结语
在进行机床PLC改造的过程中，在完成主要的控制要求设计基础上，应该附加考虑利用PI刀程序控制的功能特点，通过编写逻辑程序和添加少量电气元器件的基础上进行机床设备故障的自诊断和及时的处理，这样，可以提高机床的可靠性，提升机床的工作效率，改善机床的自动化程度。
1．概述
临汾市自来水公司净水厂座落在城西南3.5公里处，占地42907m2（含龙祠水源站），其水源设计取水量为8.64万吨/日，经12KM的输水管道，压入净水厂内，是自来水公司龙祠水源地水处理厂。
生产工艺流程：引龙祠源水加压至净水厂，经投药、混凝、沉淀、澄清、过虑、消毒，使处理后水质符合国家饮用水卫生标准，由二泵房加压送入城市和临钢配水管网，生产工艺中生活饮用水系统加投石灰软化工艺、降低水的硬度，在上世纪八十年代城市水处理行业中很少使用。
源水取用梁山东麓西平山脚下地龙子祠泉排泄形成的地表水为水源，本属地下水性质，因出水点至取水点尚有一定距离，经流过程中暴露于自然界，因为人为因素的污染使其具有地表水的特性。龙祠子泉属于石灰岩溶水，具有浊度低、水质水温稳定的优点，龙祠泉水因溶解了岩层中的矿物质，含盐量较高，属HCO3—SO4—Ca—Mg型，总硬度在540mg/L（以CaCO3计）左右，高于GB5749—85国标，净水厂选用了药剂软化法来降低水的硬度，使出厂水质能够全面达到GB5749—85生活饮用水卫生标准。
2．净化工艺
2.1 投药系统
投药楼是配置软化剂及混凝剂，并将其投加到澄清池反应室中，用于去除水中暂时硬度的场所。其操作工艺如下：
将生石灰初步熟化后通过卷扬机输送至工作平台，在消石灰机内完成熟化，筛除杂质，形成石灰乳液后入石灰搅拌池中进行搅拌，并配置成浓度为2.5％的石灰乳液，利用泥浆泵输送至澄清池反应室。
混凝剂使用硫酸亚铁，它是一种半透明的结晶体，在碱度高的水中会形成三价的铁离子，在pH≥9的水中具备优良的絮凝效果。硫酸亚铁配置成溶液后经耐腐蚀泵提升至高位溶液池，利用重力投加的方式输送到澄清池前的进水管。硫酸亚铁溶液浓度在15％左右，千吨水消耗低于12千克。
2.2 进水仪表间
源水通过龙祠站送水泵房加压输送到净水厂，通过调整工艺管道中13个电动阀门开闭状态，可根据源水水质及城市与临钢用水需要形成六种生产工况，从而完成澄清、过虑、消毒等工艺流程。
3、投药子站的自动化改造
3.1 投药子站控制系统
图1 投药子站控制示意图
3.2 中央控制器
中央控制器采用SIEMENS公司S7－300系列PLC，现场操作用了TP170A触摸屏，PLC采集源水流量、药液浓度、澄清池内的PH值和浊度值、指令状态、计量泵工作状态等参数，并通过控制方法的计算输出控制量，控制输出计量泵的投加量、工作状态、液位浓度报警、水质指标异常报警等信息。PLC本机内置PROFIBUS标准接口，以备将来水厂联网。
3.3 投加硫酸亚铁
硫酸亚铁搅拌池采用浓度计进行实时数据采集，液位采用超声波液位计进行监测，并将数据传送给PLC。硫酸亚铁投加采用两台计量泵投加，一用一备的工作方式。
3.3.1 选泵的原理
按目前经验值，硫酸亚铁的投加量为12kg/1000m3，硫酸亚铁混合液的浓度为15％，日供水量按80000m3水计算，则计算每分钟的投加量为：80×12×100/15＝4.44L/min，宜选用投加量为6L/min的计量泵，一用一备的工作方式比较合理，采用高性能计量泵，具有以下优点：
（1）计量投加腐蚀性药液，工作安全、可靠；
（2）动冲程伺服控制器，可jingque调节流量；
（3）ISO90001，世界计量泵行业地位；
（4）的设计和精妙的结构可有效降低脉动液流对管路的冲击，使液流平稳流动、输出，减轻脉动液流对管网的危害，延长整套系统的使用寿命。
（5）备手动/自动双功能，可以通过PLC对投加量进行自动控制；也可以通过冲程伺服调节器对投加量进行手动控制。
3.3.2 控制策略
3.3.2.1 流动电流检测仪（SCD）单因子调节系统
目前国内外较先进的净水厂都使用SCD检测仪表来控制投药量．在水处理工艺中，根据混凝机理，加药的主要作用是使水中的胶体粒子脱稳。胶体粒子的稳定度可用ζ电位来描述，ζ电位越高，稳定性越好，欲达到应有混凝效果的加药量就越多。由于直接检测ζ电位的技术非常复杂，研制出SCD仪表，间接测定ζ电位，用以反映水中胶体粒子的稳定度。可用SCD组成一个简单调节系统如图2所示。
图2 SCD单因子控制系统图
从图2可以看出，该系统中仅包含SCD一个控制参数，故又被称为单因子控制系统．该系统结构简单，使用方便，SCD检测值一般情况有2min左右的滞后时间，只要调节器的参数整定恰当，可以使SCD值稳定在给定值附近．如果给定值选择好，可使混凝效果得到控制．该系统从理论上讲是可行的，但实际使用效果并非十分理想．分析其主要原因有如下几点：（1）虽说SCD值是反映胶体粒子稳定度的一个物理量，但实际上SCD值会受到水中其它因素的影响．传感器检测室吸附表面是由塑料材质制成的，于是原水中某些大分子有机物因其吸附亲力明显强于无机胶体，会造成有害物质对吸附表面的优先吸附，引起检测信号的减弱或失真．原水温度也会影响到胶体吸附能力的大小。（2）由于是单因子控制，SCD设定值的大小，就决定了混凝效果。实践证明在整个工艺过程中，要获得佳投药，SCD给定值并不是一个定值，它同样受到原水浊度、流量、温度、pH值等参数的影响．这就给SCD的使用带来很大困难。（3）SCD仪表灵敏度较低，变化范围小，当水质、流量等因素在较小范围变化时，SCD值难以反应其变化，使系统抗干扰能力降低。
3.3.2.2 串级调节系统
为了弥补上述缺点，可将控制目标——沉淀出水浊度信号反馈到调节系统中，组成如图3所示的调节系统．从图3可看出，有两个调节器，我们称PID1为主调节器，PID2为副调节器．两个调节器分别组成两个闭环控制回路，主要调节器的输出作为副调节器的给定，好似两个调节器串级在一起，故被称为串级调节系统．
图3 用SCD及浊度仪组成的串级调节系统
串级调节系统的使用比单因子调节系统有了很大改进，但也不是十分完美，仍存在着一些问题：（1）对于副回路不能克服的一些干扰，仍必须经由纯滞后时间大的主通道才能使主参数（沉淀出水浊度）反映出来，调节作用也同样经过主通道才能使主参数发生变化，必然造成调节周期很长，调节品质不佳．（2）串级调节系统中有两个调节器回路，主、副回路又相互关联，互相影响，两者之间相互配合有一定要求．理论与经验证明，串级调节中，主、副回路时间常数之比一般在3～10倍之间为宜，否则容易引起系统振荡．而在上述的系统中副回路时间常数一般在2min左右，主回路有的高达15～2h，时间常数之比为45～60倍，这样给系统的参数整定及正常运行带来很大困难。（3）在串级调节系统中，通常主调节器是为了提高调节精度、消除余差而设置的．主调节器采用比例积分调节．副调节器是为了加大调节作用，及时克服干扰，一般只采用比例调节．可是在上述串级调节系统中主调节器却无法引入积分作用．由于主回路纯滞后时间太长，如果加上积分，会产生积分饱和现象，使系统产生大幅度振荡。这是自控系统不允许发生的．既然主调节器不能引入积分，就不能消除余差，使调节精度受到限制．（4）串级调节系统是一个复杂调节系统，往往不易被操作人员掌握，这也是该系统难以推广应用的原因之一。
3.3.2.3 前馈反馈调节系统
所谓前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，根据扰动作用大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。这种前馈控制作用运用的恰当，可以使被控变量不会因扰动作用而产生偏差，比反馈控制要及时，并且不受系统滞后的影响。如果补偿得当，对于某一特定扰动，前馈控制系统的品质十分理想，明显优于反馈控制系统。要实现完全补偿并非易事。因为要得到工业过程的jingque数学模型是十分困难的；扰动也往往不止特定的一种或数种，为了保证有更大的适应性，把前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。前馈克服主要扰动的影响，反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。这样，系统在大而频繁的扰动下，依旧可以获得优良的控制品质。
在该项目中考虑到用原水流量与沉淀浊度组成前馈反馈调节系统，由于使用SCD来控制投药量存在着一定缺点