6ES7231-7PF22-0XA0全年质保
1.概述
双轴攻丝复合机主要用于加工一些建筑材料，主要分为铣牙和攻丝两道工序，例如给水管进行铣牙和攻丝。目前，随着房地产等建筑行业的升温，该机型也得到了广泛的运用，市场前景看好。
2.系统描述
本系统采用了施耐德的解决方案，根据工艺的要求，我们选择了施耐德Twido 系列 PLCTWDLCAA24DRF+I/O扩展模块TWDDRA8RT+RS485通信扩展选件+变频器ATV31+文本屏XBTN400，以下为系统配置图。
(1)PLC选用的是施耐德Twido 系列，本体TWDLCAA24DRF＋数字量扩展TWDDRA8RT, 该款PLC使用220VAC供电，14路DI/10路DO，输出全为继电器输出，输出电流大2A，大可以扩展4个数字量或模拟量模块，为用户提供个性化选择，扩展CANOPEN主模块可以使Twido PLC 作为CANOPEN主站，进行高速通信；选购TwidoPORT以太网模块可使PLC接入以太网。
在本系统中，PLC负责所有的动作控制，包括变频器的频率给定，控制起停，各种动作的互锁等等功能。该机型动作主要分为手动铣牙，自动铣牙，手动攻丝，自动攻丝，全自动五种工作模式，这五种工作模式在任何时候可以相互切换，并且各种控制命令要相互屏蔽，这就需要考虑到各种安全保护措施，以防误动作发生。使用施耐德的解决方案以后，完全满足客户的需求，改进了以前老设备的一些不足之处。
(2)我们还加了一个485通信扩展选件TWDNAC485T,用于与ATV31变频器实现Modbus通信。通过Modbus通信，可以直接在文本屏上设置变频器参数，如：LSP，
HSP，ACC等参数，这样就可以避免非用户由于需要修改工艺参数而直接对变频器进行重新设定，提高设备的安全性。Modbus的通信速率设为19.2k 波特率，足以满足客户需求。
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(3)使用施耐德4行文本屏XBTN400作为人机交互界面，通过它可以设置和显示工艺参数，并对设备故障进行报警。该文本屏无需提供24VDC电源，它可以直接由TwidoPLC的编程口取5VDC电源，用户所需要作的就是插上通信电缆即可。
(3)使用施耐德4行文本屏XBTN400作为人机交互界面，通过它可以设置和显示工艺参数，并对设备故障进行报警。该文本屏无需提供24VDC电源，它可以直接由TwidoPLC的编程口取5VDC电源，用户所需要作的就是插上通信电缆即可。
1 引言
传统的供水系统采用节流阀控制水流量来满足现场的水量要求，这种方式容易造成管路压力波动过大，维护费用增高，十分浪费电能。以51单片机为CPU的智能型变频调速恒压供水控制器受到了人们的广泛关注，以单片机为CPU的恒压供水控制器的可靠性和抗干扰能力仍有待提高。现代自来水厂中先进仪表和设备的大量应用对其控制系统的稳定性和可靠性提出了越来越高的要求，大多数制水厂均采用集散控制系统方案来实现。特别是随着近年来半导体技术、网络技术、软件技术等高新技术的发展，使得PLC技术和现场总线技术都得到迅速提高，向着更开放化、标准化、集成化的方向发展[2][3]。本文采用RockwellAutomation的ControlLogix系列PLC、SLC系列PLC、变频器及相应软件设计了一个恒压供水模型监控系统。文中详细介绍了系统架构、设计思路及PID闭环控制，并用软件给出了优PID整定参数。
2 系统组成及控制原理
恒压供水模型监控系统组成如图1所示。
图1 系统框图
所谓恒压供水，就是采用电机调速装置控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网压力变化时达到稳定供水压力和节能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统任意设定供水压力值，与总管反馈的实际压力，进行PID调节后控制调速装置，以调节水泵机组的运行速度，从而调节系统的供水压力，即所谓的“变量恒压”概念。恒压供水技术采用的调速装置，基本上都是变频调速器。用变频器控制水泵向管路供水，由水压传感器反馈信号与水压设定值在变频器中构成闭环，以保水泵供水压力恒定，是目前好的方法。
系统采用两台160SSC变频器分别控制两台电动机，以供水管的压力作为反馈信号，根据压力值进行PID调节及闭环控制(见图2)，实现恒压供水。具体过程如下:压力传感器将水的压力信号转换为4～20mA的电流信号，SLC5/05的模拟量输入模块获得这个电流信号后，将其转换为数字量交给处理器，由处理器交给PID程序处理。程序将PID调节的输出通过DeviceNet传给160SSC的控制端口，改变变频器的输出，从而改变电机转速。此时水循环回路中的水压随之发生变化，压力传感器采集到这些变化，交给处理器，由此实现闭环控制，使水压稳定在设定值附近，实现恒压供水。
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图2 闭环控制系统框图
系统通过EtherNet、DeviceNet及RS232连接计算机、ControlLogix5550、SLC5/05、160SSC变频器等设备，运用RSLinx、RSNetWorxforDeviceNet及RSView32等软件组态系统人机界面，实现远程监控。系统以压力传感器测量水压，将测量值反馈给SLC5/05模拟量输入模块，在两个水箱中各有一个浮球继电器，用于判断水位是否高出预设位置，并由此建立系统报警记录。
3 系统硬件设计
系统硬件主要包括:ControlLogix5550、SLC5/05、DeviceNet、160SSC等。系统原理如图1所示。
PC1通过EtherNet访问到ControlLogix5550(由其1756ENET/A模块接入EtherNet)，通过其1756DNB/A扫描模块接入DeviceNet，进而访问SLC5/05，实现远程监控;PC2通过设备网RS-232-C个人计算机接口1770KFD直接接入DeviceNet，实现就地控制。
3.1 ControlLogix5550控制器
ControlLogix是A-B公司新一代PLC产品，其强大的网络组态功能为EtherNet/DeviceNet/DH+/RemoteI/O/DF1等多种网络的互连提供了极大的方便，它把这些网络的扫描模块集中到同一架构的不同插槽上，由一台控制器来统一管理，不同网络中的节点地址由不同网络的扫描模块决定。
系统中CotrolLogix用作网关。ControlLogix的1756DNB/A模块和SLC5/05的1747SDN模块是不同控制器对应的设备网扫描模块，它们工作原理近似。它们通过网络与DeviceNet的现场设备进行通信，即从设备读入数据、输出数据到设备、下载组态数据和监视设备运行状态等。
现以1756DNB/A模块为例介绍它们的工作原理:工作时，1756DNB/A以一定的方式依次扫描各个设备，对其参数进行采样，并将采集到的数据映射到扫描器中与扫描方式相对应的数据缓冲区，再转换成ControlLogix能接受的数据格式供控制器读取，这样就可以将现场总线中各设备的实时信息反馈到控制器，以便根据程序做出相应的反应。数据经ControlLogix处理之后，送到扫描器的与扫描方式相对应的输出数据缓冲区，转换为各设备可以接受的数据格式，输出到各设备，从而对其工作进行控制。控制器只需要读入、输出规定格式的数据，专门负责数据处理;而数据的采集、发送、缓冲和格式转换则交给扫描器来负责。ControlLogix和扫描器1756DNB/A并行工作也使得控制器的输出对输入的响应时间缩短，有利于实现实时闭环控制。这样即便是像PID指令这种对实时性要求较高的操作也可以收到良好的效果[7]。
3.2 SLC5/05控制器
SLC5/05是A-B公司的小型PLC产品，模块式硬件结构使得用户在组态系统时具有更高的灵活性，它本身具有更强的数据处理能力和更多的I/O容量，提供丰富的网络接口。
SLC5/05的设备网扫描模块1747SDN工作原理与ControlLogix的1756DNB/A模块类似，这里不再赘述。本系统中利用DI输入模块1746IB16，将两个浮球的状态位分别返回到数字量输入模块中。模拟量输入模块1746NIO4V有2点输入和2点输出输入可以是电压信号(±10V)也可以是电流信号(±20mA)，可通过模块上的DIP开关选择，本系统中采用的是电流信号。
3.3 160SSC变频器
变频控制的基本原理是根据电机转速与输入频率的关系特性，通过改变供给电机三相电源的频率值来达到改变电机转速的目的。变频控制器为变频调速系统的核心部件。
本系统采用A-B公司的Bulletin 160SSC变频器，其性能可靠，组态灵活，使用时需要正确配置控制字。
3.4 DeviceNet总线
DeviceNet是A-B公司自动化技术研究发展起来的一种基于CAN技术的开放型、低成本、高性能的通信网络，目前已成为底层现场总线标准之一。DeviceNet现场总线体系属于设备级的总线协议，在协议的分层结构中，它只包括ISO开放系统七层模型结构中的三层，即物理层、数据链路层和应用层。
DeviceNet为简单设备网络提供了一个高性能价格比的解决方案。它们从各种销售商的智能传感器/调节装置中获取数据;提供主控/从属和对等通信能力。设备网以控制器局域网络技术为基础，定义了一个介质访问控制方法(MAC)以及物理信号，还提供了冗余循环检验(CRC)、错帧检验、几种其它错误检查方法和保护机制。
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DeviceNet是基于生产者/客户端的网络模式。
4 系统软件设计
系统软件设计主要包括两个方面:一是基于SLC5/05实现的闭环控制程序;二是由RSView32组态实现的监控程序。
在进行系统组态、编程及调试过程中，主要用到的软件有RSLinx、RSLogix500、RSTune、RSNetWorxfor DeviceNet及RSView32等，都是A-B公司的软件产品。
4.1 系统控制流程图
基于SLC5/05实现的闭环控制程序主要有三大模块组成:一是初始化，包括将两台电机转速值赋0，预设PID指令偏移量，RSView监控界面按钮初始化等;二是供水调度控制模块，除了可以在监控界面中人为控制电机起停外，浮球中的继电器返回值也可以控制电机停止及报警信息，程序中还利用两个固定间隔时间内计数的计数器来模拟水位值以便在监控界面中模拟显示当前水位的高低;三是压力控制模块，采用PID指令，利用RSTune在线整定实现闭环控制，实际控制中发现打开一个出水阀和打开两个或三个出水阀各有一组优整定参数，程序中采用两组PID控制指令。系统控制流程如图3所示。
图3 系统控制流程图
4.2 系统监控
系统采用A-B公司的RSView32组态包实现系统监控。RSView32是一种易用的，可集成的，基于组件的人机界面系统，它提供了建立一个有效的监视以及管理系统所需的全套工具。
在利用RSView32组态实现系统监控时，要进行通道和节点的配置;是创建标签，只有通过标签才能将设备中的信号和RSView32可视界面中的参数连接起来，真正达到对程序过程进行可视化监控的目的;后是对界面创建、编辑及对事件的处理。
系统监控界面示意图及状态趋势图如图4所示。
图4 恒压供水模型监控系统示意图及状态趋势图
5 系统调试及PID参数整定
如上所述，系统采用PID指令及RSTune软件结合RSLogix500控制程序在线整定优化PID参数，RSTune是A-B公司的一个回路整定软件，可以方便、迅速、准确地整定PID控制回路，而不必额外的程序代码。使用RSTune软件整定参数时，需要配合RSLinx以及RSLogix的控制程序。
本项目采用的PID算法为具有相关增益的标准方程: [1]。式中:Output为控制输出;Kc为比例增益;1/Ti为复位增益(重复次数/分钟);Td为比率增益(分钟);E为偏差(压力设定值与当前值之差);PV为过程变量(已定标);Bias为输出补偿或前馈(0～4095)。
PID指令的输出是由比例、积分、微分三部分参数组成的。系统中采用凑试法对PID参数进行整定，基于的原则是:增大比例系数将加快系统响应，过大的比例系数会使系统超调，产生振荡;增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但系统静差的消除也随之减慢;增大微分时间有利于加快响应，使超调量减小，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力随之减弱。
调试及整定结果表明:打开一个出水阀和打开两个或三个出水阀时各有一组优PID参数，分别为Bias=620、Kc=0.2、Ti=0.1、Td=0.02及Bias=1000、Kc=0.4、Ti=0.1、Td=0.02。压力控制指标:打开一个阀时压力值3400±20，打开两个或三个阀时压力值3400±30，误差在允许的范围内。
整定过程中压力曲线及电机转速曲线如图5所示。
图5 整定过程中的压力曲线有电机转速曲线
图5(a)表示打开一个出水阀Bias=620、Kc=0.2、Ti=0.1、Td=0.02时的压力曲线及电机转速曲线，图5(b)表示打开两个或三个出水阀而Bias=620、Kc=0.2、Ti=0.1、Td=0.02时的压力曲线及电机转速曲线;图5(c)表示打开两个或三个出水阀Bias=1000、Kc=0.4、Ti=0.1、Td=0.02时的压力曲线及电机转速曲线。
图中上面曲线表示压力曲线，下面曲线表示电机转速曲线。
6 结束语
采用A-B公司的ControlLogix、SLC、变频器、DeviceNet等软硬件搭建了恒压供水模型的监控系统，实现了远程监控与就地监控相结合，并通过编程组态实现了闭环控制，获得了满足要求的控制参数。系统具有良好的可扩展性、可维护性及一定的稳定性。
由于种种原因，系统中未考虑到CPU热备冗余(或总线冗余)问题，使系统的安全稳定性受到一定的影响[4];采用凑试法的PID整定方法简单实用，但周期较长，已有文献提出并应用模糊控制原理进行PID控制[5]
1 引 言
在工业过程控制中，PID控制适合于可建立数学模型的确定性控制系统。但在实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定的系统，使PID控制器的参数整定烦琐且控制效果也不理想。近年来，随着智能控制技术的发展，出现了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制对象的jingque数学模型，而是根据控制规则决定控制量的大小。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果。PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力强，并可将模糊控制器方便地用软件实现。用PLC构成模糊控制器用于油田的污水处理是一种新的尝试，不仅使控制系统更加可靠，取得了较好的控制效果。
2 污水处理工艺简介
目前我国许多油田处于二次采油期，即注水开采期，所采的油中含有大量
的污水。油田污水处理的目的是将处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力，防止注入水和返回水腐蚀注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地层结垢。其处理方法是使用A、B、C三种药剂，其中A剂为pH值调整剂，B剂为沉降剂，C剂为阻垢剂。其工艺流程方案如图2—1所示。根据工艺要求，关键是在混合罐中对污水添加A剂提高污水的pH值（即控制pH2）以减少腐蚀。添加B剂可加速污水中絮状物的沉淀。添加C剂可减缓污水在注水管和油管中的结垢。该系统属非线性、大滞后系统，其对象的jingque数学模型难以获得，采用PID反馈控制效果不是很理想，且采油联合站都位于偏僻的地方，环境恶劣。该污水处理系统采用了基于PLC的模糊控制来提高系统的控制精度和可靠性，从而满足工艺要求。
3 模糊控制原理
控制系统采用“双入单出”的模糊控制器[1]。输入量为pH值给定值与测量值
的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压u。
图3—1为模糊控制系统的方框图［2］。控制过程为控制器定时采样pH值和pH值变化率与给定值比较，得pH值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为PLC控制器的输入变量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使pH值保持稳定。
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3 模糊控制原理
控制系统采用“双入单出”的模糊控制器[1]。输入量为pH值给定值与测量值
的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压u。
图3—1为模糊控制系统的方框图［2］。控制过程为控制器定时采样pH值和pH值变化率与给定值比较，得pH值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为PLC控制器的输入变量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使pH值保持稳定。
－1），pH0表示期望值。将e、ec和u模糊化，根据pH值控制的经验可得出变量E、Ec和U的模糊化量化表。表3—1为变量E的赋值表。
3．2 模糊决策和模糊控制规则
污水处理过程中pH值的控制经验，得出控制规则，如表3—2所示。选
取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主。例如，当pH值低很多，且pH值有快速降低的趋势时，应加大药剂的投放量。可用模糊语句实现这条规则（IFE＝NB ANDEc＝NB THEN U＝PB）。当误差为负大且误差变化为正大或正中时，控制量不宜再增加，应取控制量的变化为0，以免出现超调。一共有56条规则。每条规则的关系Rk可表示为：
7）根据每条模糊语句决定的模糊关系Rk（k＝1，2，…，56），可得整个系统控制规则总的模糊关系R。
3．3 输出反模糊化
根据模糊规则表取定的每一条模糊条件语句都计算出相应的模糊控制量U，
由模糊推理合成规则，可得如下关系：
4 模糊控制算法的PLC实现
在控制系统中选用了OMRON公司的CQM1型PLC。将模糊化过程的量化因
子置入PLC的保持继电器中，利用A／D模块将输入量采集到PLC的DM区，经过限幅量化处理后，根据所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出值，由D／A模块输出对pH值进行控制。
4．1 模糊控制算法流程
（1）将输入偏差量化因子Ke、偏差变化率量化因子Kec和输出量化因子Ku
置入HR10～HR12中。
（2）采样计算e和ec，并置入DM0000和DM0001中。
（3）判断e和ec是否越限，如越限令其为上限或下限值。否则将输入量分
别量化为输入变量模糊论域中对应的元素E和Ec并置入DM0002和DM0003中。
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（4）查模糊控制量表，求得U。
（5）将U乘以量化因子Ku，得实际控制量u。
（6）输出控制量u。
（7）结束。
4．2 查表梯形图程序设计
在模糊控制算法中，模糊控制量表的查询是程序设计的关键。为了简化程
序设计，将输入模糊论域的元素［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］转化为［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，将模糊控制量表中U的控制结果按由上到下，由左到右的顺序依次置入DM0100～DM0268中。控制量的基址为100，其偏移地址为Ec×13＋E，由E和Ec可得控制量的地址为100＋Ec×13＋E。梯形图程序如图4—1所示。其中DM0002和DM0003分别为E和Ec在模糊论域中所对应的元素，MOV＊DM0031DM1000是间接寻址指令。它将DM0031的内容（即控制量地址100＋Ec×13＋E）作为被传递单元的地址，将这个地址指定单元的内容（即控制量U），传递给中间单元DM1000再通过解模糊运算得u，由模拟输出通道传送给D／A转换器。
5 结论
将模糊控制与PLC相结合，利用PLC实现模糊控制，既保留了PLC控制系统可
靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。结果表明，对于那些大滞后、非线性、数学模型难以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系统，基于PLC的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。只要选择适当的采样周期和量化因子，可使系统获得较好的性能指标，从而满足控制性能要求。