畢業(yè)設計 -基于西門子s7300plc的連鑄機結晶器熔鋼液面控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　2014屆畢業(yè)論文</b></p><p>　　基于西門子S7300PLC的連鑄機結晶器熔鋼液面控制系統(tǒng)</p><p>　　系 、 部： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： 職稱 </p>

2、;<p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成時間： 2014年5月10號 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在現(xiàn)代的連鑄生產中，結晶器內的鋼水

3、液面扮演著至關重要的角色。鋼水經過精煉完以后在結晶中第一次人為的大范圍的冷卻，結晶器銅管內外溫差相差有1000多度。結晶器中鋼水液面的高度直接影響拉坯的質量，液位的波動會造成皮下夾渣，坯殼凹陷等問題。這樣拉出來的鋼坯表面質量極差，這樣對軋鋼生產帶來極大的麻煩。特別是優(yōu)質鋼種的生產對液面穩(wěn)定要求更高，所以針對怎樣穩(wěn)定結晶器內的鋼水液面，設計了一套基于渦流傳感器的塞棒控制系統(tǒng)。</p><p>　　首先，從電磁感應原

4、理出發(fā)，結合鋼水的導磁特性建立了電路模型進行分析。對鋼水的液面高度進行了有效的采樣，將其高度轉換為電信號輸送給PLC。</p><p>　　其次，在PLC中對采集過來的電信號進行A/D轉換，對于得到的數(shù)字量信號進行PID調節(jié)，得到控制輸出量，然后將控制輸出量D/A轉換輸送給控制機構實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。特別指出的是在控制機構的時候，還運用了parker驅動器，PARKER驅動器是自身具有強大運算能力的變頻驅動設備。其中

5、有三環(huán)控制原理——電流環(huán)控制，速度環(huán)控制以及位置環(huán)控制。運用了次驅動器可以大大減小中央控制器的運算量，而且可以對電機的狀態(tài)實時進行采樣，可以有效的抑制干擾，從而達到更好的控制效果。</p><p>　　最后，為了方便集成管理運用了以太網的通訊方式，將PLC與工控機經行通訊。在人機界面上可以實時地讀取數(shù)據(jù)，方便操作人員的觀看和使用。在人機界面上可以觀察數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)的調節(jié)效果。</p><p&g

6、t;　　關鍵字：結晶器；渦流傳感器；PLC；PID調節(jié)；驅動器；以太網通訊</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In the modern casting production, the height of liquid steel surface in crystallizer plays a crucial role. The

7、 refined liquid steel through crystallizer is widespread cooled by human in first time. Copper pipe in crystallizer have more than 1,000 centigrade inside and outside temperature differences.The height of the liquid stee

8、l surface in crystallizer directly influences the quality of throwing, liquid level fluctuations can cause problems ，such as hypodermic solidified shell slag、 depression </p><p>　　Firstly, from electromagnet

9、ic induction principle, and combining the characteristics of magnetic steel established circuit model analysis. The liquid surface height of molten steel effectively sampling, its height converted to electrical signal tr

10、ansmission give PLC.</p><p>　　Secondly, for the collected PLC electrical signal to A/D conversion, to get the digital quantity signal PID adjustment, controlled output, and then will control output D/A trans

11、formation piped to control mechanism to system stable. Specifically is in control of the control mechanism, still used a parker drive, parker actuator is itself is powerful operation ability of variable frequency drive e

12、quipment. There are three-ring control principle -- current loop control, speed loop control and positi</p><p>　　Finally, in order to facilitate the integration management using ethernet communication way, w

13、ill the line PLC and industrial PC communications. In man-machine interface can real-time data read, convenient operation personnel's watch and use. In man-machine interface can be observed data, test system of regul

14、ation effect.</p><p>　　Keyword: crystallizer； eddy current transducer； PLC； PID adjustment； drives； Ethernet communication</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1連鑄生產工藝介紹1<

15、/p><p>　　1.1連鑄生產中結晶器介紹1</p><p>　　1.2連鑄生產結晶器液位控制2</p><p>　　1.3自動化液位控制重要性2</p><p>　　2鋼水液面控制系統(tǒng)的組成及其介紹3</p><p>　　2.1系統(tǒng)總體設計3</p><p>　　2.2中央

16、控制器設計4</p><p>　　2.3渦流傳感器4</p><p>　　2.4PARK驅動器6</p><p>　　2.5服電動缸以及塞棒機構11</p><p><b>　　3程序設計13</b></p><p>　　3.1程序總體設計13</p><

17、p>　　3.2輸入函數(shù)塊的設計14</p><p>　　3.3PID算法設計16</p><p>　　3.4控制器程序設計17</p><p>　　4系統(tǒng)網絡設計23</p><p>　　4.1OPC通訊的介紹23</p><p>　　4.2opc通訊設計24</p><

18、;p>　　4.3系統(tǒng)調試28</p><p><b>　　結束語31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　附 錄34</b></p

19、><p><b>　　連鑄生產工藝介紹</b></p><p>　　連鑄生產中結晶器介紹</p><p>　　現(xiàn)代連鑄生產工藝是各大冶煉企業(yè)所關注和研究的問題，在現(xiàn)代連鑄生產過程中運用了許多自動化生產設備。現(xiàn)代連鑄生產車間鋼水主要流程分為三個階段：大包—中包—結晶器，在到二次冷車間。其中現(xiàn)在在工廠中得到運用的設備主要有：</p>&l

20、t;p><b>　　[1]大包回轉臺</b></p><p>　　[2]大包鋼水重量自動稱重</p><p>　　[3]大包鋼水下渣自動檢測</p><p>　　[4]從大包到中間包長水口保護澆注</p><p>　　[510]大容量中間包</p><p>　　[6]中間包鋼水稱重</

21、p><p>　　[7]從中間包到結晶器采用浸入式水口保護澆注</p><p>　　[8]結晶器采用保護渣自動加入</p><p>　　[9]結晶器液面自動控制</p><p>　　[10]結晶器漏鋼預報</p><p>　　[11]多功能輥縫儀</p><p>　　[12]二次冷卻計算機和自動控制&

22、lt;/p><p>　　[13]連鑄坯質量在線自動判定系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)</p><p>　　[14]帶液芯鑄軋和輕壓下</p><p>　　[15]連鑄坯自動噴號系統(tǒng)</p><p>　　[17]連鑄坯硫印裝置</p><p>　　結晶器是鋼水從液態(tài)1500℃冷卻到固態(tài)900℃的位置，這是鋼水第一次人為冷卻的地方，從以上的說

23、明可以看出結晶器是連鑄生產工藝上的重要的一環(huán)。其結構圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 結晶器結構圖</p><p>　　連鑄生產結晶器液位控制</p><p>　　在生產過程中，為了保持鋼水結晶過程的穩(wěn)定以及提高鋼水結晶的質量，必須控制結晶器內鋼水液面的高度。鋼水液位的頻繁波動或者波動幅度過大也會造成卷入結晶器保護渣，在鑄坯表面形成皮下夾渣，影響鑄坯質量。

24、當皮下夾渣<2mm時鑄坯在加熱的過程中可消除影響；夾渣深度在2-5mm時，鑄坯必須進行表面清理。也就是說保證鋼水波動幅度小于某一值，皮下夾渣的問題可以消除。從多年的操作工經驗得知，鋼水液面波動控制在±10mm，可以消除皮下夾渣。</p><p>　　在舊連鑄生產工藝過程中，這一控制環(huán)節(jié)多是人工控制中包塞棒的開口度。這樣既不能保證生產人員的安全，又會影響到鋼坯質量，因為人工控制多數(shù)是憑借工人的經驗，

25、所以控制的效果不好。本論文提出自動跟蹤鋼水液面高度，實現(xiàn)自動控制塞棒位置，從而達到控制結晶器中鋼水液面的高度的效果。</p><p>　　自動化液位控制重要性</p><p>　　結晶器內液面的高低對于鋼坯的質量存在密切的聯(lián)系，不同的鋼種要求結晶器內液面的高度也不同。再者，為了保證生產安全鋼水必須保證不能溢出，鋼水液面必須低于結晶器口約為70-100mm。并且鋼水液面波動過大，會卷入結晶器

26、保護渣，在鑄坯表面形成皮下夾渣，影響鑄坯質量。一般液面波動范圍一般控制在±10mm。</p><p>　　對于靠操作工單純人為控制很難到達控制要求和精度，并且很容易造成生產事故。所以采用自動化液位控制既能減輕工人的工作量，也能很好地保證產品質量。</p><p>　　鋼水液面控制系統(tǒng)的組成及其介紹</p><p><b>　　系統(tǒng)總體設計<

27、/b></p><p>　　此系統(tǒng)的目的是不需人工參與,自動控制結晶器液面的高度。主要是采用控制系統(tǒng)中閉環(huán)控制的原理。閉環(huán)控制能有效的實現(xiàn)動態(tài)實時控制，抑制閉環(huán)內的干擾，閉環(huán)控制系統(tǒng)也便于在硬件上實現(xiàn)。其系統(tǒng)結構如表1所示。</p><p><b>　　表1 系統(tǒng)結構表</b></p><p>　　初步設計如同圖2所示，由傳感器定時采樣

28、，送給PLC，PLC通過處理控制驅動器控制電機然后控制塞棒到達控制液位的目的。系統(tǒng)原理是，渦流傳感器中的電磁信號在鋼液表面產生渦電流，其感應電流的大小隨鋼液表面到傳感器底部的距離而變化；最后輸出的電信號通過電纜傳送給系統(tǒng)PLC；系統(tǒng)PLC通過對各種信息進行綜合處理，作用于驅動器，控制數(shù)控電動缸，調節(jié)塞棒位置。</p><p><b>　　圖2 系統(tǒng)框圖</b></p><

29、;p>　　通過對塞棒開度的控制，來調節(jié)從中包注入結晶器內的鋼水流量，達到穩(wěn)定控制結晶器鋼水液面高度的目的，從而實現(xiàn)恒拉速恒液面自動澆鑄。同時通過工控機，發(fā)出各種報警信息，實現(xiàn)多功能人機對話，實時監(jiān)控液面。使液面穩(wěn)定，系統(tǒng)作業(yè)率提高到99%以上；±3mm以內的液面波動運行率達到95%以上，比原設計精度高，中包水口的液渣侵蝕帶縮短到12mm以內。 </p><p><b>　　中央控制器設計

30、</b></p><p>　　針對2.1節(jié)所介紹的系統(tǒng)設計要求，選擇了西門子公司S7-300系列的PLC作為中央控制器。S7-300是一種通用型PLC，能適合自動化工程中的各種應用場合，尤其是在生產制造中的應用。</p><p>　　S7-300是由各種模塊部件所組成，各模塊能以各種不同的方式組合在一起，這樣方便設計人員根據(jù)不同的系統(tǒng)設計出最完美的控制器。S7-300的指令集包

31、括350多條指令，模塊化的程序有便于程序員的編寫和閱讀。</p><p>　　在該系統(tǒng)中，其配置表如表2所示：其中CPU313-2DP是自帶16個數(shù)字輸入以及16個數(shù)字輸出的CPU，CP343-1是一種用于以太網通訊的模塊在第四章OPC通訊中將作詳細說明。SM331:AI8x12Bit，SM332:AO4x12Bit都為分辨率為0.1v的模擬量輸入，輸出模塊，它在系統(tǒng)中主要用作對外部模擬信號的處理和向驅動器提供控

32、制信號，其接口表如附錄中表4所示。</p><p><b>　　表2 電氣配置表</b></p><p><b>　　渦流傳感器</b></p><p>　　系統(tǒng)采用渦流傳感器進行檢測。渦流傳感器中的電磁信號在鋼水表面上產生渦電流，此渦電流在傳感器線圈中產生感應信號，其大小隨鋼水表面到傳感器的距離而變化，其原理圖如圖3所

33、示。一般來說，距離越大則感應電流越小，距離越小感應電流越大。傳感器的感應信號經電纜傳送給主機。傳感器信號由主機處理后給出液面高度值和各種報警信息。輸出單元將代表液面高度的電壓和電流模擬量送到儀器后面板插座的相應端子上，用于控制拉坯速度或塞棒位置，其設計時應達到的要求如下：</p><p>　　用于實時檢測結晶器內的鋼水液面，并實時輸出對應液面高度的模擬量。</p><p>　　信號傳輸距離

34、長（120m以內），不需另加放大器和冷卻器</p><p>　　采樣時間：0.1秒。</p><p>　　輸出標準的4~10v電壓信號。</p><p>　　任意設定結晶器工作液面(正常工作液面)。</p><p><b>　　高位液面報警。</b></p><p><b>　　低位液面

35、報警。</b></p><p>　　其中感應電流測量電路主要是通過勵磁端的阻抗變化，使電路性能發(fā)生改變從而達到測量的目的，其原理圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 渦流傳感器原理圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是正反饋電路如圖4所示，圖中為一固定的線圈繞阻抗，為傳感器線圈電渦流效應的等效阻抗，D為測量距離，放大器的反饋電路是由組成，當線圈與被

36、測體之間的距離發(fā)生變化時，變化，反饋放大電路的放大倍數(shù)發(fā)生變化，從而引起運算放大器輸出電壓變化，經檢波和放大后使得測量電路的輸出電壓變化。因此，可以通過輸出電壓的變化來檢測傳感器和被測體之間距離的變化。</p><p>　　圖4 反饋法測量電路原理圖</p><p><b>　　PARK驅動器</b></p><p>　　驅動器外部結構與系統(tǒng)

37、設計</p><p>　　PARK驅動器廣泛應用于工業(yè)伺服電機的控制，其外觀結構如圖5所示，PLC可以和其進行DP通訊，也可以直接硬線控制。本系統(tǒng)采取硬線鏈接的方式，有CPU的輸入輸出模塊給其Enable,模擬量控制信號。驅動器將伺服電機的位置信號通過編碼器反饋給PLC.其通訊地址表3所示。其中，+24VIN口是接+24電源，可以和PLC使用同一個電源模塊。0VA為位置反饋信號，它是由電機內部編碼器提供的

38、7;5v電源，也是通過硬線輸送到PLC模擬輸入口，其負極最好是接地，可以和驅動器電源共地。REF-和REF+口是PLC給出的位置信號輸入端，其也是通過硬線連接到PLC的模擬量輸出模塊上面，其負極最好和驅動器電源的負極并聯(lián)起來，這樣可以保證驅動器的正常工作。</p><p>　　表3 驅動器接口表</p><p>　　圖5 驅動器外觀圖</p><p><b

39、>　　驅動器三環(huán)控制原理</b></p><p>　　本驅動器采用電流、速度、位置三環(huán)控制，其中大量運用了PI算法，濾波電路等理論，以下將分別介紹這三個不同的控制環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　電流環(huán)</b></p><p>　　其原理圖如圖6所示，電流環(huán)在驅動器中也叫做電流調節(jié)器，它是根據(jù)伺服電機電樞中的電流作為輸入量來

40、調節(jié)電機狀態(tài)的。高性能AC伺服驅動器可以實現(xiàn)矢量控制或磁場定向控制。通常使用PWM逆變器作為電壓源。矢量控制的控制指令是定子電流指令，它們由以磁場為參照的兩個相互垂直的分量組成。AC電動機的電磁轉矩由電流與磁場相互作用產生。逆變器電壓源直接產生電流控制環(huán)要求的電壓。電流控制的性能直接影響伺服驅動系統(tǒng)的性能。</p><p>　　圖6 電流控制系統(tǒng)的信號流程圖</p><p>　　如圖6所

41、示，電流調節(jié)器的輸入是產生轉矩的電流指令Iq和建立磁場的電流指令Id。電流調節(jié)器的輸出饋給逆變器電壓源PWM調制器。DC母線電壓的在線測量是為了補償由DC母線電壓的波動引起的回路增益的變化。電流控制環(huán)是數(shù)字的，它以16kHz的頻率，刷新電流指令。對于兩個相互垂直的D-Q電流分量，使用兩個獨立的帶擴展的PI調節(jié)器。圖6給出了其中一個電流分量調節(jié)器的詳細控制結構。</p><p>　　圖7 帶擴展的PI電流調節(jié)器的

42、結構圖</p><p>　　如圖7所示，電流調節(jié)器是參照與磁場同步旋轉的D-Q控制。實際定子電流在以16kHz采樣后利用e-jδ坐標變換得到電流反饋信號iq、id。然后，三相正弦定子電流變換為與磁場同步旋轉，以D-Q坐標為參照的定子電流分量。</p><p>　　為了決定D-Q坐標所必須的磁場位置δ，可以用旋變或編碼器測量轉子磁場的位置。如使用旋變，通常用軟件實現(xiàn)R/D轉換。對感應電動機磁

43、場的位置用建立感應電動機模型的方法來估計。</p><p>　　兩個被轉換的定子電流分量iq、id用來做電流調節(jié)器的反饋信號，兩個電流調節(jié)器的指令來自驅動系統(tǒng)的外環(huán)。轉矩電流指令Iq來自速度調節(jié)器，如果驅動器作為轉矩環(huán)運行（OPMODE2、3）直接來自用戶轉矩指令（數(shù)字指令或模擬量輸入）。D分量電流指令Id可以是磁場調節(jié)器的輸出，對永磁同步電動機可以是用轉矩角提前技術產生的信號。</p><p

44、><b>　　速度環(huán)</b></p><p>　　速度環(huán)主要是利用電機的轉速來調節(jié)電機，一般是作為最外環(huán)使用。電流環(huán)嵌套在內部如圖8所示速度反饋信號來自被測量的位置信號進行計算。通常，用于運動控制的伺服驅動器具有位置傳感器。該位置傳感器，或是編碼器或是與RDC連接的旋變。在兩種情況下，伺服控制器根據(jù)指定的分辨率知道電動機軸位置。速度的簡單求導算法以較低的分辨率估計計算結果。來自速度估計

45、的噪音通過伺服環(huán)的傳播并與可聞噪音一起在電動機中引起額外的電流脈動。分辨率噪音可以用增加濾波來減少。但是，它以增加能引起超調和不穩(wěn)定的相位滯后為代價。另一個降低量化噪音的最簡單的方法是使用帶高分辨率的反饋裝置，如圖9所示，這樣觀察到的位置信號比較純凈，可以很好的減少干擾?？梢酝ㄟ^仿真得到如圖10所示，在自動調諧速度調節(jié)器之后可以看到所得到的最佳性能。所得到的閉環(huán)性能可以檢查如下：閉環(huán)控制參數(shù)：ωr(帶寬)：ωr=205(Hz)，相位延遲

46、-91.7°Pm(凸峰)：Pm<0.5dB,頻率范圍<200Hz</p><p>　　圖8 具有電流和速度控制環(huán)的基本控制結構圖</p><p>　　圖9 速度觀測器的方框圖</p><p>　　圖10 速度控制環(huán)的波德圖</p><p><b>　　位置環(huán)</b></p>&l

47、t;p>　　高性能伺服驅動的特點是用反饋環(huán)精確地跟蹤目標位置、目標速度或目標轉矩進行控制。在工廠自動化（FA）中，數(shù)字控制（NC）機械，工業(yè)機器人等，是以高速從一個位置到另一個位置循環(huán)運動的最普遍的應用。有兩種定位控制，一種是PTP（點到點的控制），另一種是CPC（連續(xù)軌跡控制）。在兩種情況下，必須考慮精度和響應時間。對高分辨率的定位控制，傳感器的選擇是獲得高定位精度的最重要的因素。另外，伺服環(huán)的控制速度和控制增益也起著很重要的作

48、用。因此，對高精度定位控制，速度和位置控制應與位置反饋一起考慮。</p><p>　　位置控制通常利用典型的串級控制結構，最里面的控制環(huán)是電流控制環(huán)和速度控制環(huán)，位置控制是最外面的控制環(huán)。串級控制需要相應的反饋信號（例如，位置和速度反饋信號），可以直接或間接測量。同樣，串級控制結構只能工作在控制環(huán)的帶寬增加到接近內環(huán)的帶寬。通常，電流調節(jié)器提供高帶寬的電流控制。伺服放大器應考慮為對位置控制和速度控制提供可控制的電

49、流源。圖11示出了電動機與負載之間的常規(guī)連接。負載與電動機通過具有柔性，有時具有間隙的傳動裝置進行連接。由于負載傳感器不能立即對電動機位置的變化起作用，電動機的轉動與負載移動之間存在時間延遲，使負載反饋信號與快速閉環(huán)控制相比太慢。因此，對較高定位精度和較高動態(tài)性能的位置控制通常要求雙反饋，如圖11所示。</p><p>　　圖11 雙反饋系統(tǒng)中電動機與負載的連接圖</p><p>　　對

50、用于高精度和高性能的位置控制，使用電動機反饋和外部反饋的雙反饋系統(tǒng)。當對高動態(tài)性能的速度控制環(huán)用電動機反饋時，用外部編碼器的位置控制很容易得到較高的輪廓精度。對雙位置反饋系統(tǒng)，使用帶P位置調節(jié)器和PI速度調節(jié)器的控制結構，如圖12所示。</p><p>　　為了減少或消除動態(tài)過程中的位置跟蹤誤差，速度前饋被利用。速度前饋控制改善了系統(tǒng)的響應而不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在沒有速度前饋控制的串級控制器中，由位置誤差產生速度

51、指令進入速度環(huán)，尤其是在高速時將產生較大的位置誤差。速度前饋用直接從位置指令產生的輪廓速度的一部分，使由位置誤差產生的速度指令部分被減小。速度前饋由位置指令的一階導數(shù)提供，在這被命名為輪廓速度指令。</p><p>　　圖12 串級位置控制結構圖</p><p>　　服電動缸以及塞棒機構</p><p><b>　　塞棒結構</b></

52、p><p>　　塞棒是位于中包中控制下水口開度的機構，也是系統(tǒng)最終的執(zhí)行機構，下水量的多少直接影響了結晶器內的鋼水液面高度，其機械結構如圖13所示。在本系統(tǒng)中，主要將其以完全關閉時的位置為0點，在+120mm范圍內變化。</p><p>　　圖13 塞棒機構原理圖</p><p><b>　　伺服電動機</b></p><p&

53、gt;　　伺服電機是現(xiàn)代控制中常用到的一種控制電機，其控制方式簡單且控制精度高，其結構圖如圖14所示。本系統(tǒng)中用到的是交流私服電機，其控制方式有三種：雙向控制，幅值控制，相位控制。本文中主要是運用幅值控制，驅動器通過PWM調節(jié)改變控制端的電壓從而到達電機位置控制的目的。也就是說，PLC每給一個范圍為±10V的電壓，電機相對零點位置正傳或反轉多少圈。使用的PLC輸出±10V的電壓來對應驅動器內的脈沖數(shù)是-49152~+

54、49151（不能直接對應此值，需要通過在驅動器內部編一行程序），而驅動器對電機反饋的分辨率是4096個脈沖一圈，所以±10V對應的電動缸行程±60mm。由于不可避免的干擾問題，在驅動器調試軟件上監(jiān)視到的計數(shù)在45個以內跳變，可以使得電動缸在0.05mm內抖動。</p><p>　　但是實際觀測電動缸，感覺不出有任何運動。可能是由于聯(lián)軸器或者是絲杠的間隙引起。</p><p&

55、gt;　　由于驅動器調試軟件不能顯示位置值，需要查看位置跟蹤的話需要第三方軟件。給定10V的電壓，即電動缸伸出60mm時調試軟件采集到的速度和電流曲線，以及由PLC的位置輸出和采集到的驅動器位置反饋在第三方軟件上的顯示如圖27。圖中正弦曲線速度曲線，上下波動變化的為電流曲線。電流峰值在額定的5%，速度峰值在1000轉。結合速度曲線來看反饋的位置不穩(wěn)定應該是由軟件采樣的原因造成，這個過程大概用了1300ms，詳細調試過程見4.3節(jié)。<

56、;/p><p>　　圖14 伺服電機原理圖</p><p><b>　　程序設計</b></p><p><b>　　程序總體設計</b></p><p>　　根據(jù)前兩章基本原理的論述，我們可以根據(jù)外部接口表如附錄表4所示，可以來設計PLC程序。首先，根據(jù)表2中所選用的PLC模塊的型號來組織PLC的硬

57、件組態(tài)，本文設計的系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖15所示。在這個過程中，必須保證所用的模塊與硬件組態(tài)中的型號一致，也就是Order number 對話框中的型號要與實際模塊背板上的型號一致。如有不一致的地方，在程序下載的過程中PLC將報錯，程序將無法運行。</p><p>　　圖15 PLC硬件組態(tài)示意圖</p><p>　　在組織硬件組態(tài)的時候需要指出的是，在兩個address欄目中設置地址時必須和

58、程序中用到得是一致的，所以在PLC編程的過程中最好首先組織好硬件組態(tài)，再進行編程。在編程的過程中嚴格按照自己所分配的至資源經行編程，程序中不能使用組態(tài)中未出現(xiàn)的地址。</p><p>　　完成組態(tài)后就可以設計自己的程序了，一般一個PLC系統(tǒng)的程序主要分為三大塊：輸入，處理和輸出。為了程序的標準化，最好把所有輸入的點都用狀態(tài)寄存器M來存儲，因為這樣既方便了程序員理清設計思路，又可以方便測試程序。最重要的一點，在類似

59、的程序中調用的時候只要改變外部使用資源和有規(guī)律地改變M寄存器就可以實現(xiàn)擴展了。本文所使用到的M寄存器如圖16所示，本文程序中用到了從MB11到MB22這些點，具體的用法可以見程序，在此不一一指出。值得說明的是如果以后程序人員需要擴展程序的時候，在改變M點的時候只需要將其MB的地址加3就行了，例如，MB11中的M11.1就可以變成M41.1這樣就可完全復用之前所設計好的程序。</p><p>　　在此系統(tǒng)中，主要的

60、程序塊有：FC12，F(xiàn)C13，F(xiàn)C14，F(xiàn)C15，F(xiàn)C16，F(xiàn)C17,FC18，F(xiàn)C19，F(xiàn)C22。其中，F(xiàn)C12，F(xiàn)C13為輸入部分模塊，F(xiàn)C14到FC18為處理模塊，F(xiàn)C19以及FC22為輸出模塊。其都為控制一個流的程序，將其封裝在FC11中，如圖17所示，對于這些程序塊將在下幾小節(jié)著重介紹其中幾個。</p><p>　　圖16 M寄存器使用情況圖</p><p>　　圖17 程序

61、概要圖</p><p><b>　　輸入函數(shù)塊的設計</b></p><p>　　輸入處理函數(shù)一般是PLC整個程序塊的第一個程序塊，它主要將外部數(shù)字量輸入點轉換成程序員自己規(guī)定的M點內，將外部的模擬量輸入點存儲在程序員設定的DB塊中。例如圖18中，將I0.0點的輸入量存儲在M11.0中。在圖19中，將拉速采樣信號存儲在DB11.DBD4中。</p>&l

62、t;p>　　FC131為輸入函數(shù)公共塊。在設計函數(shù)的時候，為了方便擴展可以將每一流的程序相同功能的語句做成FC塊，只要改變其外部變量就行了，也就是如同我們熟悉的C語言中的函數(shù)一樣。與其不同的是，PLC的FC塊中所有變量都是正對輸入輸出，在函數(shù)內部定義了一個輸入或者是輸出變量必須有一個接口對應，程序員也必須使用它如有變量定義了為使用，也就是程序塊出現(xiàn)未使用的引腳，編譯時就會出現(xiàn)錯誤。所以，在設計程序的時候不能隨便定義變量，有作用再定

63、義，這不像C那樣的自由。</p><p>　　在公共函數(shù)塊中變量一般有輸入型、輸出型、輸入輸出型和中間變量。如圖20所示，在Name欄中書寫變量的名稱，Data Type中為變量的類型，commont中可以書寫中文注釋，方便其他程序員閱讀和調試程序。</p><p>　　圖18 輸入程序塊圖</p><p>　　圖19 拉速采樣程序圖</p>&l

64、t;p>　　圖20 FC131輸入變量的定義</p><p><b>　　PID算法設計</b></p><p><b>　　增量式PID設計</b></p><p>　　在許多情況下，執(zhí)行機構有累加或記憶功能，如圖13所提到的私服電動缸。此時只要控制器給出一個增量信號，即可使執(zhí)行機構在原來的位置上前進或后退一步，

65、到達新的位置，即只要控制器給出如下的增量,如式（1）。</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　又由基本控制學理論，如式（2）</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　將式（2）代入式（1）得式（3）</p><p><b

66、>　?。?）</b></p><p>　　結合本系統(tǒng)的情況可以將系統(tǒng)更加細化，便于PLC的編程與調試。其增量控制算式的方法如下：</p><p>　　液位波動正負2mm之內, > 17mm，如式（4）</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　液位波動正負2mm~6mm之內，

67、如式（5）</p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　液位波動正負6mm之外，<17mm，如式（6）</p><p><b>　　（6）</b></p><p><b>　　即：</b></p><p>　　Kp=0.1*A；

68、比例系數(shù)</p><p><b>　?。悍e分系數(shù)</b></p><p><b>　　Kd=0：微分系數(shù)</b></p><p>　　E ： 液位偏差，即設定液位與實際液位之差</p><p>　　E1： 前次液位偏差</p><p>　　這樣細化以后只要調節(jié)A,B,M,

69、N幾個系數(shù)就可以做到不同區(qū)域的PI調節(jié)的過程。DT調節(jié)由于不好控制，而且本身系統(tǒng)的滯后并不大，所以一般不用，在實際生產中用到的也非常小。</p><p>　　PID帶死區(qū)輸出設計</p><p>　　帶死區(qū)的PID控制算法</p><p><b>　　① 控制算式：</b></p><p>　　當∣E∣<=e0,

70、△U =0；當∣E∣>e0時，如式（7）。</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　② 優(yōu)點：</b></p><p>　　帶死區(qū)的PID控制，可消除由于頻繁動作所引起的振蕩，現(xiàn)程序中e0固定為0.5；e0可設置為一可調參數(shù)，可根據(jù)實際情況進行調整，若值太小，使控制動作過于頻繁，穩(wěn)定性

71、下降；若值太大，則系統(tǒng)將產生較大的滯后；</p><p>　　帶積分分離的PID控制算法</p><p>　?、倏刂扑闶剑喝缡剑?）</p><p>　　(0≤β≤1) （8）</p><p>　?、趦?yōu)點：根據(jù)實際情況，不同的偏差范圍，設置不同的β系數(shù)，當偏差較大時，β設置往0接近，抑制積分項，可避免過大的超調，使系統(tǒng)

72、有較快的響應；當偏差較小時，β設置往1接近，加大積分作用，保證系統(tǒng)的控制精度；</p><p><b>　　PID消弱積分設計</b></p><p>　?、?控制算式：如式（9）。</p><p>　　( 0≤β≤1) （9）</p><p><b>　?、?優(yōu)點：</b>&

73、lt;/p><p>　　根據(jù)實際情況，不同的偏差范圍，設置不同的β系數(shù)，當偏差較大時，β設置往0接近，抑制積分項，可避免過大的超調，使系統(tǒng)有較快的響應；當偏差較小時，β設置往1接近，加大積分作用，保證系統(tǒng)的控制精度。</p><p><b>　　控制器程序設計</b></p><p>　　根據(jù)表2.2和系統(tǒng)的功能說明，可以設計出PLC模塊的接口表如

74、附錄中表3.2所示。根據(jù)設計要求系統(tǒng)可分為點動，手動，自動三個檔位，可以供操作員工使用。程序中FC12為輸入處理函數(shù)，它可以對數(shù)字量輸入模塊的輸入數(shù)據(jù)進行處理，轉換為PLC內部寄存器的變量，這些變量對于輸出進行控制。對于PIW416的0-10v的信號處理在FC14當中，F(xiàn)C14主要將模擬量信號經過采樣量化得到實數(shù)型的數(shù)字量格式，這數(shù)據(jù)存儲到PLC數(shù)據(jù)塊中，供PLC和界面使用。其中采樣量化程序為FC105.,采樣周期為100ms。得到液位

75、信號后，經過3.1節(jié)所述的PID算法的調節(jié)得到塞棒控制信號，通過POW468以±10v的電壓信號輸出給驅動器。對于D/A轉換程序為FC106，這兩個程序的代碼如附錄中程序，PID算法程序如下所示：</p><p>　　FUNCTION "Comm_PID" : VOID</p><p><b>　　TITLE =</b></p>

76、;<p>　　VERSION : 0.1</p><p><b>　　VAR_INPUT</b></p><p>　　in_Auto : BOOL ;</p><p>　　in_I_Sel : BOOL ;</p><p>　　in_D_Sel : BOOL ;</p><p>

77、;　　in_Lv : REAL ;</p><p>　　in_SetLv : REAL ;</p><p>　　in_Kp : REAL ;</p><p>　　in_Ti : REAL ;</p><p>　　in_Td : REAL ;</p><p>　　in_T : REAL ;</p>

78、<p>　　in_DeadBand : REAL ;</p><p>　　in_MinSP : REAL ;</p><p>　　in_MaxSP : REAL ;</p><p>　　in_pLv : REAL ;</p><p>　　in_ppLv : REAL ;</p><p>　　in

79、_spi : REAL ;</p><p>　　in_spd : REAL ;</p><p>　　END_VAR//結束對于程序塊外部封裝口得定義。</p><p>　　VAR_OUTPUT</p><p>　　out_PidVal : REAL ;//最終輸出值的定義。</p><p><b&g

80、t;　　END_VAR</b></p><p>　　VAR_IN_OUT</p><p>　　Ti : REAL ;//時間常數(shù)的定義。</p><p><b>　　END_VAR</b></p><p><b>　　VAR_TEMP</b></p><p>

81、;　　Error : REAL ;//偏差。</p><p>　　PreErr : REAL ;//前次偏差</p><p>　　PPreErr : REAL ;//前前次偏差</p><p>　　P_Part : REAL ;//比例系數(shù)</p><p>　　I_Part : REAL ;//積分系數(shù)</p>&l

82、t;p>　　D_Part : REAL ;//微分系數(shù)</p><p>　　Error1 : REAL ;//偏差絕對值</p><p>　　PreErr1 : REAL ;//前次偏差絕對值</p><p>　　in_Kp_temp : REAL ;</p><p>　　in_Ti_temp : REAL ;</p&g

83、t;<p><b>　　END_VAR</b></p><p><b>　　BEGIN</b></p><p><b>　　NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =</b></p><p>　　//calculati

84、on : Error</p><p>　　L #in_SetLv; </p><p>　　L #in_Lv; </p><p>　　-R ; //實際液位-設定液位</p><p>　　T #Error; //偏差</p><p><b>　　ABS ; </

85、b></p><p>　　T #Error1; //偏差絕對值</p><p><b>　　NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =</b></p><p>　　L #in_SetLv; </p><p>　　L #i

86、n_pLv; //前一次液位</p><p>　　-R ; //前次液位-設定液位</p><p>　　T #PreErr; //前次偏差</p><p><b>　　ABS ; </b></p><p>　　T #PreErr1; //前次偏差絕對值</p><

87、p>　　L #in_SetLv; </p><p>　　L #in_ppLv; </p><p><b>　　-R ; </b></p><p>　　T #PPreErr; //前前次偏差</p><p><b>　　NETWORK</b></p>

88、<p><b>　　TITLE =</b></p><p>　　//次環(huán)節(jié)主要是對于帶死區(qū)積分算法的實現(xiàn)。</p><p><b>　　A( ; </b></p><p>　　L #Error; </p><p>　　L #in_DeadBand; </p&g

89、t;<p>　　NEGR ; //取反</p><p>　　>R ; //液位差>死區(qū)</p><p><b>　　) ; </b></p><p><b>　　A( ; </b></p><p>　　L #Error; </

90、p><p>　　L #in_DeadBand; </p><p><b>　　<R ; </b></p><p>　　) ; //如果偏差在死區(qū)范圍內，ORL中的值為1.</p><p>　　JCN J01; //上不成立跳到J01，成立順序執(zhí)行</p><p

91、>　　L 0.000000e+000; //成立表示在死區(qū)里面，輸出值為0.</p><p>　　T #out_PidVal; </p><p>　　JU XO; </p><p><b>　　NETWORK</b></p><p>　　TITLE =//calculation :

92、 P I D value</p><p>　　X01: NOP 0; </p><p>　　L #Error; </p><p>　　L #PreErr; </p><p><b>　　-R ; </b></p><p>　　L #in_Kp_temp; <

93、;/p><p><b>　　*R ; </b></p><p>　　T #P_Part; //P=KP *( Error - PreErr)</p><p>　　L #Error; </p><p>　　L #in_T; </p><p><b>　　*R

94、 ; </b></p><p>　　L #Ti; </p><p><b>　　/R ; </b></p><p>　　L #in_Kp_temp; </p><p><b>　　*R ; </b></p><p>　　T

95、#I_Part; //I=KP * Error *T/TI</p><p>　　L 2.000000e+000; </p><p>　　L #PreErr; </p><p><b>　　*R ; </b></p><p>　　L #Error; </p><p>

96、;<b>　　TAK ; </b></p><p>　　-R ; //#Error- #PreErr*2</p><p>　　L //#PPreErr; </p><p>　　+R ;//#Error- #PreErr*2+ #PPreErr</p><p>　　L

97、 #in_Td; </p><p>　　*R ;//(#Error-#PreErr*2+ #PPreErr )*Td</p><p>　　L #in_T; </p><p>　　/R ;//(#Error- #PreErr*2+ #PPreErr )*Td/T</p><p>　　L #

98、in_Kp_temp;//kp*(#Error-#PreErr*2+#PPreErr )*Td/T</p><p><b>　　*R ; </b></p><p>　　T #D_Part;//微分算法輸出值。</p><p><b>　　NETWORK</b></p><p>

99、<b>　　TITLE =</b></p><p>　　AN #in_I_Sel;//用in_I_Sel限制微分輸出。</p><p>　　JC D01; // in_I_Sel=0，微分環(huán)節(jié)不輸出。</p><p>　　L 0.000000e+000; //滿足積分等于0</p><p>

100、　　T #I_Part; </p><p>　　D01: A #in_D_Sel; </p><p>　　JC D03; </p><p>　　L 0.000000e+000; //滿足微分等于0</p><p>　　T #D_Part; </p><p><b>　　

101、NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =</b></p><p>　　//收斂時，如果偏差大于5，減弱比例項的作用，加快收斂速度</p><p>　　D03: L #Error1; </p><p>　　L 5.000000e+000; </p>&l

102、t;p><b>　　<R ; </b></p><p>　　JC D02; </p><p>　　L #Error1; </p><p>　　L #PreErr1; </p><p><b>　　>R ; </b></p><p

103、>　　JC D02; </p><p>　　L #P_Part; </p><p>　　L 5.000000e-001; </p><p><b>　　*R ; </b></p><p>　　T #P_Part; </p><p><b>　　N

104、ETWORK</b></p><p>　　TITLE =//calculation : PID value</p><p>　　D02: L #P_Part; </p><p>　　L #I_Part; </p><p><b>　　+R ; </b></p><p

105、>　　L #D_Part; </p><p><b>　　+R ; </b></p><p>　　T #out_PidVal; //將三個環(huán)節(jié)的輸出值加起來。</p><p><b>　　NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =<

106、/b></p><p>　　//輸出幅值的限定，當超過限定幅度輸出值為0.</p><p><b>　　A( ; </b></p><p>　　L #out_PidVal; </p><p>　　L #in_MaxSP; </p><p><b>　　>

107、R ; </b></p><p><b>　　) ; </b></p><p><b>　　O ; </b></p><p><b>　　A( ; </b></p><p>　　L #out_PidVal; </p>

108、<p>　　L #in_MinSP; </p><p><b>　　<R ; </b></p><p><b>　　) ; </b></p><p>　　JC X02;</p><p>　　L 0.000000e+000; </p>

109、<p>　　T #out_PidVal; </p><p>　　JU XO; </p><p>　　X02: NOP 0; </p><p><b>　　NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =</b></p><p>

110、;　　//save the error value</p><p>　　XO: NOP 0; //為下次運算做準備。</p><p>　　L #PreErr; </p><p>　　T #PPreErr; </p><p>　　L #Error; </p><p>　　T

111、 #PreErr; </p><p>　　END_FUNCTION</p><p><b>　　系統(tǒng)網絡設計</b></p><p><b>　　OPC通訊的介紹 </b></p><p>　　OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE)是一個工業(yè)標準，管理這個標準

112、國際組織是OPC基金會，OPC基金會現(xiàn)有會員已超過220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的公司。</p><p>　　基于微軟的OLE(現(xiàn)在的Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。</p><p>　　OPC全稱是OLE for Pro

113、cess Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。</p><p>　　在過去，為了存取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，每一個應用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設備的種類繁多，且產品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅動程序。在這

114、種情況下，OPC標準應運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術中使用的是OLE2技術，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。</p><p>　　COM是Component Object Model的縮寫，是所有OLE機制的基礎。COM是一種為了實現(xiàn)與編程語言無關的對象而制定的標準，該標準將Windows下的對象定義為獨立單元，可

115、不受程序限制地訪問這些單元。這種標準可以使兩個應用程序通過對象化接口通訊，而不需要知道對方是如何創(chuàng)建的。</p><p>　　例如，用戶可以使用C++語言創(chuàng)建一個Windows對象，它支持一個接口，通過該接口，用戶可以訪問該對象提供的各種功能，用戶可以使用Visual Basic，C，Pascal，Smalltalk或其它語言編寫對象訪問程序。在Windows NT4.0操作系統(tǒng)下，COM規(guī)范擴展到可訪問本機以外

116、的其它對象，一個應用程序所使用的對象可分布在網絡上，COM的這個擴展被稱為DCOM（Distributed COM）。</p><p>　　通過DCOM技術和OPC標準，完全可以創(chuàng)建一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件。OPC采用客戶/服務器模式，把開發(fā)訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。</p

117、><p><b>　　opc通訊設計</b></p><p><b>　　虛擬站點組態(tài)</b></p><p>　　首先建立PLC與PC機的硬件站點，如圖21所示，其中SIMATIC PC為虛擬站點它其實就是代表著工控機，在設計的的時候注意兩者的一致性。其設計方法在4.2.2節(jié)中將做詳細的說明。</p><

118、p><b>　　圖21 硬件設置</b></p><p>　　在每一個CPU中設置其對應的地址，如圖22所示，設置的地址必須在一個網絡里面，即地址最后一項的設置不同，點擊properties項可以設置。如圖17所示，其中MAC地址為生產商給元器件分配的原始地址是不能更改的，MAC地址在MAC協(xié)議通訊中用到，這里不做詳細的說明。</p><p>　　圖22 地

119、址設置一</p><p>　　在設置網絡地址的時候，注意將兩個站點的地址設置在同一網絡下。一般IP地址最后一個數(shù)位不同，設置值可以在0-255之間任意選擇，圖23所示。下是不能通訊的，這里要特別注意,如果要在不同網絡之間進行通訊可以使用路由器，機理是一樣的，這里不做詳細的說明。</p><p>　　圖23 地址設置二</p><p>　　將每一個CPU組好網以后就

120、可以建立網絡組態(tài)了。</p><p><b>　　網絡組態(tài)</b></p><p>　　首先添加一個SIMATIC PC Station將其改名為RAM_OPCStation為了和OPC的虛擬站一致。如圖24所示：</p><p>　　圖24 硬件組態(tài)一</p><p>　　點擊configuration，設置虛擬站點