西門子CPU312C可編程控制器

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WinAC是SIEMENS推出的基于PC的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)兼具PC強(qiáng)大的計(jì)算功能數(shù)
據(jù)處理能力和PLC邏輯測(cè)控與運(yùn)行可靠性特點(diǎn)本文介紹了WinAC在千層酥自動(dòng)化生產(chǎn)線中的
成功應(yīng)用及其*的特點(diǎn)
關(guān)鍵詞：千層酥　烘爐　基于PC自動(dòng)化　分布式控制系統(tǒng)　過程控制系統(tǒng)
一、概述
千層酥生產(chǎn)線總長(zhǎng)度約200米主要由如下單元組成
1、疊層起酥機(jī)

疊酥機(jī)是生產(chǎn)餅干的*道重要工序可根據(jù)廠房的不同來選擇立式或臥式其包括七道軋輥三次軋制配備撒酥機(jī)要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)滿足如下要求：
傳動(dòng)控制采用矢量型變頻器調(diào)速線速度同步工作穩(wěn)定性高。
軋輥間隙采用數(shù)字化閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)控制操作簡(jiǎn)單方便快捷高效。
人機(jī)界面操控能與其它成型主機(jī)的相關(guān)部分實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制操作簡(jiǎn)單方便。
疊層次數(shù)、寬度在范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。
疊層寬度560-1000MM
疊層次數(shù)4-12層
壓片厚度0.1-10MM   電 話：（同號(hào)）
2、送料機(jī)
送料機(jī)將攪拌好的韌性餅干胚料進(jìn)行初步軋制后輸送到后一工序的雙軋軋面機(jī)電控系統(tǒng)要求能夠同步調(diào)速控制手動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)運(yùn)行控制。
3、雙軋軋面機(jī)
該設(shè)備是將疊酥機(jī)或送料機(jī)輸送來的面胚進(jìn)行多次軋制使面胚由厚變薄電控系統(tǒng)要求；
軋輥采用變頻調(diào)速控制,速度同步性能穩(wěn)定；
精確控制面皮厚度采用智能數(shù)字表設(shè)定與顯示。
4、烘爐
有熱風(fēng)循環(huán)烘爐遠(yuǎn)紅外線烘爐導(dǎo)熱油爐等
餅干烘烤爐是餅干生產(chǎn)線的重要組成部份由電器控制系統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)加熱系統(tǒng)排煙
系統(tǒng)爐網(wǎng)輸送裝置爐網(wǎng)自動(dòng)檢測(cè)張緊裝置等組成要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)達(dá)到如下功能：
生產(chǎn)線工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
溫度坐標(biāo)升溫曲線等顯示
溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)在線修正 
歷史工作狀態(tài)記錄保存
溫度控制精度高操作方便工作穩(wěn)定高效可靠
熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)采用自動(dòng)控制熱風(fēng)量，閉環(huán)控制，可選擇自然與強(qiáng)制性排煙等自動(dòng)功能
燃?xì)鉅t欠壓、超壓、漏氣、超溫等多種安全保護(hù)功能
5、成型機(jī)
成型機(jī)由多臺(tái)軋面機(jī)與傳動(dòng)單元組成相互之間無機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)鎖無張力檢測(cè)單元要求整條生產(chǎn)線通過電器控制線速度同步運(yùn)行控制難度較大對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能要求較高。
二、控制系統(tǒng)特點(diǎn)
綜上所述千層酥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是一個(gè)集運(yùn)動(dòng)控制與過程控制的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)歸納起來應(yīng)有如下特點(diǎn)：
分布式：生產(chǎn)線總長(zhǎng)度約200米，控制點(diǎn)多而且分散，因此選用分布式測(cè)控系統(tǒng)zui為適宜，分布式測(cè)控系統(tǒng)具有布線量少，搞干擾能力強(qiáng)，擴(kuò)展維護(hù)方便，運(yùn)行安全可靠，故障風(fēng)險(xiǎn)降到zui低的優(yōu)點(diǎn)。
總線網(wǎng)：全線采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制，排除大量模擬信號(hào)的干擾因素，實(shí)現(xiàn)精確的速度協(xié)調(diào)控制與高精度溫度測(cè)控，檢測(cè)與控制協(xié)調(diào)*。
大量配方存貯：一條生產(chǎn)線可生產(chǎn)上百種產(chǎn)品，因此有大量的配方存貯與調(diào)用，普通的PLC控制器由于受內(nèi)存的影響，很難做到大量配方的存貯與調(diào)用，因此基于PC自動(dòng)化是本系統(tǒng)的*方案。
集中管理：分布式控制，集中式管理是現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)配備完善的人機(jī)界面操作系統(tǒng)，全面的系統(tǒng)監(jiān)控與異常報(bào)警功能。
運(yùn)動(dòng)控制：速度同步也是本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用矢量型變頻器通，過網(wǎng)絡(luò)主令控制，達(dá)到全線速度的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

西門子CPU312C可編程控制器
三、基于PC 的自動(dòng)化---WinAC
WinAC是SIEMENS公司推出的基于PC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，WinAC具有PLC的功能但又不同于普通的PLC控制器，其具有強(qiáng)大的計(jì)算功能、數(shù)據(jù)處理能力和PLC*的計(jì)算速度，更兼顧了PLC的運(yùn)行可靠性特點(diǎn)。其海量?jī)?nèi)存貯器特別適合于大數(shù)據(jù)量計(jì)算、大量配方存貯與管理。其計(jì)算功能與PC機(jī)相同，可靠性與功能更可與PLC-S7-400系統(tǒng)比美，是千層酥成型機(jī)與烘爐機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的選擇：
*性
WinAC是基于標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作平臺(tái)下的PLC控制器，梯形圖編程，因此有獨(dú)立而嚴(yán)格的時(shí)序。控制特別滿足對(duì)于高速、精確、復(fù)雜計(jì)算及嚴(yán)格時(shí)間要求的控制任務(wù)。
WinAC支持標(biāo)準(zhǔn)的Windows NT 下的OPC、Active X 和DCOM 技術(shù)?？刂坪屯ㄓ崈?nèi)核與標(biāo)準(zhǔn)的Windows NT任務(wù)的通訊由其內(nèi)置的代理服務(wù)器完成，因此相比普通的PLC控制器功能更強(qiáng)。
應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境
SIEMENS統(tǒng)一的組態(tài)軟件STEP 7 是WinAC控制器的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)平臺(tái)，包括通信組態(tài)、編程、測(cè)試和啟動(dòng)以及系統(tǒng)文件的編制，對(duì)于熟悉STEP7的工程師，不需占用額外的培訓(xùn)時(shí)間。

系統(tǒng)組態(tài)界面

開放式接口
WinAC提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC控件接口及Active X控件接口,對(duì)于我們的應(yīng)用提供了*的方便。
OPC 過程控制OLE 是一種通過Windows NT應(yīng)用程序自動(dòng)存取數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，也是WinAC的標(biāo)準(zhǔn)特性。使用OPC服務(wù)器可以訪問控制驅(qū)動(dòng)程序中的過程數(shù)據(jù)：Active X 控件接口，不用編程直接從OLE 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序訪問過程數(shù)據(jù)。這種功能使得我們可以在軟件開發(fā)中借助于高級(jí)語言Visual Basic進(jìn)行更復(fù)雜的應(yīng)用開發(fā)。
計(jì)算功能
WinAC提供強(qiáng)大的計(jì)算功能，與工業(yè)過程數(shù)據(jù)，之間建立起一條工作數(shù)據(jù)鏈路。使得上位計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理過程數(shù)據(jù)，完成復(fù)雜的測(cè)量控制與故障分析計(jì)算，并能夠在Visual Basic中創(chuàng)建自己的HMI 前端或在大家熟知Excel中做統(tǒng)計(jì)分析。在過程控制和PC 應(yīng)用程序之間管理數(shù)據(jù)信息流量。允許高效、簡(jiǎn)便地訪問并能顯示和修改過程數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)處理量大，要求內(nèi)存高的過程控制系統(tǒng)，一般的PLC控制器難以勝任的工作，用WinAC則可以輕松解決，這是我們選用WinAC的理由，也是SIEMENS給我們提供了一個(gè)合適而且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

• 比較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法PID控制的難點(diǎn)在于整定控制器的參數(shù)。為了學(xué)習(xí)整定PID控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，開環(huán)運(yùn)行PID程序沒有任何意義。用硬件組成一個(gè)閉環(huán)需要PLC的CPU模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外還需要被控對(duì)象、檢測(cè)元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如可以用電熱水壺作為被控對(duì)象，用熱電阻檢測(cè)溫度，用溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓，用移相控制的交流固態(tài)調(diào)壓器作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 有沒有比較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法呢？ 在控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述被控對(duì)象、檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PID控制器。 被控對(duì)象一般是串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的組合。在實(shí)驗(yàn)室可以用以運(yùn)算放大器為核心的模擬電路來模擬廣義的被控對(duì)象（包括檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的傳遞函數(shù)。我曾將這種運(yùn)放電路用于S7-200和S7-1200的PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。 用運(yùn)算放大器模擬被控對(duì)象一般需要做印刷電路板，還是比較麻煩。有沒有更簡(jiǎn)單的方法呢？ 除了用運(yùn)算放大器來模擬被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，也可以用PLC的程序來模擬。為此我編寫了用來模擬被控對(duì)象的S7-200的子程序，它也可以用于S7-200 SMART。使用模擬的被控對(duì)象的PID閉環(huán)示意圖如下圖所示，虛線右邊是被控對(duì)象，DISV是系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入值。虛線左邊是PLC的PID控制程序。  被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為3個(gè)串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為 數(shù)學(xué)模型為3個(gè)串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié) 分母中的“s”為自動(dòng)控制理論中拉普拉斯變換的拉普拉斯算子。將某一時(shí)間常數(shù)設(shè)為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)。圖中被控對(duì)象的輸入值INV是PID控制器的輸出值。被控對(duì)象的輸出值OUTV作為PID控制器的過程變量（反饋值）PV。 下圖是模擬被控對(duì)象的子程序，實(shí)際上只用了兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)分別為5000ms和2000ms。用與PID的采樣周期相同的定時(shí)中斷時(shí)間間隔來調(diào)用這個(gè)子程序。 圖中被控對(duì)象的輸入值INV是PID控制器的輸出值 下圖是用來監(jiān)視PID回路運(yùn)行情況的STEP 7-Micro/WIN的PID調(diào)節(jié)控制面板，可以用它進(jìn)行PID參數(shù)自整定或手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。標(biāo)有PV（即被控量）的是過程變量的階躍響應(yīng)曲線。

  概述

  穩(wěn)壓直流電源具有電子控制電路，可以維持輸出直流電壓在一個(gè)特定的值，盡可能減少波動(dòng)。特定功能區(qū)域可以電子補(bǔ)償例如輸入電壓變化或者輸出端負(fù)荷變化的影響。

  穩(wěn)壓直流電源輸出電壓的紋波處于毫伏級(jí)，且主要取決于輸出端的負(fù)荷。

  穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)可以采用不同的工作原理。zui常見的電路類型有：

• 線性穩(wěn)壓電源
• 磁穩(wěn)壓器
• 次級(jí)脈沖開關(guān)式電源
• 初級(jí)脈沖開關(guān)式電源

• 適用于特定應(yīng)用實(shí)例的zui適原理將主要地取決于應(yīng)用。其目標(biāo)為特定負(fù)荷產(chǎn)后直流供電電壓，且成本盡可能地低，精確度盡可能地高。

  進(jìn)行同相位調(diào)節(jié)的電源

  

  方框圖 進(jìn)行同相位調(diào)節(jié)的變壓器

  帶有同相位調(diào)節(jié)的變壓器按常規(guī)原理運(yùn)行。其供電采用交流供電系統(tǒng)供電（單相、兩相或者三相供電）。

  使用變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以獲得所需次級(jí)電壓。

  經(jīng)整流和濾波的二次側(cè)電壓在整流階段轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的電壓。調(diào)整區(qū)包括一個(gè)末控制元件和一個(gè)控制放大器。穩(wěn)定輸出電壓和過濾電容處的非穩(wěn)定電壓之間的差值轉(zhuǎn)變成了末控制元件的熱損。此處，末控制元件的功能就像一個(gè)快速可調(diào)電阻。無論哪種情況所導(dǎo)致的熱損，都是由末控制元件上的輸出電流和壓降所產(chǎn)生。

  該系統(tǒng)適應(yīng)性*。即使沒有其他調(diào)整，也可提供幾個(gè)輸出電壓。在多輸出的情況下，單個(gè)二次側(cè)電路一般分別由輸入變壓器的二次側(cè)繞組產(chǎn)生。某些應(yīng)用，僅能根據(jù)該電路原理解決。尤其是需要具備高調(diào)節(jié)精度、小殘余紋波和快補(bǔ)償時(shí)間的情況。

  然而，其效率比較低，重量和體積也很大。因此，帶同相位調(diào)節(jié)的變壓器只是一種較低特定功率下的經(jīng)濟(jì)替代方案。

  優(yōu)點(diǎn)：

• 電路原理簡(jiǎn)單、可靠
• 具備良好直至的控制特性
• 快速補(bǔ)償時(shí)間

• 缺點(diǎn)：

• 因帶有 50 Hz 變壓器，重量相對(duì)較高，體積較大
• 效率低，散熱存在問題
• 存儲(chǔ)時(shí)間低

• 電磁式穩(wěn)壓器

  

  磁穩(wěn)定器的方框圖

  完整的變壓器包括兩個(gè)部分。所謂的“鐵共振器”和一個(gè)串聯(lián)式輔助調(diào)節(jié)器。由于氣隙，電磁式穩(wěn)壓器的輸入線圈和振蕩線圈的去耦作用*。電磁式穩(wěn)壓器可以提供穩(wěn)定性能良好的交流電壓。它利用了整流和濾波。變壓器自身工作于飽和區(qū)域。

  鐵磁諧振器常常帶有一個(gè)在下游連接的同相位調(diào)節(jié)變壓器以提高控制精度。下游還常常連接次級(jí)脈沖開關(guān)式調(diào)節(jié)器。

  磁穩(wěn)壓器技術(shù)可靠且堅(jiān)固耐用，但其也是大容量、笨重且相對(duì)較貴。

  優(yōu)點(diǎn)：

• 良好到優(yōu)異控制特性，并在下游位置連接可進(jìn)行同相位調(diào)節(jié)的變壓器
• 效率比只帶同相位調(diào)節(jié)的變壓器顯著提高

• 缺點(diǎn)：

• 鐵共振器的性能取決于頻率
• 電源因帶有磁性部件體積和重量都較大

• 次級(jí)脈沖開關(guān)式電源：

  

  次級(jí)脈沖式開關(guān)電源的方框圖

  這里，采用 50 Hz 變壓器，實(shí)現(xiàn)與供電設(shè)施的隔離。經(jīng)整流和濾波后，通過位于濾波和存儲(chǔ)回路之間的開關(guān)管上流經(jīng)的脈沖將電能以開關(guān)方式送至輸出端。由于輸入側(cè)的變壓器可作為一個(gè)很好的濾波器，線路的污染很低。
  該電路的效率*。

  對(duì)于具備大量輸出，且輸出電壓各不相同的電源，該設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)。

  然而為了保護(hù)連接的負(fù)載，必須非常小心，在開關(guān)晶體管損壞的情況下，濾波電容器的*非穩(wěn)壓的直流電壓將適用于輸出。不過在線性穩(wěn)壓電源中，這種危險(xiǎn)依然存在。

  優(yōu)點(diǎn)：

• 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，效率高
• 使用多個(gè)次級(jí)線圈，可以方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)彼此之間相互電氣隔離的輸出
• 與初級(jí)脈沖式開關(guān)電源相比，干擾問題更少

• 缺點(diǎn)：

• 采用 50 Hz 變壓器，電源體積相對(duì)較大，重量較重
• 輸出紋濾（毛刺）與初級(jí)脈沖式開關(guān)電源差不多。

• 

  單端正激變換器的方框圖

  初級(jí)開關(guān)式穩(wěn)穩(wěn)壓電源可以采用許多不同的電路類型。zui有價(jià)值的基本電路有單端正激變換器、反激變換器、半橋變換器、全橋變換器、推挽變換器和諧振變換器。

  主要開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的總體運(yùn)行原理顯示在單端前向轉(zhuǎn)換器的框圖中。

  非穩(wěn)壓的供電電壓首先被整流和過濾。直流連接回路電容的容量決定了輸入電壓發(fā)生故障時(shí)電源的存儲(chǔ)時(shí)間。輸入為 230 V 時(shí)，直流連接回路的電壓約為 320 VDC。接下來，將該直流電壓輸入單端變換器，借助脈寬調(diào)節(jié)器，以較高的開關(guān)頻率，由變壓器將初級(jí)電能轉(zhuǎn)換至次級(jí)一側(cè)。開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，功耗很低，因此，取取決于輸入電壓和電流的不同，功率平衡度將會(huì)在 70% 與 90% 之間。

  由于轉(zhuǎn)換頻率高，變壓器的容量必50 Hz變壓器小，因?yàn)榭紤]到轉(zhuǎn)換頻率越高，變壓器的尺寸就越小。使用現(xiàn)代半導(dǎo)體，可以達(dá)到100kHz及以上的時(shí)鐘頻率。然而，在*的時(shí)鐘頻率下，轉(zhuǎn)換損失升高，因此在每種情況下，都必須在高效率和zui大可能時(shí)鐘頻率之間折衷。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，時(shí)鐘頻率在約20 kHz到250 kHz的范圍內(nèi)，取決于輸出功率的大小。

  次級(jí)線圈的電壓經(jīng)過了整流和濾波處理。通過光耦合器，將系統(tǒng)輸出端的偏差反饋至初級(jí)回路?？刂泼}沖寬度（控制開關(guān)管的相位），可以將所需電能傳輸至次級(jí)回路，并調(diào)節(jié)輸出電壓。在開關(guān)管的非導(dǎo)電相期間，通過輔助線圈，變壓器被退磁。傳輸?shù)碾娔苷门c輸出端所消耗的電能等量。這些電路的脈沖占空比的zui大脈沖寬度小于50%。

  優(yōu)點(diǎn)：

• 采用高工作效率，故電磁部件（變壓器、存儲(chǔ)電抗器、過濾器）較小
• 得益于脈寬調(diào)節(jié)功能，可工作于高效率
• 設(shè)備單元結(jié)構(gòu)緊湊
• 在千瓦級(jí)，無需強(qiáng)制風(fēng)冷
• 在提高直流線路容量造成電源損壞的情況下，可能發(fā)生多次存儲(chǔ)。
• 可實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍

• 缺點(diǎn)：

• 高電路成本，多個(gè)活動(dòng)的元件
• 干擾抑制的高成本
• 機(jī)械設(shè)計(jì)必須符合 HF 標(biāo)準(zhǔn)

• 近年來，初級(jí)開關(guān)電源已取代了其他開關(guān)式電源。原因是它們的結(jié)構(gòu)十分緊湊，重量很小，效率很高，并具有突出的性價(jià)比。

  初級(jí)脈沖開關(guān)式電源：

  在文獻(xiàn)中常常使用的術(shù)語為 SMPS(開關(guān)電源)或者初級(jí)開關(guān)式穩(wěn)壓器。