西門子CPU314模塊

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上海晉營自動化科技有限公司

  ：喬 靜
 
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WinAC是SIEMENS推出的基于PC的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)兼具PC強大的計算功能數(shù)
據(jù)處理能力和PLC邏輯測控與運行可靠性特點本文介紹了WinAC在千層酥自動化生產線中的
成功應用及其*的特點
關鍵詞：千層酥　烘爐　基于PC自動化　分布式控制系統(tǒng)　過程控制系統(tǒng)
一、概述
千層酥生產線總長度約200米主要由如下單元組成
1、疊層起酥機

疊酥機是生產餅干的*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要求自動化控制系統(tǒng)滿足如下要求：
傳動控制采用矢量型變頻器調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)調整系統(tǒng)控制操作簡單方便快捷高效。
人機界面操控能與其它成型主機的相關部分實現(xiàn)聯(lián)動控制操作簡單方便。
疊層次數(shù)、寬度在范圍內任意調節(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）
2、送料機
送料機將攪拌好的韌性餅干胚料進行初步軋制后輸送到后一工序的雙軋軋面機電控系統(tǒng)要求能夠同步調速控制手動調節(jié)與自動運行控制。
3、雙軋軋面機
該設備是將疊酥機或送料機輸送來的面胚進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)字表設定與顯示。
4、烘爐
有熱風循環(huán)烘爐遠紅外線烘爐導熱油爐等
餅干烘烤爐是餅干生產線的重要組成部份由電器控制系統(tǒng)熱風循環(huán)系統(tǒng)加熱系統(tǒng)排煙
系統(tǒng)爐網輸送裝置爐網自動檢測張緊裝置等組成要求自動化控制系統(tǒng)達到如下功能：
生產線工作狀態(tài)的實時監(jiān)測
溫度坐標升溫曲線等顯示
溫度調節(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
熱風循環(huán)系統(tǒng)采用自動控制熱風量，閉環(huán)控制，可選擇自然與強制性排煙等自動功能
燃氣爐欠壓、超壓、漏氣、超溫等多種安全保護功能
5、成型機
成型機由多臺軋面機與傳動單元組成相互之間無機械傳動聯(lián)鎖無張力檢測單元要求整條生產線通過電器控制線速度同步運行控制難度較大對自動化系統(tǒng)的功能要求較高。
二、控制系統(tǒng)特點
綜上所述千層酥生產線控制系統(tǒng)是一個集運動控制與過程控制的綜合自動化控制系統(tǒng)歸納起來應有如下特點：
分布式：生產線總長度約200米，控制點多而且分散，因此選用分布式測控系統(tǒng)zui為適宜，分布式測控系統(tǒng)具有布線量少，搞干擾能力強，擴展維護方便，運行安全可靠，故障風險降到zui低的優(yōu)點。
總線網：全線采用現(xiàn)場總線網絡控制，排除大量模擬信號的干擾因素，實現(xiàn)精確的速度協(xié)調控制與高精度溫度測控，檢測與控制協(xié)調*。
大量配方存貯：一條生產線可生產上百種產品，因此有大量的配方存貯與調用，普通的PLC控制器由于受內存的影響，很難做到大量配方的存貯與調用，因此基于PC自動化是本系統(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，本系統(tǒng)配備完善的人機界面操作系統(tǒng)，全面的系統(tǒng)監(jiān)控與異常報警功能。
運動控制：速度同步也是本控制系統(tǒng)的關鍵，采用矢量型變頻器通，過網絡主令控制，達到全線速度的協(xié)調與統(tǒng)一。

西門子CPU314模塊
三、基于PC 的自動化---WinAC
WinAC是SIEMENS公司推出的基于PC的自動化控制系統(tǒng)，WinAC具有PLC的功能但又不同于普通的PLC控制器，其具有強大的計算功能、數(shù)據(jù)處理能力和PLC*的計算速度，更兼顧了PLC的運行可靠性特點。其海量內存貯器特別適合于大數(shù)據(jù)量計算、大量配方存貯與管理。其計算功能與PC機相同，可靠性與功能更可與PLC-S7-400系統(tǒng)比美，是千層酥成型機與烘爐機械設備控制系統(tǒng)的選擇：
*性
WinAC是基于標準的Windows操作平臺下的PLC控制器，梯形圖編程，因此有獨立而嚴格的時序?？刂铺貏e滿足對于高速、精確、復雜計算及嚴格時間要求的控制任務。
WinAC支持標準的Windows NT 下的OPC、Active X 和DCOM 技術。控制和通訊內核與標準的Windows NT任務的通訊由其內置的代理服務器完成，因此相比普通的PLC控制器功能更強。
應用程序開發(fā)環(huán)境
SIEMENS統(tǒng)一的組態(tài)軟件STEP 7 是WinAC控制器的標準開發(fā)平臺，包括通信組態(tài)、編程、測試和啟動以及系統(tǒng)文件的編制，對于熟悉STEP7的工程師，不需占用額外的培訓時間。

系統(tǒng)組態(tài)界面

開放式接口
WinAC提供標準的OPC控件接口及Active X控件接口,對于我們的應用提供了*的方便。
OPC 過程控制OLE 是一種通過Windows NT應用程序自動存取數(shù)據(jù)的標準，也是WinAC的標準特性。使用OPC服務器可以訪問控制驅動程序中的過程數(shù)據(jù)：Active X 控件接口，不用編程直接從OLE 標準應用程序訪問過程數(shù)據(jù)。這種功能使得我們可以在軟件開發(fā)中借助于高級語言Visual Basic進行更復雜的應用開發(fā)。
計算功能
WinAC提供強大的計算功能，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。使得上位計算機能夠實時處理過程數(shù)據(jù)，完成復雜的測量控制與故障分析計算，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)計分析。在過程控制和PC 應用程序之間管理數(shù)據(jù)信息流量。允許高效、簡便地訪問并能顯示和修改過程數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)處理量大，要求內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給我們提供了一個合適而且經濟的解決方案。

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

  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特定的值，盡可能減少波動。特定功能區(qū)域可以電子補償例如輸入電壓變化或者輸出端負荷變化的影響。

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

  穩(wěn)壓直流電源的設計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
• 次級脈沖開關式電源
• 初級脈沖開關式電源

• 適用于特定應用實例的zui適原理將主要地取決于應用。其目標為特定負荷產后直流供電電壓，且成本盡可能地低，精確度盡可能地高。

  進行同相位調節(jié)的電源

  

  方框圖 進行同相位調節(jié)的變壓器

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

  使用變壓器進行轉換，以獲得所需次級電壓。

  經整流和濾波的二次側電壓在整流階段轉換為輸出穩(wěn)定的電壓。調整區(qū)包括一個末控制元件和一個控制放大器。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快速可調電阻。無論哪種情況所導致的熱損，都是由末控制元件上的輸出電流和壓降所產生。

  該系統(tǒng)適應性*。即使沒有其他調整，也可提供幾個輸出電壓。在多輸出的情況下，單個二次側電路一般分別由輸入變壓器的二次側繞組產生。某些應用，僅能根據(jù)該電路原理解決。尤其是需要具備高調節(jié)精度、小殘余紋波和快補償時間的情況。

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

  優(yōu)點：

• 電路原理簡單、可靠
• 具備良好直至的控制特性
• 快速補償時間

• 缺點：

• 因帶有 50 Hz 變壓器，重量相對較高，體積較大
• 效率低，散熱存在問題
• 存儲時間低

• 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部分。所謂的“鐵共振器”和一個串聯(lián)式輔助調節(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在下游連接的同相位調節(jié)變壓器以提高控制精度。下游還常常連接次級脈沖開關式調節(jié)器。

  磁穩(wěn)壓器技術可靠且堅固耐用，但其也是大容量、笨重且相對較貴。

  優(yōu)點：

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

• 缺點：

• 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

• 次級脈沖開關式電源：

  

  次級脈沖式開關電源的方框圖

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

  對于具備大量輸出，且輸出電壓各不相同的電源，該設計具有許多優(yōu)點。

  然而為了保護連接的負載，必須非常小心，在開關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，這種危險依然存在。

  優(yōu)點：

• 設計簡單，效率高
• 使用多個次級線圈，可以方便地實現(xiàn)多個彼此之間相互電氣隔離的輸出
• 與初級脈沖式開關電源相比，干擾問題更少

• 缺點：

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

• 

  單端正激變換器的方框圖

  初級開關式穩(wěn)穩(wěn)壓電源可以采用許多不同的電路類型。zui有價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。

  主要開關模式調節(jié)器的總體運行原理顯示在單端前向轉換器的框圖中。

  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)生故障時電源的存儲時間。輸入為 230 V 時，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，借助脈寬調節(jié)器，以較高的開關頻率，由變壓器將初級電能轉換至次級一側。開關管工作于開關狀態(tài)時，功耗很低，因此，取取決于輸入電壓和電流的不同，功率平衡度將會在 70% 與 90% 之間。

  由于轉換頻率高，變壓器的容量必50 Hz變壓器小，因為考慮到轉換頻率越高，變壓器的尺寸就越小。使用現(xiàn)代半導體，可以達到100kHz及以上的時鐘頻率。然而，在*的時鐘頻率下，轉換損失升高，因此在每種情況下，都必須在高效率和zui大可能時鐘頻率之間折衷。在絕大多數(shù)應用中，時鐘頻率在約20 kHz到250 kHz的范圍內，取決于輸出功率的大小。

  次級線圈的電壓經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回路?？刂泼}沖寬度（控制開關管的相位），可以將所需電能傳輸至次級回路，并調節(jié)輸出電壓。在開關管的非導電相期間，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：

• 采用高工作效率，故電磁部件（變壓器、存儲電抗器、過濾器）較小
• 得益于脈寬調節(jié)功能，可工作于高效率
• 設備單元結構緊湊
• 在千瓦級，無需強制風冷
• 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。
• 可實現(xiàn)寬輸入電壓范圍

• 缺點：

• 高電路成本，多個活動的元件
• 干擾抑制的高成本
• 機械設計必須符合 HF 標準

• 近年來，初級開關電源已取代了其他開關式電源。原因是它們的結構十分緊湊，重量很小，效率很高，并具有突出的性價比。

  初級脈沖開關式電源：

  在文獻中常常使用的術語為 SMPS(開關電源)或者初級開關式穩(wěn)壓器。