西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0产品特点

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。因此，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。

模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，U为模糊控制量，u为U解模糊化后的jingque量。

3．1　输入模糊化
在模糊控制器设计中，设E的词集为［NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PB］［3］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］；Ec和U的词集为［NB，NS，NM，0，PS，PM，PB］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］。令－1），pH0表示期望值。然后，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。

[NextPage]

3．2　模糊决策和模糊控制规则
总结污水处理过程中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值有进一步快速降低的趋势时，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：

以此得出模糊控制量，如表3—3所示。然后依据大隶属度法，可得出实际控制量u。再经D／A转换模拟电压，去改变变频器的输出频率n，通过加药泵控制加药量调节pH值，从而完成控制任务。

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。首先将模糊化过程的量化因子置入PLC的保持继电器中，然后利用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。

[NextPage]

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。
（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，所以由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，然后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

0.2.3 机器的工艺控制上要求机床有手动和自动功能。手动时，机床每次只在一个固定的位置（可以任意设定）上刨一道槽。自动时，机床可以根据设定的工件号调用长度，厚度，刨削起点，开槽位置，沟槽深度等参数，在板材上自动刨出合乎要求的沟槽。

1 方案确定
综合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求较高（mm），所以应当采用步进电机或者是交流伺服电机作为执行机构。控制系统可以有多种选择：数控系统，计算机+运动控制卡，HMI+PLC等。
执行机构的选型：
步进电机的优点是价格要比交流伺服电机便宜，缺点是它高速力矩特性较软，会限制运行速度的提高，从而影响机器的工作效率的提高。而交流伺服电机则能够胜任高速运行，所以从提高工作效率的角度来说选择交流伺服电机作为执行机构能够提高设备的适用范围，从而提高设备的市场竞争能力。
控制系统的选型：
专门的数控系统优点是功能很全面，适用于复杂的运动控制，价格比较高，重要的是它对操作人员的要求比较高，而在这里的控制程序单一，不需要操作人员经常的改变控制程序，所以不适合用在小型机床。
微型计算机+运动控制卡这种方案，硬件成本比前者要低一些，但是控制软件的稳定性对操作系统依赖性很强，操作系统一旦瘫痪，将直接影响生产的进行。另外计算机对环境要求高，体积大，可移动性差，不适合安装在小型机床上。
HMI和PLC 本来就是面向工业环境设计的高稳定性产品，物理尺寸非常适合安装在小型机床上，价格上也比较便宜。控制软件开发采用简单易学的LD梯形图语言，控制系统软件的开发，调试很容易，PLC运行非常稳定，几乎不需要程序维护。比较而言: HMI+PLC的方案应该是好的选择 。

2 硬件系统

[NextPage]
硬件方案图：



2.1 控制回路
包括按钮，指示灯等。二次回路采用DC24V，串入急停按钮控制动力回路接触器，直接控制供电系统的安全运行。
2.2 供电系统
伺服驱动动力电采用AC380V供电，由接触器控制。一台可以输出电压为DC24V的开关电源。提供人机界面电源、PLC的输入信号电源。二次控制回路单独使用另一路DC24V开关电源。
伺服动力电源是三相AC220V的制式，所以要提供一台380-220干式变压器，作为电压的转换。
PLC电源是AC220V等级的，可以从AC380取一相使用，但考虑到电源隔离以后，电源的质量有一定的提高，对PLC有利，因此从380-220干式变压器输出端取两相使用。
2.3 HMI系统

HMI是整个机器与操作人员进行交流的界面，在满足技术要求的基础上要考虑易于操作，外形美观大方。这里选用OMRON的NS10（10寸）真彩触摸屏，支持全中文显示，荧屏宽大，文字清晰，颜色丰富，操作简单。数据的设定，存储，记录，机器的运行状态监视和控制都很方便。
HMI与PLC采用RS232串行通信(sysmac way协议)连接。
2.4 PLC系统

PLC是整个控制系统的核心，它联系着HMI和底层现场设备伺服驱动系统的运行，要求性能可靠，功能上要能够方便的实现与HMI和伺服驱动系统的连接。本系统选用OMRON的CJ1M系列小型PLC。CPU内置2路100KHz高速脉冲输出，实现X轴，Y轴的运动控制，此外配置一个NC133位置控制模块，实现Z轴的运动控制。开关量输入/输出各选用一个16路输入/输出模块。设备的整个工艺流程的控制主要采用LD（梯形图）语言编写程序来实现。为了实现运动控制的要求，某些地方需要较为复杂的数学运算，为了实现这部分功能，笔者自己用ST语言编写并把这部分封装在功能块（FB）里面，供LD调用。
2.5 伺服驱动系统

[NextPage]
伺服驱动器和交流伺服电机，X轴、Y、Z轴各一套。伺服驱动系统选用安川的伺服驱动系统，这里采用“脉冲＋方向”控制模式，接线从PLC或者NC位置控制模块的高速脉冲输出口引出，接入伺服驱动器的脉冲输入口，以及方向信号。
2.6 传感器
为了保证各个轴的正常和安全的运行，需要在每个轴的两端分别安装一个接近开关，作为轴的极限位置传感器，防止运行范围超出，造成设备损坏。本设备所有的伺服控制系统均采用坐标，在每个轴上还要单独设置一个零点开关，作为坐标轴的零点位置。

3. HMI软件系统
在人机界面上开发出以下画面：
3.1 主页面
展示生产厂家及机床的信息，力求简洁明了，美观大方。
3.2 手动页面
手动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。
3.3 自动页面
自动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。
3.4 确认页面
参数的修改或调用时需要弹出确认提示页面，以保证对工件参数的操作的正确性。主要用在一些关键数据的读取和写入前的确认提醒，防止操作人员对数据的错误读写。

4.PLC软件系统
4.1 软件采用LD语言编写，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序维护：
4.1.1 信号输入段
负责输入信号的采集和管理，逻辑的简单转换。
4.1.2 模式转换段
负责管理手动/自动模式的切换，保证系统在两种模式下正常的运行。
4.1.3 数据管理段
负责HMI与PLC之间的数据传输，存储和调用管理，还包括传递从HMI上发出的操作指令。
4.1.4 脉冲输出段
负责PLC对伺服系统发出正确的脉冲指令，确保交流伺服电机按照规定的方向和位置进行运动。
4.1.5 逻辑控制段
负责整个工艺流程的逻辑控制，对液压等机械执行机构进行控制，保证动作按程序正常执行。
4.1.6 信号输出段
负责所有需要输出的信号进行管理和逻辑转换。
4.2 软件系统流程

[NextPage]
5.注意事项
交流伺服系统是强电系统而且是高电磁辐射源（尽管它们有EMC认证，还是不能的避免电磁辐射的产生），而PLC，HMI以及它们之间的通信连接是典型的弱电系统，很容易受到强电磁辐射的干扰，因此在硬件布置上要尽量增加强电系统与弱电系统之间的安装距离，减少电磁干扰带来的不利影响。同时考虑通信电缆与动力电缆之间的安装方式，一般遵循这样的原则：通信电缆采用屏蔽电缆，并且要单点（在信号的接收处）屏蔽层接地；交流伺服的动力电缆好也要屏蔽，并且在伺服驱动器的这一端进行屏蔽层接地，电缆长度尽量的短；通信电缆与动力电缆尽量避免近距离平行布线，如果无法避免平行布线，二者距离要求>=20cm。