西门子CPU模块6ES7215-1AF40-0XB0
1 引 言
直接转矩控制是一种高性能的交流调速技术，它直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电动机的转矩和定子磁链，简化了系统的结构。但是直接转矩控制强调转矩和定子磁链控制，对转矩和定子磁链空间位置计算精度要求很高，因而系统构成比较复杂，要实现有效的直接转矩控制，高性能的单片机是必不可少的。德州仪器的TMS320F240数字信号处理单片机专门针对电机控制系统设计，本文介绍它在直接转矩控制中的应用。
2 直接转矩控制系统简介
直接转矩控制系统原理图如图1。
图1 直接转矩控制原理图
在图1中，适当控制逆变器的开关Sa、Sb、Sc（包括Sa、Sb、Sc下桥臂非门）的状态，就能够得到八种空间矢量电压，除两种是0矢量外，另外六种矢量构成正六边形的六条边，在异步电机上得到旋转的定子空间磁场，并且通过0电压矢量调节定子磁场的平均旋转速度。
为了得到图1中的正六边形轨迹磁场（用来替代三相交流电产生的圆形轨迹磁场），确定磁场的空间位置成为重要的工作环节。根据－isRs）dt可以求出定子磁场的大小，但为了减少电压和电流传感器的数量，通常只使用两相传感器，通过计算再得出另外一相电压和电流。
3 控制系统的硬件组成
本系统以TI公司的TMS320F240数字信号处理单片机为核心，控制日本FUJI生产的IPM（智能功率模块），从而把直流电压转换成交流矢量电压，驱动异步电机运转。其基本工作过程是：首先根据外部给定的转速和转矩要求，计算出定子磁场的幅值，然后建立定子磁场，后施加工作电压产生旋转定子磁场。因此，我们按照图2的硬件结构结合DSP单片机的特点设计系统。
图2 直接转矩控制结构图
由于TMS320F240本身带有A／D转换器，所以我们没有必要再外加A／D转换。同时，电机的转速采用软件计算获得，因而没有速度检测环节，使系统硬件小化。
图3 系统硬件框图
图4 IPM模块使用电路图
IPM智能功率模块是集成功率开关元件，在系统中的位置举足轻重。FUJI生产的6MBP50RA060型IPM采用低电平有效触发，在使用过程中要注意。
4 DSP处理器扩展设计的说明
F240型号的微处理器专门针对电机控制而设计，片内集成有许多外设，我们可以利用的有：
（1）两个十位的A／D转换器，每个A／D转换器可以转换八路模拟量，因此，片内共有十六路A／D转换通道，不需A／D转换扩展。
（2）16k的闪存EEPROM，可以直接作为程序存储器，不需要程序存储器扩展。
（3）数字I／O接口，在适当写入IOSR寄存器时，可以当作输入输出接口使用，在本系统中，由于直接从I／O接口输出控制矢量，并且要求控制矢量能够延续一个控制周期，所以我们对I／O接口外加了锁存器。其电路图见图5。
图5 扩展锁存器电路图
（4）尽管F240内部有产生脉冲信号的PWM发生器，但是不便于在任意时刻产生任意方向的控制矢量，因而放弃使用。
（5）其它如定时器等，后文给出了软件代码
一 引言
燕山石化公司合成橡胶凝聚装置的仪表控制系统原由常规仪表构成，且全是其他装置更换下来的旧表，故障率较高。为了**自动化水平，增强仪表控制系统的可靠性，我们对其进行了改造，淘汰了控制室内的所有常规仪表，改用DCS。
表1 UPCON JX-300X DCS控制站硬件表
浙大中控公司的SUPCON JX-300X DCS充分利用了新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠成熟的**控制算法，使其兼具了高速可靠的数据输入输出运算、过程控制和PLC联锁逻辑控制功能，获得了广泛的应用，特别是其性能价格比优于同等规模的常规仪表系统，成了我们仪表改造的产品。
二 工艺流程简介
凝聚装置采用水蒸气蒸馏、湿法脱气的原理，脱去胶液中的溶剂油。现有两条生产线，每条线包括胶罐系统、凝聚釜系统、尾气回收系统。每条生产线有4个胶罐，根据胶液熔融指数的不同，不同胶罐中的胶液按相应的比例混配，保证胶液熔融指数合格。合格的胶液送至凝聚釜，根据水蒸气蒸馏、湿法脱气的原理，采用等压不等温的双釜水析凝聚技术，把溶剂油和胶分离。凝聚釜分离出来的溶剂油尾气由尾气回收系统回收再利用。
三 DCS配置
JX-300X DCS由一个多功能站、一个操作站、一个控制站和过程控制网络组成，系统结构如图1。
图1 JX-300X DCS结构图
多功能站既可作操作站使用也可作工程师站使用。工程师站内装有相应的组态平台和系统维护工具。操作站是操作人员完成生产过程监控管理任务的平台。
多功能站和操作站的硬件组成是完全一样的，包括工控PC机、CRT、鼠标、键盘、网卡、专用操作员键盘、操作台等。
控制站完成整个工业过程的实时监控功能，由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元等组成。控制站的各种卡件均可冗余配置，为了增加系统的可靠性，我们对控制站的主控制卡、数据转发卡进行了冗余配置，控制回路的I/O卡件也采用冗余配置。表1列出了控制站的硬件，表2为系统的I/O信号及卡件配备表。
表2 系统的I/O信号及卡件配备表
四 特殊功能的实现
1. 胶液**的控制
胶液自胶罐经胶液泵输送到1号凝聚釜，其带控制点流程如图2。
图2 胶液流程图
根据工艺情况和生产量的大小，有时运行一台胶液泵(A泵或B泵);有时运行两台泵(A泵和B泵);有时两台泵都不运行，而使用另一条生产线的胶液泵。
这种控制方案用DCS提供的常规控制方案无法实现，为此，使用图3所示的自定义控制方案。
图3 胶液**控制方案
3 企业资源计划层中的仿真
在ERP层中，仿真技术主要用于模拟ERP应用软件在生产制造企业的执行情况，同时它也是供应链管理的重要辅助工具，帮助企业决策者做出正确的供应链决策。ERP的业务涉及产、供、销三个环节，因此，该层的仿真模型不仅包括MES层仿真中的生产流程模型，还应具有原料供应、原料存储、产品存储、产品配送和产品销售等过程的模型，如图8所示。
图8 供应链流程
ERP层上的仿真技术主要用于解决三类问题：
(1)生产计划优化决策的分析 计划优化是ERP层一项重要的业务，目前使用为流行的商业计划优化软件有Aspen Tech公司的PIMS、Honeywell公司的RPMS和Haverly公司的GRTMPS，这些软件都以线性规划为优化算法，来获取优计划决策。除了获取优化决策之外，有些计划优化软件还有一定的仿真功能，通过仿真得到的生产数据，使用“what-if”分析方法来分析和预测计划决策对企业生产的影响(如图9)，如PetroPlan。
图9 生产计划仿真
(2)ERP应用软件的仿真培训系统 此时，仿真平台模拟企业的运营环境，为ERP系统提供必要的运行平台(如图10)，这在STT公司的Simulation与E-Learning白皮书中已被提及。
图10 仿真在ERP培训系统中的应用
(3)对企业供应链的仿真 流程企业供应链包括居于供应链核心的流程制造企业，以及企业的原料供应商和产品用户，用仿真的方法研究供应链问题可以进行更接近实际的假设，在更大的广度和深度上对供应链进行研究。由于供应链系统是离散事件系统，通常用离散事件仿真软件对供应链系统进行仿真。常用的离散事件仿真软件有Rockwell公司的Arena、Brooks公司的AutoMod、ProModel公司的ProModel、CACI公司的simprocess、Lanner公司的Witness和Tecnomatix公司的eMPlanl等。供应链仿真主要用于分析供应链在不同操作决策下不同的动态性能，如图11所示。
图11 供应链仿真
4 三层集成仿真
，计算机仿真在流程工业领域已得到了广泛的应用，在企业生产经营的发展中发挥了作用，从一定程度上满足了企业对仿真技术的需求。然而上述各类仿真只针对本层次的应用目标，这种仿真系统的独立性造成了各层次间的仿真系统无法进行信息交互，因而也无法反映局部变动对整个企业的影响，给研究流程工业综合自动化系统带来了不便。为此，需建立各层仿真系统的集成平台，使得处理流程工业ERP／MES／PCS三层体系结构综合自动化的整体解决方案成为可能。
这种仿真集成平台首先在离散制造领域出现。新加坡制造技术研究所的Sanjay Jain于1995年提出了虚拟工厂的概念，虚拟工厂以整个制造企业为研究对象，为企业的集成建模和分析提供了理论框架。虚拟工厂以制造企业立方模型为基础，如图12所示，该模型从企业生命周期、企业功能和企业设备层次三个视角对制造企业进行了整体描述。根据该模型，Sanjay按不同的时间粒度为企业中的设备分别建立了工厂、生产车间、对三产单元、工作站和生产装置五个层次的仿真模型，并且在虚拟工厂中引用了“同步模块”的概念，不仅建立起各层次仿真的信息交互，也集成了企业功能视图中的各项功能仿真，为产品的殴计、设备的安装和操作，以及企业的乍产经营管理提供了决策支持平台。
图12 制造企业立方模型
为了解决流程工业的企业综合自动化整体解决方案，Aspen，Tcch公司提出了AspenONE的概念。AspcnONE提供了一个开放的仿真环境，该环境集成了PCS层、MES层和ERP层的各种仿真应用软件，并结合机理建模、经验建模和统计建模的方法，建立企业生产流程和经营过程的企业级模型，从而评估PCS层生产状态的改变，或MES层和ERP层生产决策的改变对整个企业经营状况的影响。因此，AspenONE不仪能进行PCS层的流程设计和优化，还能对企业的MES层和ERP层应用提供决策支持，实现了为流程工业企业提供综合自动化整体解决方案的目标。
国内也已有类似的概念出现，浙江大学工业控制技术国家重点实验室正在研究和开发的流程工业智能工厂实验系统就是集成了ERP／MES／PCS三层仿真应用的仿真平台。该仿真平台借鉴了Sanjay的思路，对炼油企业生产设备进行分层，只足智能工厂仿真平台遵循的是ISA95中的企业设备分层模型。根据ISA95标准，智能工厂分别建立了工厂、区域、单元和单位四个层次的生产设备仿真模型(如图13)，形成分层次的企业生产仿真。智能工厂中的实时数据库和关系数据库作为企业信息仿真平台的载体，充当了“同步模块”的角色。如图14所示，仿真时，企业生产仿真各层次问的仿真模型通过数据库进行信息交互，同时ERP／MES／PCS系统从数据库读人生产信息，处理后再将控制信息以及计划与调度指令反馈至企业生产仿真平台对应的层次，从而实现企业功能仿真。智能工厂仿真平台能模拟石化企业各层次生产和经营状况的改变对整个企业的影响，不仅可以为企业生产经营提供决策支持，还能为先控软件、MES应用软件和ERP应用软件的研发、测试和培训提供仿真平台。
图13 智能工厂集成仿真平台中的企业生产仿真分层结构
图14 智能工厂集成仿真平台中的信息流