1.引言
粘胶生产控制系统中重要的是对温度的控制，温度控制的好坏直接影响粘胶的质量，传统的控制系统都是基于继电器的手动控制系统，这种系统不仅控制性能不理想，在生产过程中操作人员必须全程监控、可靠性低，而且现场恶劣的生产条件给操作人员带来很大的精神压力。针对这种情况，本文描述了基于西门子公司S7-200系列PLC的生产自动化控制系统，论述了构建在这个控制系统上的监控软件，监控软件是用WinCC实现的。本文着重分析了控制系统的掉电保护功能、S7-200与WinCC的通讯、监控软件的参数下载功能以及变量记录功能。
2.控制系统及控制原理
控制系统中控制器由一个CPU及两个PLC模块组成：S7-200系列中的CPU224，一个热电阻输入模块EM231，一个模拟量输出模块EM232，三者通过自身所带的电缆直接相连。其中EM231接受来自反应炉里的温度传感器输入的信号，CPU224中的PID算法的运算结果通过模拟量输出模块EM232输出电流信号（模拟量）来控制电磁阀一的开度，同时它来单独输出一个开关量来控制电磁阀二的开和关，控制系统结构框图如图1所示：
图1 控制系统结构框图
控制过程中，电磁阀二的状态只有两种：全开和关。基本的控制思想是：当实际值与设定值相差超过+1.5℃时，CPU224输出一个开关量使电磁阀二完全打开，待温差降到在+1℃范围或者反应炉温度低于设定值时，电磁阀二关闭，CPU224中的PID调节器开始起作用，调节器输出控制电磁阀二的开度，使反应炉的温度稳定在要求的±1℃内。PID调节器起主要的控制作用，开关量电磁阀的设计是为了防止反应炉温度超过PID的可调节范围。
3.系统实现
3.1掉电保护
工厂所在地区偶尔会停电，反应炉备有一个发电机，若停电发电机立即启动，向反应炉及其控制系统继续供电，但其间会有大约4分钟的停电间隙，为了保持生产需要停电恢复后控制系统能按照停电前的状态继续控制反应炉，这里可以利用S7-200内置的掉电保护[1]机制，在编写粘胶生产控制程序时可以将程序状态以及一些重要的数据保存在EEPROM里，当供电恢复时，程序读取这些数据。具体做法是：在用STEP-7编写程序时，定义程序系统块中的掉电保护范围，将M存储区的前12个字节（MB0到MB11）定义为掉电保护，程序中将阶段标志，反应炉运行时间等数据（见表1）复制到这段存储区，这样即使在超级电容失效的情况下，备用发动机供电后，仍然可以将PLC恢复到掉电前的状态，使反应炉接着先前的工序生产。
表1 MB0-MB13存储区保存的内容
3.2 WinCC与S7-200的通讯
一般来说，可以通过WinCC、触摸屏、自由口通讯三种方式来监控S7-200。用触摸屏进行监控，可靠性高，不需要考虑通讯问题，设计容易，但是价格高，扩展性差;用自由口通讯，优点就是可以用任何编程工具来实现，投资低，缺点是可靠性低，而且需要占有PLC内部资源。对于该工厂而言，一方面要考虑经济因素，另一方面由于扩大生产的需要，扩展性很重要，因此本次项目选用WinCC作为监控软件的界面开发平台。
由于SIMATIC WinCC是采用了新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性，所以无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好的选择。但由于西门子公司S7-200系列PLC比监控组态软件WinCC推出晚，WinCC中没有集成S7-200系列PLC的通信驱动程序，因此需通过Profibus, OPC与S7-200通讯[2]。采用OPC方式简单，只需要有一个OPC Server，这可以通过S7-200 PC Access软件来实现;而采用Profibus方式，需要一个Profibus DP模块，一个通讯模块如CP5412，还需要Profibus电缆，整体成本远高于采用OPC方式，因此本次改造采用基于OPC的WinCC监控方式。
3.3 参数下载功能
该工厂需要生产不同品种的粘胶，每种粘胶的生产工艺不一样，并且每种粘胶的生产过程由若干个化学反应过程组成，这些化学反应需要的环境温度也各不相同。若把这些具体的温度值放在程序里，当生产工艺改变时，就必须修改程序，这就要求工厂的操作人员有较高的程序设计能力，同时系统的可维护性也低。另一方面，对于不同的生产工艺，控制器的PID参数不同，基于上面所述的原因，PID参数设定也应该从程序中分离。
参数下载是监控软件的一个重要功能，在下载过程中，WinCC与PLC通讯可能不正常，造成下载失败，这就需要一个纠错过程。解决的方法是，在监控界面里用户输入的只是WinCC中的一些内部变量，同时设计一些表格和曲线，它们用来显示OPC的客户端的变量（也即WinCC过程变量），当相对应的数据一致时，表示参数下载成功，一次典型失败下载如图2所示。
图2 参数下载
这里用户输入了3个温度保持阶段以及PID参数，但坐标轴上没有显示对应的温度，这就提示用户PLC和上位机通讯出了故障。
3.4 变量记录
WinCC的变量记录编辑器允许用户为其过程数据生成用户档案库，过程数据和档案库之间的联系是过程变量，通过变量记录，用户可以分析反应炉的数学模型，可以查看PID参数是否设置合理，这项功能对于作者所控制的反应炉而言尤为重要。粘胶生产所用的反应炉是一个大滞后的系统，对于大滞后的系统消除这种滞后影响非常重要，因此必须弄清它的惯性常数，借助于WinCC对设定温度，反应炉实际温度，水的**这三个变量的归档数据，可以大大方便作者对反应炉的分析。另外WinCC里有种控件叫做在线趋势控件，利用该控件可以在终端机PC上实时地显示上述三个变量的曲线，对于参数调整很有帮助。记录变量可以通过WinCC的变量记录编辑器来完成。
结论
本文作者创新点：监控系统的参数下载的故障出错提示功能。工厂的操作人员对参数下载功能很满意，避免了他们的误操作。
本文实现了基于S7-200的粘胶生产自动化监控系统，实际生产表明控制系统可以将反应炉的温度控制在 1℃，作为安全设计的开关量电磁阀打开次数很少，控制模拟量电磁阀的电流信号波动不大，整个系统的控制性能令人满意
一．引言
随着我国经济的发展，人们对电子设备的需求越来越大、对电子设备的质量要求也越来越高。针对自动化流水线的需求也越来越广泛，因此，需要可靠、功能齐全、响应速度快的控制系统。然而PLC可靠性高、抗干扰能力强、性能稳定、容易扩展、便于维护和升级等优点都强于PC机。此自动化流水线选用CPU224及UniMAT扩展模块控制系统，下面具体介绍设计方案。
二．系统概述
电池包装流水线主要由电池性能检测 、电池贴附商标及电池裹标三部分工艺及各设备机构的衔接传送控制部分。电池性能检测：此控制系统需要采集电池性能检测数据，处理后送入PLC，经PLC运算筛选电池良品；传动到贴附商标设备中，控制伺服电机对电池贴附功能，由角度扫描光纤测定电池贴附精度，筛选电池良品送入全自动裹标设备放料平台，经三个步进电机控制到裹标位置-裹标-下料。
三．系统构成及功能
PLC：CPU224；UniMAT扩展模块：UN221（32点数字量输入）、UN221（16点数字量输入）、UN222（32点数字量输出）、UN221（16点数字量输出）、UN253（运动控制模块）
1：控制要求
○1监视整个流水线的工作情况。
○2进行各设备时间参数及计数参数设置。
○3执行控制全局作用，负责各部分工艺工作的状态，处理使整个系统良好运行。
2：整个系统精度控制
○1伺服电机**控制，通过对伺服发送脉冲数控制卷料商标压轴角度达到**的出标位置，实现高精度的贴标任务。
○2步进电机的**控制，此系统使用三个步进电机：步进电机传送电池到裹标位置，为减少误差累计的负面影响，使用发送高数脉冲数实现**定位；裹标利用步进转动角度和转矩控制裹标的质量；下料为自动装置且下料机构须同一位置进行且不影响产品情况下选用步进电机收料到一定数量后整体移出。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等
3：系统需求
○1数据采集卡：采集电池性能检测信息功能；
○2数字量输入及输出；
○3高频脉冲输出。
手动及自动运行两套系统，且对各个输入点进行监视，如发现异常立即停止此系统，发出报警功能。
四．系统控制过程
此系统采取同步和异步控制程序，主要**各工艺的利用率及生产效率。（部分动作控制流程图如下）
工艺流程图
电池性能检测控制流程图（部分控制流程）
五．应用效果分析
经整个系统稳定后，全自动包装流水线在各监控中下无误差的稳定生产，整套UniMAT PLC控制系统抗干扰性、稳定性及可靠性在企业生产过程中得到了充分的体现。今后全自动流水线将是大型企业发展趋势，其控制系统的全面性，功能的强大性也是PLC发展趋势。
目前国内外污水处理工艺主要采用传统活性污泥法及其变形工艺：A-B工艺、A-O工艺、A2O工艺（及其改良）、SBR工艺、CASS等工艺，其中污水处理过程中生化池的曝气量控制始终是个难题。污水处理曝气过程中溶解氧的分布情况，直接影响污水处理的效果及污泥活力甚至出水水质。在欧洲，溶解氧浓度的设定值由十年前2～5mg/l，近十年设定值2mg/l，到现在的1.0～1.2mg/l，国外也在结合不同的实际运行工况，不断地摸索合适的溶解氧浓度，降低原始设定值。
现在国内大多数污水处理厂曝气量的分配、供应效果很不理想，溶解氧浓度振荡大，周围前后段溶解氧浓度相差很大，直接影响出水水质。大多数污水处理厂曝气量的分配、供应仍然靠人工远地手控，很容易产生差错，对系统造成人为的冲击。有一些污水处理厂也使用了自动化控制系统，其处理方法是以生化池溶解氧信号为控制信号，蝶阀为执行元件的方式进行控制，定值调节曝气池内溶解氧的浓度。在污水处理厂实际运行控制中，这两种方法均达不到很好的控制效果，控制滞后、精度低、溶解氧波动大、能耗高以及直接影响处理效果。
所以，研究和推广新的控制系统来**城市污水处理生产工艺水平很有必要，并且应该能满足以下要求：
**、稳定地控制污水曝气池中的溶解氧浓度，**生化处理率，改善出水水质;
实时根据风向、风力、温度、进水水质情况改善溶解氧浓度，调整气体**，以需定供，及时、准确、科学的分配气体;
优化鼓风机的运行，以达到节能减耗的目的;
避免由于溶氧仪仪表故障而造成整套工艺瘫痪，曝气不足或过量所造成的微生物的生长成活率，从而影响污水处理厂的正常生产;
降低污水处理厂的运行成本，减少值班人员的操作难度，**工作效率;
替代国外同类产品，出口创汇。
2、设计思想
在系统稳定的情况下，假设进水水量、水质、水温等条件都保持不变，鼓风机出口压力、曝气量也不变，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧浓度稳定在给定值上。但在污水处理过程中不可能永远处于这么理想的平衡状态，干扰发生时必然会破坏上述的平衡，所以必须得通过**的自动调节手段才能使整个系统及时恢复稳定。
当水质水量不变时，系统如何保证曝气平衡
假如进水水质、水量相对比较稳定，当系统受到外界因素的影响使鼓风机的出口压力或**发生了变化，或由于其它就地控制回路的调节作用使该回路的曝气量发生了变化，平衡状态被打破。
控制系统的每个现场控制回路中，都配有一个高精度的气体**计，它会连续并且精
确的测量气体**的变化，当受到干扰时，该回路的**计立即测量到了这个变化，及时的反应到该回路的输入端，**控制回路很快对这个变化作出判断，迅速改变该回路中高精度调节阀的开度以保持曝气量不变。这样，经过**控制回路的控制，在干扰还未波及到溶解氧之前就已经被克服，即便是干扰较大，其大部分影响已经被**控制回路所克服，波及到溶解氧时，干扰已经很小，再通过**计算回路进一步调节，彻底消除干扰影响，使溶解氧恢复到给定值。
当水质水量发生变化时，系统如何保证曝气量
假如供气系统稳定，而进入曝气池的水质、水量等发生了变化，使溶解氧发生了波动，
破坏了原来的平衡。控制系统中包括**计算单元和**控制单元。当干扰发生时，**计将实际测得的气体**反应到**计算单元，溶解氧的设定值、溶解氧实际测量值、溶解氧变化趋势以及氨氮信号等也同时反应到**计算单元，结合系统的历史数据，通过系统内的模糊控制程序，系统会根据实际需要重新给定一个气体**设定值，反应给**控制单元，及时调节现场回路的曝气量，干扰被克服，很快使溶解氧恢复到给定值。
如何智能控制鼓风机的操作压力，达到节能的目的
曝气电耗占污水处理厂的80%左右，通过**控制算法来降低能耗十分必要。如果鼓风机的当前操作压力比较高，而阀门的开度都比较小，这样系统处于比较耗能的状态。所以由控制系统中的压力控制单元，综合所有的实际气体**信号及阀位信号，通过计算，给出一个低所需的压力设定，来重新调整鼓风机的操作压力（调节进口导叶或变频）），以达到按实际所需供应气体的目的。
3、系统实现
图1 系统控制回路图
3.1 系统配置
系统控制组成见图1所示。系统以热效应气体质量**计为主传感器，与DO仪相比，其测量数据更为准确，基本上不需维护。热式气体质量**计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。系统采用菱形调节阀来代替传统控制中的蝶阀。菱形调节阀有两个优点，一是在0-内调节均呈线性关系，具有等百分比**特性，而蝶阀仅在25-65%的范围内呈线性关系;二是该类型阀步进值较小，因此可以**地调整供风量。
图2控制配置图
系统控制器选用法国Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置见图2。考虑到一个鼓风机带了四个曝气回路，选用8路输入模拟量模块和4路输出模拟量模块构成控制闭环，并将PLC纳入工厂控制网络，通过MODBUS PLUS网与厂级控制控制系统（含鼓风机控制、水质监控等）通信。选用Schneider公司的10.4寸 64色触模屏作为人机界面。
3.2 控制算法
针对上文所述的设计思想，系统采用串级PID控制系统：主回路的溶解氧浓度通过曝气量的设定来调节，采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取水质（氨氮、硝酸盐氮等），根据水质的变化、溶解氧的设定值、溶解氧当前值及一定时间内的历史数据，通过计算重新给定一个曝气量的设定值;副回路的曝气量通过阀门的开度来调节，也采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取鼓风机的出口总压力设定值，这样可快速克服由于鼓风机控制系统出口总压力设定值的变化带来的干扰，而反馈控制可以快速地根据曝气量调节阀门开度，同时克服由于不同管道共用一个鼓风机而带来的干扰。串级控制系统具有抗干扰、快速性、适应性和控制质量好的优点。
如果四个阀门的开度都比较小，这时管道阻力比较大，使得鼓风机能耗上升，效率下降。所以可以同时适当增加四个阀门的开度，而把鼓风机控制系统出口总压力设定值调小，这样达到了节能的目的。而由于鼓风机出口总压力的变化导致曝气量的变化可以很快被前馈环节消除。阀门的开度增加也不能太大，否则就没有留下多少调节的余地。
3.3 软件设计
Modicon Quantum系列PLC的编程软件提供了丰富的函数库，在过程控制方面功能更为强大。下面就软件编写中用到的几个主要控制函数SAMPLETM、PIDFF和MS作简单介绍。
SAMPLETM函数用来进行定时，INTERVAL引脚用来指定时间间隔;PIDFF函数是带前馈输入引脚FF的PID控制器，功能十分强大，支持增量式和式PID运算，输出信号幅值和梯度限幅，自动/手动切换，Para_PIDFF引脚是PID参数数据块;MS是输出控制函数，其OUT引脚的值可以是PID运算的输出值，也可以是人机界面上的操作值，通过MAN_AUTO引脚进行设定，实现自动/手动双向无扰动切换。通过两组上面三个函数的连接很方便地实现了上文所述的串级PID控制算法。
图3 几个主要的过程控制函数
触摸屏软件采用Vijeo-Designer组态软件编写。在触摸屏上运行的监控系统具有主控自动、主控手动两种工作方式。主控自动指由PLC的内部算法进行控制，可以将控制方式切换成手动，直接在触摸屏上设定阀门的开度。
在触摸屏画面能显示工艺流程及测量参数，控制方式、程序运行工况、控制对象状态，历史曲线，也能显示成组参数。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，可以不同颜色进行显示。