6ES7518-4TP00-0AB0型号介绍

系统设计依据

　　面对21世纪的世界性的自动化控制领域以分布式现场总线为主导的，电气控制技术、电子仪表控制技术、电子计算机技术（EIC）三电合一的一场革命性变革及发展趋势；借鉴三钢厂具有90年代世界水平的引进设备异型 坯连铸机的自动化控制系统**的设计思想，在充分考虑到设备**性、开放性、稳定性及备件来源的可靠性和价格性能比等诸多因数，结合参加异型坯连铸机自动化系统安装调试积累的经验和对引进的自动化设备深入的认识,我们选定了西门子公司**的控制设备.

　　新六机六流方连铸机生产线自动化系统分两级,级称基础自动化，基础自动化系统主要由西门子公司的SIMATIC S7-400PLC、操作员工作站（WINCC C/S方式）、传动装置（变频器）和仪控系统组成。其中29台德国SEW公司变频器都作为从站以PROFIBUS-DP协议与PLC相连，由PLC跟踪系统设定速度，仪控系统121总线仪表通过 PROFIBUS-PA协议与PLC相连。该台铸机主体设备核心部件、二级工艺过程控制应用软件包等均从奥钢联引进。为解决重工业厂区的电磁干扰和满足大容量的数据交换，在高层网络设计中考虑采用100Mbit/s光纤Ethernet 环网，每个主PLC站通过CP443-1模块及OSM光连接模块,连成光纤环网络拓扑结构。

　　如下图所示，三钢六机六流连铸机生产线的基础自动化系统，根据其工艺需求，每条铸流均是一条独立的生产线，此外还有一些公用系统，为便于管理和维护，在现场级由六套铸流PLC系统和一套公用PLC系统组成，每 套PLC都将所有信息送到中央监控层，还有部分铸流系统与共用系统的数据交换，为保证系 统的可靠性及快速性，选用工业以太网。

　　在中央监控层采用SER VER/ CLIENT结构，改变过去单机应用模式，采用多用户系统。多用户系统由多个操作员终端构成，这几个操作员终端则通过终端总线提供数据，而终端总线是独立于系统总线的标准以太网，仅用于从OS服务器向过程终端、工程系统提供数据。系统总线和终端总线完全分离,OS服务器只需通过自动化系统提供一次数据。

　　多用户系统的优点在于：过程终端能够以极大的灵活性安装与排列；安装费用相当低廉, 可实现互连、互通和互操作功能；为保证系统的可靠性，OS服务器需2台作冗余，若其中一台服务器故障，OS终端将自动切换，延时1-2分钟，故障服务器启动后需手动切换OS终端，在故障后重新启动操作员站时，所有测量值档案和报警档 案将被自动比较和更新。

　　铸流系统：以为例，主PLC（S7-400）的主机架由一个电源模块、一个CPU414-2DP、一个CP443-5 EXT（路 由功能）和CP443-1以太网通讯模块构成。CPU集成DP口通过Profibus-DP网与下挂5个I/O远程工作站-ET200M（采集本流现场的各种电控设备、液面控制器等的开关 量与模拟量）和一个接点容量为5A的I/O远程工作站-ET200（MCC柜），拉矫机变频器，引杆变频器、BMS变频器，辊道1#变频器、辊道2-4#变频器和火切割枪变频 器；3套C7-633分别用来控制结晶液压振动，#1，#2 中包液面进行数据交换；CP443-5 EXT的DP口通过DP/ PA bbbb与支持PA通讯的仪表（19台变送器，阀门定位 器，**计）进行数据交换，工程师站PDM软件通过 CP443-5 EXT路由功能，实现远方修改仪表信息。二 至六流的设备构成与相同。

　　公用系统：主机架配置与铸流配置一样，CPU集成DP口通过PROFIBUS-DP网与下挂4个I/O远程工作站-ET200M（采集现场的各种电控设备、拉矫,出坯火切等的开关 量与模拟量）和2个接点容量为5A的I/O远程工作站-ET200（MCC柜），大包回转变频器，#1中包行走变频器、#1中包行走变频器，移钢机变频器和U/V冷床变频器；1 套C7-633用来控制BMS冷却水，2套S7-300用于打号, 结晶振动液压控制；CP443-5 EXT的DP口通过DP/PA bbbb与支持PA通讯的仪表（7台变送器，阀门定位器, **计）进行数据交换。

　　操作员工作站与监控系统：采用CLIENT/SERVER结构,在主电室安装2套冗余的无限点WINCC SEVER，其中1台为工程师站，除安装WINCC外，还需STEP7，PDM,1台操作员站,在主控室安装3台HMI,火切室、拉矫室各 一台HMI。通过HMI实现对生产线的组合操作，状态监控，参数设定和报警显示，同时还配有打印机和硬拷贝机, 用于打印报警信息、工艺动态参数和趋势图。

系统的特点

从技术角度看：

· 总线技术代表检测系统数据传输技术的发展趋势

· 仪控系统采用PA总线技术，直接获取数字信号，简化了PLC程序，取消了大量A/D转换任务,**了主PLC工作效率，减少模拟量信号在传输过程中的误差，**了测量精度

· 由于实现了现场设备控制网和工厂管理网，可远程预 测和设备诊断，远程调整操作参数，设备管理，同时由 于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量

· 节省大量的电缆与硬件设备的投资和安装、调试费用,大大缩短了安装调试时间

· 用户具有高度的系统集成主动权，可自由选择不同厂 家的设备组成佳系统，设备出故障时可自由选择替换 的设备；其设备的标准化和功能模块化，使其还具有 设计简单、易于重构等优点

· 大量的现场设备信息进入管理层，**了设备的运行 管理水平，使操作和维护人员及时掌握全厂现场设备 的详细状态信息，可预测性的维护，节省大量人力和 时间

1  引言

圆网印花机是多分部协调运动的电气传动系统，由于具有速度快、成本低的优点，目前广泛应用于印染工业中。圆网印花的工艺要求各个印花圆网之间以及圆网与送布皮带之间保持严格的同步运动，同步控制的好坏直接影响印花质量。因此，设计研制高性能的圆网印花机控制器成为研制圆网印花机的关键。印花传送带经主动电机拖动，以稳定的线速度运行。各印花筛网分别由步进电机拖动跟踪送布带，迅速达到同速运转，再经过快速调整，使各个筛网的零位标志会合。此时，织物进入印花机，进入生产过程。在稳态运行过程中，要求各个筛网不仅能够自动调整由皮带速度变化、自身干扰等造成的误差，而且能够根据前级误差确定自身的佳会合点。传统印花机存在着：系统的可靠性低、(例如：采用分布式设计、cpu计算能力的限制)成本高等缺点已不能适应灵活多变的市场需要。因此，设计研制高性能圆网印花机控制器成为研制新型圆网印花机的关键。

2  工作过程及控制结构

图1  圆网印花机工作原理图

圆网印花机由四个单元组成：进布单元、印花单元、烘房单元和落布单元。其工作原理如图1所示，织物在进布电机的传送下进入机台，送至印花导带上，并被粘贴在印花导带上。织物经过印花圆网时，由印花导带和印花圆网的同步运动，使各种印花染料经印花圆网转移到织物上，从而完成印花过程。印花后的织物在松弛状态下，被送至烘房进行烘躁处理。烘干后的织物后由落布单元送出机台，这样就完成了整个印花过程。

圆网印花机是多轴运动机械，所以稳定的印花导带运行速度、高性能的圆网位置控制系统是保证圆网印花机印花精度的关键所在。

3  控制系统的设计

以往都采用分布式圆网印花机控制器的设计方案，这种方案具有便于分解和处理复杂问题，局部故障不易导致系统整体崩溃的优势。但是分布式控制有安装复杂，成本高，抗干扰性差，可靠性低等缺点。然而采用fpga和单片机的集中式圆网印花机的控制器可以**系统的可靠性和控制精度。这种控制方案有安装方便，适应广，控制算法极易实现，抗干扰好，可靠性高，互换性好，板子体积小等优点。整个系统设计框图如图2所示。

图2  圆网控制系统组成原理图

在实际印花过程中，造成错花的原因是多方面的。从整体分析，错花是由两个方面的原因引起的：一是由于机械部分的非线性特性造成的错花；二是由于控制系统中圆网与导带之间、圆网与圆网之间，不同传动链的传动特性不同而导致位置不同步造成的错花。机械部分的非线性特性造成的错花现象由机械加工特性决定，在加工成形后是固定不变的。用电子齿轮技术代替传统的机械传动跟随控制技术，通过改变电子齿轮算法实现动态跟踪。电子齿轮能实现电子齿轮比的实时调整，**了工作的可靠性和柔性，减少了累积误差。

4  电子齿轮的设计

伺服系统的精度由编码器的线数决定，而通过电子齿轮设定可以使指令脉冲设为任意值。电子齿轮的作用就是用电子电路的方式实现机械式齿轮的功能。机械齿轮的功能就是实现传动速度的变化(增速或减速)，电子齿轮同理，是对指令脉冲的频率进行调节(见图3)。

图3

指令装置发脉冲，经过4倍频处理进入电子齿轮环节，再输出给脉冲接收装置。通过电子齿轮环节中不同的电子齿轮比，保证输出脉冲和输入脉冲的频率关系比称线性关系(其比值即等于电子齿轮比)。当电子齿轮比固定时，输出脉冲频率随输入脉冲频率的变化而变化。通过以上的理论原理，可以利用设计电子齿轮如图4所示。altera的 ii可编程逻辑软件属于第四代pld开发平台，提供可编程逻辑的设计环境。

图4  基于 ii设计的电子齿轮

5  结束语

为了保证印花过程中不错花，控制系统必须保证在误差范围内圆网之间的同步，同时必须保证圆网速度与导带速度恒定。本文提出的采用fpga和单片机的集中式控制系统，它能减少系统的干扰，从而**印花精度。本次设计调试已经成功。实际运行和测试结果表明，系统功能基本实现，精度到达设计要求。

1  引言

    超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。

2  超声波测距基本原理

    超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即脉冲--回波方式。该方式的基本电路框图如图1 所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。

图1  超声波测距基本组成

    发射电路是一个工作频率为40 khz的多谐振荡器，多谐振荡器受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空气中传播，遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小(几到十几毫伏)，因此须由低噪声放大、40khz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波波号处理电路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。

    超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=ct/2。

    在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器t0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在int0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

3  超声波测距的误差分析

3.1  环境温度对测量精度的影响

    利用超声测距要考虑媒质的弹性模量和密度对声速的影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，气体中声速主要受密度影响，超声波在固体中传播速度快，气体中传播速度慢。气体中声速受温度影响大，超声波在空气中传播速度为

    式中t为温度，c0=331.4m/s。

    由于声速与温度有关，为了**测量精度，设置了温度检测电路，根据实际测量的温度值利用公式计算超声波速度，对终测量结果进行校正。

3.2 回波前沿检测误差对测量精度的影响

    超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；同时衰减系数还与超声波的频率有关。因此超声波测距在实际应用的局限性，影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。二是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收过程中，其回波信号被展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。由于超声波收、发传感器均由压电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。正确检测回波到达时间，能使超声波测距精度获得**。

4  系统组成结构

4.1 硬件结构

    主要包括at89c51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、测温电路等。

    采用数字温度计ds18b20来采集温度信号，ds18b20是美国dalas 公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机连接，测量范围从-55℃～125℃，-10℃～85℃时测量精度为0.5℃。

    超声波发射及驱动电路由功率放大电路和超声波发射传感器组成，其原理电路如图2 所示。放大器输人端获得一个来自单片机送来工作频率为40 khz的脉冲信号。通过功率放大电路放大到足够大的能量(增加超声波的传播距离)，该能量加给超声波发射传感器，驱动超声波发射头，并发射出40 khz脉冲波，通过空间向外传播出去。

 图2   超声波发射电路

图3  超声波接收电路

    超声波接收电路由高速运算放大电路和超声波接收传感器组成，其原理电路如图3所示。超声波在空气中传播时，其能量衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器接收信号一般在1 mv-iv之间。接收电路采用由lm318高速运算放大器组成两级信号放大电路对其进行放大，以满足增益带宽和转换速率的要求。当超声波接收传感器接收到返回的超声波信号，接收传感器将超声波脉冲变为交变电信号，经放大器放大后进行处理。

    测距电路的输入端接单片机p1.0端口，单片机执行程序时，在p1.0端口输出一个40 khz的脉冲信号，通过超声波发射电路发射出去，同时启动单片机内部的定时器t0，定时器开始计数。当反射物将超声波反射回来，超声波接收电路接受处理，输出端产生一个负跳变，在into 端产生一个中断请求信号，定时器停止计数。单片机响应外部中断请求，执行外部中断子程序，读取超声波从发射到接收的时间差，后经过换算得出超声波传感器与反射物之间的距离。

4.2 系统软件

    系统软件包括主程序、温度采集子程序、发射子程序、计算子程序、数码显示子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序完成初始化后调用发射子程序，由p1.0口发射脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，计数器t0开始计时；为防止虚假回波的干扰，在延时一段时间后，开中断。当有外部中断信号时，单片机就停止t0的计时，计算出渡越时间t并存储到e2prom中；然后调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速c，存储到e2prom；单片机再调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离，后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来，完成一次测量。

    设计中，超声波发射极和接收极距离较近，当发射极发射超声波后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波1ms内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，1ms后立即启动t0，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的同时，t0停。此时t0所记录的cpu 发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。因此系统存在测量盲区。主程序流程图如图4所示。

图4  主程序流程图

5  结束语

    本文所设计的超声波测距系统，其结构简单、体积小、抗干扰性能好，若要满足更高的精度要求，还须进行适当改进。在某些特殊场合的应用中，还要考虑超声波的人射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。本系统不仅适用于距离的测量，还适用于水文液位测量和汽车间间距的测量，应用范围较广。