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西门子模块6ES7321-1BP00-0AA0详细说明
安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大，成本高，它们在汽车的应用受到很大的限制。
近年来从半导体集成电路(IC)技术发展而来的MEMS (Microelectromechnical System, 微电子机械系统)技术日渐成熟。利用这一技术可以制作各种能敏感和力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。 80年代初，微型压阻式多路绝对压力（Manifold Absolute Pressure）传感器开始大批量生产，取代了早期采用LVDT技术的压力传感器。80年代中期微型加速度传感器开始用于汽车,它们是到目前为止大量生产的、并在汽车中得到广泛应用的微型传感器。然而微型传感器的大规模应用势必将不限于发动机燃烧控制和,在未来5～7年内包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS(antilock brake system,防抱死系统）、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统（如气囊和障碍物检测与避撞等）在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。
全世界的汽车产量将从2000年的4750万辆(包括客车、辆和轻型卡车）增长到2005年的5400万辆。2000年汽车用电子产品的市场为227亿美元，预计到2005年达到309亿美元，年平均增长率达到6.3%。相应的每部汽车在电子产品方面所花费的成本从2000年的477美元增加到2005年的572美元。
据文献报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品），到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件），增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计）。2000年北美所占汽车传感器市场份额最大，为47%，接下来分别是欧洲(26%),日本(22%),和韩国 (5%)。
速度和位置传感器占2000年全部汽车传感器市场(以美元计）的38%，接下来是氧气传感器（20%)、空气质量流量传感器（13%）、加速度计(11%）、压力传感器(10%）、温度传感器(5%)及其他(3%）。
2000～2005年度汽车传感器的主要增长领域包括以下几个方面：用于车辆动力学控制和的加速度计；用于传动、刹车、冷却、轮胎、燃油等方面的压力传感器；用于车辆动态控制、翻车报警和GPS后备的偏航速率传感器；用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器；车厢环境监控的湿度传感器；日光、雨水和湿度传感器；用于近距离障碍物检测和避撞的测距传感器。 汽车部件需要满足多项环境、可靠性和成本等方面的要求。具体来说，它们一方面必须能经受各种高低温、振动、冲击、潮湿、腐蚀性气氛、电磁干扰等不利因素的考验；另一方面也必须适于大批量生产，一般要达到每年一百万件以上，这不仅是汽车量产的需求，也是收回设计和制造方面的巨额投资所必需的。此外，其可靠性也应与汽车高达10年/15万英里的使用寿命相一致。总而言之，汽车部件是“的质量，民品的价格”。
绝大多数微型传感器采用硅材料。众所周知，硅材料容易获得很高的纯度，有良好的机械性能且重量较轻，本身具有光电效应、压阻效应和霍尔效应等多种传感特性，且便于制作信号敏感与处理电路集成的传感器。微型传感器的主流工艺是硅基微机械加工工艺，它来源于已经成熟的半导体工艺，可以同时加工出大量几乎完全相同的机械结构。因此，除了具有体积小、重量轻、能耗低等优点外，微型传感器的可靠性较高，其供货价格也可以远远低于采用传统机电技术和工艺的传感器。MEMS技术势必将成为汽车传感器的主流技术。最近的Roger Grace Associates/Nexus报告估计汽车用MEMS产品的销售额将从2000年的17.5亿美元增加到2005年的22.7亿美元，年均增长率为16.9%。
由于基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。早期的多路绝对压力传感器已经基本为微型化的传感器所替代，目前这种传感器的敏感元件和信号处理电路已经可以集成在同一芯片上，从而大大缩小了体积并可以提高可靠性和减小干扰。
在其它压力敏感应用，特别是恶劣环境中（如置于发动机油和散热器冷却剂中的），一般采用分立元件构成的陶瓷电容式压力开关，它们现在将逐步被用键合方法制作的硅应变计（一般固定在而坚固的封装中）或压敏电阻芯片（装在带不锈钢膜片端盖的充满硅油的硅制外壳中)所替代。目前可以提供这类产品的厂商有Keller, Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco以及Integrated Sensor Solutions(ISS)/Texas Instruments。质量流量传感器通常是用分立的热线构成的，而目前Bosch公司利用表面微机械方法制作的化的传感器已经显示出其显著的优势。用于的撞击传感器已从简单的“球—管”(Ball And Tube)式传感器演化为微型化和集成的加速度计，目前的主要厂商有ADI, Motorola, SensoNor,和Nippondenso等。其中Motorola 的微型加速度计产品如图2所示。此外用量很大的轮速传感器（用于ABS及车辆动力学控制）也将由传统的变磁阻式向霍尔式、各向异性磁阻比(AMR)和巨磁阻比(GMR)式发展。以析和实例说明微型化是现有汽车用传感器发展的主要方向。
本节将对微型传感器在汽车中的主要应用方向进行分析，它们包括安全系统、提高舒适性/方便性/防盗、发动机/驱动链以及车辆监控和自诊断等四个方面。
目前是而且将来也是MEMS的一个主要应用。所用的硅基加速度计的量程一般为50g。除了ADI公司外，一般的加速度计仍由多芯片组件构成，提供经过调理的信号。ADI则采用较为先进的单片式集成方法，在同一芯片上同时制作出加速度敏感元件与相应的信号调理电路，如图3所示。
不少厂商已对利用压缩空气来代替打开气囊时所常用的钠基化合物或作为它的一种补充进行了研究。为此研究了用于检测压缩空气缸压力的传感器，但目前尚未实际应用。
悬挂系统应该能够在高速转向时、在凹凸不平的路面上行驶时以及突然加速和刹车时让车辆仍具有较好的驾驶性能。许多系统采用的是总体式闭环控制。完全主动式的系统非常昂贵（2500～4000美元），其所用的液压作传动装置将消耗很大一部分功率，而且大大增加了重量。这些系统的引入确实改善了车辆的性能，但也大大增加了成本。因此它们在大批量生产的汽车上的应用受到了限制。不过，许多厂商引入了半主动控制的悬挂系统。其中一些在减震器上安装了位移传感器并采用了不少线加速度计。这方面的应用要求的加速度量程仅为±2g的量级，它们为微型传感器的应用提供了很好的机会。
从1995年S级Mercedes轿车开始，硅基压力传感器已用于检测主制动器气缸的压力。除角速率传感器外，加速度传感器、方向盘角度和车轮速度传感器正逐步应用于车辆动力学控制中。但是，大部分车辆仅使用车轮速度传感器（ABS,牵引力控制）。目前，Bosch公司的表面微机械陀螺或Systron Donner和Matsushita的音叉式陀螺等角速率传感器的单个售价为25美元，其应用仅限于高级轿车，如Mercedes(S级)、BMW、Cadillac。多家著名的汽车及配件供应商正在致力于设计性价比更高的系统。更廉价的基于MEMS技术的角速率传感器将有助于这些系统在价格更低的汽车中应用。
目前的汽车导航系统将GPS（全球定位系统)和储存于CD-ROM中的电子地图与车轮旋转传感器和速率陀螺或磁罗盘结合起来。但目前此类系统的价格很高，约为1800美元，只能作为待选的配件。在这方面的应用中MEMS传感器将发挥越来越重要的作用，它们的应用将使这类系统在不远的将来降到900美元以下。
汽车空调压缩机中的压力测量为MEMS技术提供了很好的机会。目前所使用的是其他技术(如T I的陶瓷电容压力传感器）。但很多MEMS技术公司正积极开发相应的微型传感器，以争夺这一很大的市场。
发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。Delco, Motorola和Bosch公司生产了数以百万计的多路压力传感器。这些器件测量出的多路进气压力可以用来计算空气/燃料比。人们正在尝试用空气质量流量(mass airflow）传感器代替这类器件。目前市场上出售的产品采用了分立的热线式风速测量方法，它们的体积大、价格高。Bosch公司1995年引入了一种基于薄膜技术的新型质量流量传感器。现在许多组织正在对已经微型化的这种传感器进行评估。除了多路压力和质量流量参数外，发动机控制器还需要获取大气压力参数，以便根据推算出的海拔高度信息确定合理的空气/燃油比。MEMS技术将在这些应用中发挥越来越重要的作用。
气缸压力测量对于优化发动机性能来说十分关键。由于气缸内的温度很高，压电和光纤技术较为实用，不过它们昂贵的价格限制了其应用。目前Ford和Chrysler公司的汽车中采用了废气循环(EGR）系统。在这些系统中，陶瓷电容式压力传感器正为微型硅压阻式传感器所取代。无级可调传动系统需要测量液压油的压力。在这一方面，通过各种方法与工作介质隔离开来的微型压力传感器将有广阔的应用前景。Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions (最近为TI收购)和 SSI Technologies公司正开发用于这类应用的微型传感器。它们都集成有通过EEPROM编程的硅基CMOS ASIC混合电路。
在这一方面，MEMS技术的一个主要应用将是轮胎压力监测。无论从安全行车还是从节省燃油的角度来看，有必要保持适当的轮胎充气状态。目前已有不少实时胎压监测系统。基于MEMS技术的微型压力传感器是理想的敏感器件。随着run-flat轮胎的引入，这些测量系统已经广泛安装于各种新车型中。Run-flat轮胎的使用使人们不再需要备用胎和千斤顶。美国克林顿政府已制定了一项法令，要求到2004年美国境内使用的载客汽车必须安装这类装置。这为微型压力传感器提供了一个巨大的市场，Lucas NovaSensor, Motorola和 Sensonor等厂商正积极争夺这一市场。
发动机油的监测也为MEMS技术提供了一个重要的应用机会。这些系统应用的最大障碍是其价格。这类压力传感器必须能够在温度很高的发动机油中正常工作，其硅制敏感芯片部分必须与工作介质隔离开。带有全部信号调理电路并封装好的传感器的价格应在5～7美元之间。压力传感器还可以应用于监控易挥发燃油油箱中的蒸气压，以确保无燃油蒸气泄漏。
在不久的将来，汽车方面的应用将继续构成MEMS技术的一个重要市场。如今传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计几乎已经完全被微型化的传感器所替代。在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和刹车压力测量方面，人们正在考虑或已经开始用基于MEMS技术的传感器来取代已有的产品。此外，人们还在考虑在许多新开发的系统中采用传感器。价格、可靠性和体积等方面的优势将使微型传感器成为汽车中各种参数测量的首选产品。目前这些优势已为实践所实。汽车用微型传感器已受到科研机构及厂商的高度重视，可以预言，未来5～7年其研制、生产与应用将获得高速增长。
一般主要有三种控制方式，即速度控制方式，转矩控制方式和位置控制方式，下面分别对每种控制方式进行详细说明。
1.速度控制方式
通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位机控制装置的外环pid控制时，速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位机反馈以做运算用。速度模式也支持直接负载外环位置信号，此时的电机轴端的编码器只电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
2.转矩控制方式
转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为：例如10v对应5nm的话，当外部模拟量设定为5v时，电机轴输出为2.5nm，如果电机轴负载低于2.5nm时电机正转，外部负载等于2.5nm时电机不转，大于2.5nm时电机反转。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定力矩的大小，也可以通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备。
3.位置控制方式
位置控制方式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的 大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服驱动器可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置，应用领域如、印刷机械等等。
如何选择伺服电机的控制方式呢? 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
如果对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提率(比如大部分中高端运动控制器)；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
一、 项目设计背景
因地制宜、审时度势地应用引入、试行推广“四新”技术，是现代企业科技进步和两个效益不断提高及稳步发展的一项重要途径和手段。该项目的增压泵站是为设计能力日产16万吨自来水厂输送原水的配套新建工程，泵站距上游水库取水口1.2公里，距下游自来水生产厂22公里，选用DN1200MM压力输送管。根据输水工程项目设计方案，利用地形自然高差和库容常水位，自流输送能力为10万吨/d，当输送量超过10万吨/d时，需通过增压泵输送。该增压泵站设计选用10KV/355KW机组，提升扬程为13米，额定流量为7200吨/h，启动方式为液阻降压启动，配机组两套，一备一用。
泵站自2002年6月投入试运行。但由于实际需求输水总量为10-12万吨/d，所以只能依靠调节出口阀门开度来调节流量，以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。同时，根据预测，在近二、三年内还尚未能达到16万吨/d的需求量。鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的运行，拟考虑安装变频调速装置，并经过经济技术评估，认为是可行的，于2002年9月筹划建设该技改项目。通过社会调查和筛选，决定选用北京利德华福HARSVERT－A10/30变频调速装置。
二、 系统方案
1、 一次结线方案为一控二手动预置及变频/液阻启动运行方式手动预选模式；
2、 系统监控和操作为本机（现场）操作和上位计算机室操作两种模式；
3、 运行控制方式是近期为开环控制，当达到设计生产能要求时，实行闭环控制。
三、 系统功能及说明
通过变频器主界面可以进行变频器的功能设定、参数设定、实时波形显示、运行记录打印、故障查询。
通过主界面可对变频器直接进行启动、设定运行频率、停机、急停和复位等操作。
2、 参数设置功能设定：设置允许和设置禁止
设置允许－－是用于停机状态下对变频器和电机参数的设定、修改和保存；
设置禁止－－是用于不管变频器当前处于运行或停机状态下进行设定参数查看，但所作修改和新设定均无效，系统不予保存。
3、 运行方式设定
用于选择变频器开环或闭环运转方式和远控或本控方式的设定。
4、 频率设定选择
由计算机设定和模拟设定两种方式，即可通过主界面或上位机和接受外部0-10V或4-20MA模拟设定信号。
5、 上位机参数修改
通过远控/本控开关和配合使用“参数设置功能设定”，实现在上位机上进行设定和修改参数有效与否。
6、 上位机控制
通过远控/本控开关和配合使用“参数设置功能设定”，实现在上位机上进行启动、停车、急停、复位、设定运行频率等功能的有效与否。
7、 远程拨号监控
共他计算机通过电话网络在远程对变频器进行控制及运行情况监视。如果该功能“禁止”，则远程拨号失去对变频器的控制权，仅有对变频器运行情况进行监视的功能。
8、 模拟输出
变频器具备两个模拟输入通道，每个通道都可以选择为电流源输出和电压输出。输出物理量可分别设置成频率、电流、电压、功率、功率因素、流量、压力等量。
9、 PID调节器
用于输入调节器的各项参数。PID调节器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数在变频器运行时都可以实时修改，同时按下“应用”按钮后，新参数立即有效。
10、 模拟输入信号范围设定
具有四个模拟输入通道。先从模拟输入设置对话框选定模拟输入，然后在界面上对该通道的参数进行设定；先设定通道输入信号的信号源的性质，然后设定传感器输出的最大和最小输出信号值及其对应的测量范围。变频器可以接收0-20MA或0-10V范围内的任何电流或电压值模拟信号。
11、 参数设定
参数设定窗口用于设定变频器参数、电机参数以及管理参数，由主界面的参数设定按钮进入。在运行过程中，除了管理参数修改有效外，其余参数仅在停机时才能修改。
在参数设定窗口中，变频器参数、电机参数可按各参数对应的按钮，由弹出的软件键盘进行设定。参数修改后，按“取消”键，则所作修改无效；按“设定”键，则保存修改后的参数值，系统将按新设定的参数运行。
12、 恢复出厂设定
系统将出厂设定参数文件拷贝到当前参数文件。“确定”后，系统将按出厂设定运行；“取消”则恢复原参数设置。
13、 参数设定备份
将当前所设定的参数作为数据文件保存在硬盘中，以备需要时方便调用。系统总共可保存从save0到save16共17个备份。
14、 故障信息查询
变频器具有精确的故障定位及查询功能。任何情况下都可以通过故障查询窗口及时获知系统的当前状况及发生过的历次故障信息，包括故障发生时间、原因及位置。
15、 故障查询窗口
故障查询窗口在系统出现重故障时自动弹出，当前的故障处于闪烁状态。故障信息包括功率单元、整流变压器、电机、控制器、功率柜冷却风机及现场等各个部分的状态。当柜门、UPS、电机、变压器、风机等出现不影响运行的轻度故障时，将在主界面上实时显示，故障时，显示也随之消失。轻度故障不弹出本窗口。
16、 故障信息处理
故障查询窗口对故障种类及发生位置作出精确定位后，可以返回后通过主界面的帮助菜单寻求解决方案。
17、 运行波形显示
变频器利用波形显示窗口可以实时显示输入或输出的电流、电压波形，同时提供输入输出的功率和功率因数计算值显示，并具有通道选择，波形缩放、波形实时显示及保持功能。
18、 运行数据记录
变频器具有自动记录运行参数的功能。变频器发生的每一次操作以及对应时刻也相应记录在案。
19、 运行记录设定
变频器运行时自动记录的参数包括给定频率、输出频率、输入电流、输出电流、输入电压、输出电压、输入功率、输出功率、输入功率因数、输出功率因数、实际压力、累计运行时间等。以上所有运行参数连同记录的时刻一起同时被记录，而与参数前的选项无关。所有记录的运行参数按文本文件格式存放于工控机硬盘之中，每天作为一个文件，以日期作为文件名。
20、 记录查看和报表打印
可根据需要选择显示参数，没有选择的参数，系统将不予显示和打印。本窗口提供打印的时间段选择，显示该时间段内所记录的运行参数以便打印输出，并可将记录参数复制到软盘上。
21、 远程/本机控制方式
变频器具有本机和远程控制两种方式。当选择“远控”时，可通过DCS系统对变频器进行控制，也可在现场或集中控制室的远程监控计算机对变频器进行控制。变频器主界应的软件控制按钮失效；当选择“本控”时，变频器主界面的软件控制按钮生效，而远程监控计算机的控制功能同时失效。
22、 运行模式
变频器具有开环运行、闭环运行、软启动、正常停机、急停等多种运行模式。
23、 报警和复位
当系统在发生故障时，提供音响报警。可用“报警解除”按钮报警的音响。变频器运行时，“系统复位”按钮无效。其他情况下，“系统复位”按钮可对工控机和控制器发出复位命令。
24、 上位机监控界面
在“远控/本控”开关处于“远控”位置时，变频器不仅可通过远程操作开关按钮进行控制，还可通过上位计算机进行远程集中监控。上位机可直接对其实现起停控制、频率设定、功能设定、电机参数设定、变频器参数设定、故障查询、DA设定等各种监控功能。上位计算机的远程监控界面如下：
四、 安装和试运行
该技改项目于2002年10月上旬开始安装调试，于10月下旬投入试运行。至今运行时间并不长，仅仅5个月左右。自投入试运行至今，运行平稳，整个系统安全、可靠、监控系统清晰、全面，操作便捷，控制自序灵活。
五、 效益评估
作为一个高科技的产品或设备，都应具有一定的节能降耗这一项重要的技术经济指标和必备的要素。而对某一项技改项目的效益要进行总结和评价，应该说是一个十分严肃认真的科学问题，按贯例应申报项目，由政府专职权威部门经过实地科学测试和各种试验、计算、复核、审查、确认等环节。所以我们在此谈效益，讲成果，只是对企业自身的切身利益而言的效益和评价。就此而言，该系统在未安装变频调速装置前，输水量在10-13万吨/d，按供电部门计费计量表计为准，其运行平均电耗为500kw·h/万吨，而安装试运了变频调速装置后，输送水量也为10-13万吨/d，其运行平均电耗为300-320kw·h/万吨。根据输水需求预测，近两年内，年、日平均输水量为13万吨和15万吨。按上述对比值和预测量，经推算，按每万吨180kw·h和120 kw·h计算，两年可节电量149万kw·h；若按0.6元/kw·h计算为89.4万元。也就是说两年内能全部收回投入资金，可见其经济效益十分明显。同时，由于该系统的投运，提高了供水的可靠性和安全的保性。安全、正常、不间断的恒压供水是社会民众对供水行业服务质量最基本的要求。所以说，该系统的投运对企业两个效益不断提高可谓是锦上添花。
