6ES7222-1BF22-0XA8现货库存
1 引言
莱钢轧钢厂中小型车间加热炉为步进炉，用来对连铸坯进行加热。使用燃料为高炉和焦炉混合煤气，钢坯需要经五段加热区加热到适当温度后出炉。加热炉燃烧介质各参数的稳定运行非常重要，它直接影响到烧坯的质量,并涉及着安全生产等重大问题。在生产过程中对加热炉炉压和温度的稳定有严格的要求，比如燃气的流量和温度等等。要想实现这些参数的稳定，并且达到较好地配比有不同的方法可以实现。炉区仪控的热工检测控制量共573点，其中模拟量输入98点，模拟量输出24点，开关量输入261点，开关量输出190点。调节回路16套，分别对加热炉的煤气、空气的流量、压力，炉内温度，换热器的保护等进行控制。
随着微电子技术的发展，PLC产品在其功能和性能指标上都大大地丰富和完善，因此，我们就应用PLC的一些特殊功能模块和一些普通的I/O模块对加热炉的各个参数进行自动控制，包括前面提到的各种参数、以及通过PLC和变频器的通讯实现对变频器输出频率的控制。
2 系统构成
本系统上选用一台上位机MASTER VIEW,一台监控站Operate Station520配以ABB ADVANT BUILD软件包，PLC部分选用ABB MASTER PIECE200/1，它具有成本低、运行可靠、功能较强的特点。本系统大致可以分为三个部分;
(1) 仪控系统以及PID调节部分;
(2) 双交叉限幅燃烧系统;
(3) PLC和变频器的通讯部分。
系统构成框图如图1所示。
图1 系统配置图
3 仪控系统组成及控制功能
现仪控系统16套自动调节回路中，均采用PID调节，操作方式分为自动、手动方式，执行机构有14套电动方式、2套液动方式。操作站实行对炉子的状态监控、意外事件报警等功能。
3.1 仪控系统的检测
入炉煤气、空气的流量检测由管路孔板检测差压，经差压变送器转换成标准信号(4~20mA)进PLC。入炉煤气、空气的压力从管路出压口取煤气压力与大气压力比较所得差压信号，经差压变送器转换成标准信号进PLC。炉子的炉温(S型)、换热器处温度(K型)由热电偶检测进PLC。所有信号经PLC分别计算转换后，参与控制，并可在操作站显示。
3.2 加热炉压力控制
为保证助燃空气与煤气压力保持稳定、使炉内燃烧顺利进行，煤气和空气的压力必须进行控制。加热炉炉内压力过高，过低都不恰当，过高会使炉门喷火并损伤炉子设备，过低会使加热炉吸入冷空气，影响加热炉燃烧质量及效果，炉内压力的控制也很重要。
(1) 助燃空气压力控制
助燃空气压力的大小，是保证喷嘴正常工作的重要条件。助燃空气压力调节是PID调节。如果设定值与反馈值存在偏差，PID调节开始进行，尽可能在短时间内使偏差小。当反馈值大于设定值，经PID运算后向阀门输出控制信号，使阀门关小，于是压力下降，当反馈值小于设定值，经PID运算向阀门输出信号，使阀门开大，压力升高。
(2) 煤气压力控制
煤气压力控制阀主要起安全保护作用，煤气和空气若是出现低压，将会出现事故。所以在煤气和空气主管道上，分别装有两个低压开关，在换热器前后也各装有一个。任意一个低压开关动作，将会使煤气主关断阀都会自动关闭，停炉，保护加热炉。
(3) 加热炉炉内压力控制
炉内压力一般要求保持微正压控制。炉压滞后大，时间常数小，因此采用前馈—负反馈调节。系统调节方块图如图2所示。
图2 系统调节方块图
3.3 换热器保护
常温的煤气、空气通过换热器后以300-4000C进入炉内燃烧。换热器的温度不能过高，也不能过低。过高损坏设备，过低会使煤气结露，生成弱酸腐蚀换热器。
3.4 PlD调节
PID调节部分共16路,包括预热段、加热上段、加热下段、均热上段、均热下段煤气、空气的温度、流量等参数的控制。PID控制主要通过PID控制单元，该单元主要有以下特性:
(1) l00ms高速采样周期，实现了高速PID控制;
(2) 输入信号的抗干扰
滤波器衰减输入噪音，控制输入意外干扰，使PID控制成为有效的快速响应系统;
(3) 多种输出规格可供选择;
(4) 八组数据设置;
八个数值(如设定点(SP)和报警设置值)可以预置在八个数据组中;
(5) 可以用数据设定器输入和显示当前值;
(6) 可以用PLC程序输入和检索数据。
同时我们通过PLC的程序实现加热炉的双交叉限幅燃烧系统控制，从而实现了加热炉的稳定运行。
PID控制可以分为本地控制和远程控制两种模式，远程控制即通过PLC实现的控制，又有自动和手动两种方式，自动控制即由PLC进行全自动控制，不需要进行人工干预。手动控制即在上位机上给定一个阀位输出值，通过PLC对阀位进行控制。在正常情况下都是在远程控制模式下的自动状态进行，并且每个PID控制回路的SV值、PV值、OUT值都可以在上位机上用棒图显示出来，非常直观。
同时在上位机上可以很方便地修改各燃烧介质温度、压力以及每个控制回路的PID参数，如设定值(SV)、“P”值、“I”值、“D”值，并且操作界面非常友好，操作方便。
4 双交叉限幅燃烧系统
加热炉所用空气、煤气流量波动频繁，同时煤气的热值等因素也会影响燃烧效果。对这些不利因素，所用燃烧控制系统由温度控制和流量控制组成，在控制系统中设计了高、低选择器、系统运算单元和一些平衡换算单元，并辅有流量的温压补偿，加热区上下段的主副控制。
4.1 温压补偿
在气体流量控制中,由于气体所处的温度、压力不同，需进行温压补偿。在本加热炉燃烧控制中，空气流量温压补偿设为K1计算公式如下:
按式(1)计算出的数值K1放在AOC149中，各空气流量变送器测的实际数值乘以此稳压补偿，在参与计算与控制。
煤气流量温压补偿设为K2,
按式(2)计算出的数值K2放在AOC150中，各煤气流量变送器测的实际数值乘以此稳压补偿，在参与计算与控制。
4.2 双交叉限幅燃烧控制与实现
炉内分预热段、上加热段、下加热段、上均热段、下均热段。煤气、空气流量调节系统共有十路，由于控制原理基本相同，现仅以均热上段的燃烧控制为例进行说明。
(1) 燃烧控制系统原理
在煤气流量调节回路中，炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需的煤气流量之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤气流量PID的设定值。空气流量调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤气流量折算成所须空气流量之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，选中者乘上流量补偿系数，送到空气PID作为设定值。
其系统组成原理图如图3所示。
图3 双交叉限幅燃烧控制原理
(2) 系统调节过程及特点
在系统稳定状态时，温度PID的输出以A1送到煤气 流量调节回路PID作为设定值，以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值。
在负荷剧增(温测<温给)时,温度PID的输出剧增.对于空气流量调节回路,随着B1开始增加时,B1<B2,低选器选中B1,空气流量增加,当B1正跳变到B1>B2时,低选器选中B2,B1被中断,同时B3<B2,高选器选B2,B2作为该回路PID的设定值,使空气流量随着煤气流量的增加而增加,交叉限制作用开始,当B2增加到B2>B1时,低选器又选中B1,B1又作为该回路PID设定值,交叉限制作用结束,系统稳定。对于煤气流量调节回路,随着煤气流量的增加,高选器选A1,而低选器中,开始时选A1作为该回路PID的设定值,煤气流量增加,A1>A2时,低选气选A2,A1被中断,煤气流量随着空气流量增加而增加,交叉限制作用开始,当A2增加到A2>A1时,低选器又选A1,此时A1>A3,使交叉限制作用结束,系统恢复稳定。负荷剧减时相反。
可见负荷增加过程中，先开空气后开煤气，煤气和空气交替逐渐增加，从而保证充分燃烧，不产生黑烟。负荷减少时，先关煤气后关空气，空气和煤气交替逐渐减少，保证合理燃烧，不会空气过剩，带走热量。
一般取:K1/K3=0.9,K2/K4=1.1。在运行时再根据炉子结构，煤气热值加以修正。
5 结束语
该系统应用加热炉后运行稳定，也降低操作者的劳动强度，受到生产厂家的好评;该系统的操作也非常方便，凡是需要修改的参数都可以在上位机或者监控站上直接输入，如变频器的起/停、基准频率、每个PID控制回路的参数值等;另外，该系统价格低，投资少，降低了产品成本，效益显著。
1 引言
控制系统的控制对象较为简单—本文以上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统为对象，已经实现了一般I/O模块的PLC控制。为有效利用资源，在此，考虑将高密度I/O单元引入到系统中来。系统模型虽然十分简单，但是在改造过程中还是应该基于系统的硬件组成及其工作原理进行必要的可行性分析，实验，然后才能给出合理的改造方案。
2 硬件组成
(1) 控制对象
控制对象即本实验装置是由上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统，它由6个手动/自动道叉、1-2台火车模型、2个站台、2对红/绿信号灯以及3段供电的轨道和沿途共设置的22个红外信号检测元件所组成。其中，供电轨道存在供电电压和供电电压方向两个控制因素。其模型示意图如图1所示。
图1 车辆运行控制系统模型图
其中，火车模型的运行是靠两段轨道的上输出的直流电压来供电，且运行的方向和速度则是通过对输出电压的方向和大小进行无极调节和控制来实现的--这就说明了理论上在同一段轨道上，两辆火车的运行速度及其方向是完全一样的，系统中同时有两辆火车运行时，不存在碰撞或者追尾的问题。22个红外信号检测元件主要是对火车的位置实时监控，作为系统的控制信号输入到控制器上。在两个站台的出/入口和内侧轨道的一端共设有6个手动/自动叉道，通过给定的脉冲信号来选择轨道,但是要注意脉冲宽度不能太大,否则，就会损坏叉道。这样，就可以对系统的信号进行一个初步的统计:
·输入信号: 22个光电检测信号;
·输出信号: 23个数字量;
3对模拟量。
(2) 原有控制系统
基于以上的分析，我们设定在本实验系统中要实现如下基本功能:
· 站前鸣笛，以提醒工作人员接站;进站时速度减慢，直至停下。出站时也要鸣笛。
·一次只能有一辆火车停在站台，若已有火车停下，其他要进站火车只能在站外等候进站;否则须绕道(外围轨道)而行，以免发生撞车事故。
·红/绿灯作为火车能否出站的标记:绿灯即通行，红灯不通行。
为了实现上述功能，并基于上述对系统控制信号的统计，在原有控制系统中我们用了相应的I/O模块:2个ID212模块，1个OC224和1个OC225模块和1个DA004模块。
3 系统改造
原有系统已经实现了对系统的控制。但是在以上的分析中我们可以发现系统中控制信号多为数字量，而且点数相对较多，为了充分利用实验室资源，决定将高密度I/O单元引入到系统中来，对原有系统进行改造。我们采用的高密度单元都为32点，这样原有系统的两个输入、输出模块都可以分别采用一个。具体改造如下:
(1) 输入模块改造
系统共有22点数字量输入，在此，只要采用1个32点的高密度单元就可以了。结合实验室现有状况，我们选用1个ID215模块来代替原有系统的两个ID212模块。在原系统中，ID212的COM端接地，在此，由于ID215是双向晶体管输入，即它的COM为接地或者5～24VDC均可，所以，在改造过程中不存在电路转换的问题，改造方案是可行的----将原信号线直接接到新的高密度模块上来即可。
(2) 输出模块改造
系统的输出点数也较多，共23点。我们决定采用OD215来代替原有的OD225和OD224，这里，OD215用作32点静态输出用的晶体管输出单元，其电路配置如图2所示。
图2 高密度模块OD215的电路配置
由以上的电路配置图可以知道，OD215和ID215不同，它的COM端只能接地，但是在原系统中，由其硬件电路决定了OC224以及OC225的COM端必须接2～24VDC，所以，这里就不能直接换接了。同时，由OD215模块的性能可知，其大开关能力为5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/单元，输出电阻4.7kΩ)，在改造过程中还是要考虑到模块的大负荷能力，以免烧坏模块。系统中共有23点数字量输出:12个叉道控制信号;6个方向控制信号;1个蜂鸣器外加4个红/绿灯信号(其中前19个信号都是继电器输出)。
·红/绿灯电路改造
在对红/绿灯电路进行改造之前，首先要得出电路的工作原理。实验表明，系统的红/绿灯电路本身存在一个门槛电压的问题，也就是说只有达到一定的电压值时，红/绿灯才会发光。同时结合模块性能，对原有电路进行改造是可行的。
首先考虑到要在原有系统中增加一个上拉电阻R1，这样就可以解决OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整个系统处于“负逻辑”的控制状态，这里所接的上拉电阻的阻值要尽可能的大(一般在1k~5k之间)。这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在35mA之内不会超过模块的限流电流值;同时还要考虑到红/绿灯电路的门槛电压的问题。多次实验表明:在上拉电阻R1小到将近500Ω的时候，才能保证红/绿灯电路的正常工作;同时在模块的输出侧增加一个电阻模块R2分流以避免模块中单路电流过大，从而保护了模块。这样一来，改造后的系统便可保证原有系统既正常又安全的工作。系统的改造电路如图3所示。图3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模块输出为高电平时，红/绿灯电压约为3V，没有超过其门槛电压，不导通;输出为低电平时，红/绿灯电压约为7V，正常工作。
·继电器电路改造
图3 红/绿灯电路部分改造
对系统中继电器电路部分的改造相对简单多了。和红/绿灯电路改造步骤一样，首先直接在电路中串连一个电阻，在1k~5k之间。实验结果表明:只要在每路输出电路中串连一个1.2kΩ的上拉电阻，这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在24mA之内不会超过模块的限流电流值，即可保证原系统此类继电器输出部分即正常又安全的工作。其改造电路如图4所示。
图4 继电器电路部分改造
至此基本完成了对原有控制系统的高密度I/O单元的改造，在红/绿灯的改造过程中我们可以发现模块的单路电流都接近其单路电流的限流值，考虑到模块的安全性、使用寿命以及优化控制系统的思想，在接线过程中就将4路红/绿灯信号分散到了模块的不同的公共端。
4 系统软件改造
对系统的硬件改造在实质上并没有改变原有系统软件的控制思想，所不同的是，系统的硬件改造中所引用的高密度I/O单元都是特殊功能模块，输入输出点的地址表示有所不同，在改造过程中需要将原有地址和现有地址一一对应进行改造;同时，还需要注意的是OD215是采用负逻辑的方式输出的，在原有PLC程序中需要对其作出相应的调整。在原有由组态王开发的系统实时监控画面也需要修改原有程序中的某些地址以满足对现有系统的实施监控的目的。
