西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0详细解读
1. 引言
高速发展的中国经济对能源和环保提出了越来越高的要求，利用秸秆燃烧发电是充分利用能源，保护生态环境的有效途径之一。据测算，每两吨秸秆的发电量相当于一吨煤，不仅如此，环境国际能源机构的研究表明，秸秆还是一种很好的清洁可再生能源，其平均含硫量只有3.8‰，而煤的平均含硫量却高达1％。除了具有较好的经济效益和生态效益，秸秆发电还具有可观的社会效益，根据清洁发展机制（CDM），秸秆发电项目可以通过出售温室气体减排量来获取建设资金。因此，从节能环保、充分利用农村再生资源、建设环境友好型社会的角度出发，利用秸秆燃烧发电在我国得到了广泛应用，成为的“朝阳”产业。本文介绍的基于和利时LK大型PLC的控制系统在满足热电厂设备安全、高效运行的同时，具有良好的经济价值，社会效益和推广前景。
2. PLC控制系统设计
2.1工艺流程介绍
协鑫热电厂采用秸秆为原料，将其打碎并包装成捆，上料系统将深加工后的秸秆燃料通过散包机进行二次打碎，并将二次打碎后的燃料分散成碎料送至皮带机，皮带将分散后的秸秆碎料送入蒸汽炉的加热系统内充分燃烧，使蒸汽炉循环水转变为水蒸气推动汽轮机旋转，再由动能转化为电能。整个上料系统包括散包机的原料分散和皮带机的物料输送两部分。
散包机原料分散系统
散包机由压料辊、导料辊、输送辊、一次侧散包机、二次侧散包机几部分组成。
秸秆燃料进入散包机后，先由压料辊将其进行二次粉碎，粉碎后的燃料通过导料辊进入输送辊。后由输送辊送入一次侧散包机进行分散作业，分散后再次经由输送辊送至二次侧散包机进行二次分散作业。
皮带机物料输送系统
经二次分散作业后的秸秆燃料由散包机进入皮带机内，燃料由0#皮带机→1#皮带机→2#皮带机→3#皮带机，后由3#皮带机将其送入加热炉的炉膛内进行燃烧。
2.2系统控制功能
该电厂原有的蒸汽炉及汽轮机等设备均由和利时公司DCS进行控制，根据热电厂上料工艺流程要求以及现有总体布局情况，设计采用将秸秆上料系统的PLC控制站作为现场控制站接入原有DCS控制系统中，以实现“集中监视，分散控制”的整体布局。系统由计算机监控站（电厂原有的DCS监控站）、现场控制站（LK大型PLC）、串口通讯系统以及在线检测传感器等构成。
自动控制单元实现的功能分别是：
采集原料分散系统中负责控制压料辊、导料辊、送料辊、一次侧散包辊和二次侧散包辊等设备的变频器的状态信号及数据信号并对以上设备发送控制信号；实时读取并控制物料输送系统中各皮带机的工作状态，包括各皮带机组的A/B两条皮带的启停控制及防撕裂、打滑、堵料、跑偏、拉绳等在线检测开关。
2.3硬件选型
协鑫热电厂上料输送控制系统采用串口通讯方式接入原有DCS系统。该串口通讯应用MODBUS RTU 通讯协议并通过RS 485模式使其通讯距离延长，抗干扰效果增强。PLC系统采用由和利时公司自主研发的LK大型PLC产品。作为国内大型PLC，LK大型PLC是和利时公司在总结了十五年控制系统的设计开发及工程实施经验的基础上，充分借鉴国外主流产品优点，完善技术性能，大胆创新架构设计，推出的一款开放性、可靠性、易用性俱佳的高端产品。
系统选用如下硬件产品：
表1 PLC系统硬件选型表 
其中， CPU双机热备的冗余结构使整个系统运行稳定可靠。
3. 系统功能介绍
协鑫热电厂原有的DCS控制系统分为生产管理级、现场控制级和就地控制级三层结构，利用高速工业以太网（TCP/IP协议）进行连接以实现信息和资源的共享，其优先级分别为就地控制级高，其次为现场控制级，低为生产管理级。由LK大型PLC组成的PLC站位于该系统的的现场控制级，作为现场控制站接入电厂原有的DCS系统中。系统结构图如下:
● 生产管理级：位于蒸汽炉、汽轮机联产系统控制室内，由原有DCS监控系统构成。各监控计算机对主要工艺设备的运行状态和生产过程的工艺参数进行数据采集及显示。上料输送系统的PLC控制站通过串口通讯，与DCS系统的通讯服务器连接并由该服务器将PLC控制站数据传入DCS的I/O服务器内，I/O服务器上运行的监控软件将该数据进行显示并下发控制命令。
● 现场控制级：即PLC控制级，由LK大型PLC构成。其功能是读取上料系统中散包机和各皮带机的运行参数并根据生产管理系统下发的指令来控制系统中各设备的运行。采集数据主要包括散包机各组成部分变频器的运行状态、反馈电流以及故障信号；皮带机的运行状态、反馈电流及各皮带机的在线检测开关信号。现场控制级接受生产管理级的调度，但并不依赖于生产管理级而运行：若监控计算机出现故障或并没有投入使用亦或通信网络出现故障，该控制站仍能正常工作，对整个工艺过程没有影响。
● 就地控制级：将设备切换到现场手动状态，以实现设备的就地手动控制。就地手动控制具有高的优先级，主要应用在设备调试、维护阶段。
4. 控制系统特点
协鑫热电厂上料输送系统通过将PLC控制站接入原有DCS系统实现了对工艺流程的监测、控制以及数据的处理、存储、分析以及报表打印等任务。
● 工艺流程显示：显示工艺流程的同时将所有的设备状态、工艺参数以及各控制回路的详细参数等进行了有针对性的实时采集与显示。
● 设定值显示：包括所有必需参数的设定值、控制方式、调节参数以及其它连锁值、报警值等。
● 报警显示：包括实时报警、历史报警。系统可在线诊断各类故障，查找故障部位并报警。包括工艺数据报警、设备故障报警、系统故障报警，根据不同的报警信息提供不同的报警画面，在故障确认后可实现报警解除。
● 报表显示和打印：采用了DDE技术，从而使用户能够直接使用Excel编制报表。借助Excel的强大功能，用户可以随心所欲地编制各种各样的报表。可以是实时数据的报表，也可以是历史数据的报表。
● 历史数据的存储与检索：对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。
● 控制：在监控计算机上可以进行远程手动控制，使用鼠标、键盘控制PLC来启动和停止现场的设备。
● 操作记录：对重要设备的操作、重要参数的修改均会自动记录，包括登录的操作员、对设备进行的操作、时间以及修改前的参数值、修改后的参数等，以利于管理及事故分析。
● 系统的安全管理：系统设置为多用户、多区域方式，各类用户均有自己的用户名和密码，对应着不同的安全级别，决定了操作员可观察的范围、可使用的功能、可修改的参数等。多可以设置为8级用户、8级区域。
5. 控制系统优点
本方案以PLC和DCS监控计算机为核心，通过RS485的串口通讯方式，将现场PLC控制站与监控计算机连接起来，构成一个分布式控制系统。系统具有如下优点：
◇ 先进性
· 本方案设计中不仅采用了先进的软、硬件，而且着眼于企业“管控一体化”的需求，贯彻了数字化、信息化电厂的先进思想，使企业生产数据的进一步智能应用成为现实。该方案使控制系统有机地成为企业整个IT架构的一部分。
· 本系统采用先进的计算机控制系统，主要用于热电厂的生产控制、运行操作、监视管理。控制系统配有可靠的硬件设备，和功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、编程软件和控制软件。
◇ 高可靠性
· 控制系统在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。
· CPU双机热备，任何一个故障均不影响系统的正常运行。
· 现场控制站PLC对工艺过程的控制不会因监控计算机的瘫痪而受影响。
· 现场控制站的PLC能够在恶劣的环境中长期可靠运行，平均无故障间隔时间（MTBF）15年。
◇ 强大的功能
· PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。
· 高速工业以太网作为系统的骨干网络，实现高速数据传输、高度数据共享。
· 组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善且易用。
6. 结束语
经过两个月的调试和试运行，由LK大型PLC控制的协鑫热电厂秸秆上料输送系统已于2007年9月初正式投入运行。实践证明，LK大型PLC能较好地满足秸秆上料系统的控制要求，对整个上料系统及热电厂的安全、经济运行提供了有力保障。该设计方案整体成本较低、可靠性好、抗干扰能力强、维护成本低、可操作性高，在市场中具备强有力的竞争力，为热电厂行业增添了一套完善的解决方案。
热压机是胶合板生产的关键设备，直接决定胶合板生产的产量和产品质量。传统胶合板热压机的控制系统是以继电器为主控元件，很难满足热压工艺所需的压力和流量的控制，也直接影响热压机的可靠性和安全性。为此，笔者提出采用可编程控制器(PLC)替代现有控制线路，使之系统设计尽量简化，满足企业生产的需求。
1 PLC在热压机控制系统中的应用
国内胶合板生产一般都采用多层框架式热压机，为使压制的胶合板板面平整、厚度均匀，热压板需采用多只油缸提升，压板过程的闭合、加压、保压及装板机的升降，都是通过液压系统和油缸得以实现，使得控制油路的电磁阀增多；设备中的温度、压力、流量均采用中间继电器、接触器、时间继电器等控制，使控制线路更为复杂。由于胶合板的热压板采用蒸汽加热，难免有蒸汽泄漏，使车间内湿度增大，造成控制线路故障率高。
为提高生产效益，保证胶合板的质量，必须要求热压机控制系统的自动化程度高、可靠性强、安全性好。在热压机控制系统中采用PLC控制，可省去几乎全部的时间继电器、中间继电器，接触器之间的触点联锁也可由PLC内部实现。而且，PLC采用了现代大规模集成电路，及技术严格的生产制造工艺，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，平均无故障时间高达30万h。PLC的使用，使得热压机控制系统的可靠性大为提高。
2 PLC控制系统的设计思路
首先要满足设备在生产中的可靠性。因原设备控制部分元件多，控制线复杂，排查故障非常困难，为此，可以考虑热压机油缸升降的控制部分采用PLC控制，在满足要求的情况下，尽量减少输入点和输出点，使得整体设备可靠性提高；另外，考虑到设备检修、保养和对新的板种的试生产，需要在控制线路中加入手动、自动转换开关；在检修时，为防止升起的压板因误操作发生位移，加装了保护开关，当开关置于保护状态，即使发生误操作，因有电气互锁，也不至于使压板发生下移。基于以上设计思路，根据压机工作流程，确定了17个输入点和14个输出点，共31个点，采用欧姆龙C40P产品(该型产品有24个输入点，16个输出点)Ez3。图1示出胶合板热压机的PLC输人输出点分配情况。
结合该系列压机特点，设计了控制线路，并编制了控制程序；输入和输出量编址见表1。
3工作原理与控制过程
以快速贴面压机为例。该系列热压机共装有4个油缸，油缸顶置，液压油路需用6只电磁阀控制，因设计的热压机规格不同，油泵电机的功率从10～22 kW不等，为减小电机起动电流，设计为Y／△起动。胶合板板坯采用小车载入，小车承载部分可单方向运动，小车退出时板坯自动滑落在压板上。小车驱动电机由变频器控制，可实现小车快进、慢出。
图2为快速贴面胶合板热压机工艺流程，图3为 PLC控制的部分梯形图。
控制油缸的电磁阀有6只，其中1只1DT为总进油阀；每2个油缸上部、下部油路各自并联，分2组，每组各有1只上部进油阀3DT、5DT和1只下部进油阀2DT、4DT，还有一只总回油阀6DT。
油缸下部进油，柱塞上移；其上部进油，柱塞下移。即当1DT、2DT、4DT工作时，压板上升，1DT、3DT、5DT工作，压板下降并加压；6DT工作时，油缸卸荷。液压油泵用三相交流异步电动机驱动，为降低起动电流需要降压，采用Y／△方式起动，转换时间为2～5 s。油泵工作正常3 s时，压板上升到位(设上限位开关)后，压板停止上升；此时装板小车载板坯快速进入，到达设定位置后，小车卸板坯并开始后退，碰到后退限位开关后停止后退。
在小车卸板后退的同时，压板开始下降，当碰到下限位开关后，停止下降，开始保压并计时，随着油压的升高，动、定压板之间压力增大，当达到设定上限压力时，电接点压力表上限开关断开，停止加压。由各组电磁阀自动控制热压时所需压力，实现保压直到热压结束，开始卸荷，3 s后压板上升。由人工完成卸板。
为了安全起见，在控制线路中加装转换开关，在压机上升控制电路中要加入保护装置，当压板上升到位时，手动合上此开关，检修设备时不会因误动作而使动压板下降伤人。同时，在加压保压控制电路中，加入了超压保护开关，目的是防止油压达到压力上限后继续加压。若超压，此开关自动断开，电磁阀失电关闭，停止加压。当压力下降到许可值时，此开关重新闭合，系统控制恢复正常。
一、 塑料挤出机工艺原理
1、主机
一台挤出机主机由挤压、传动、加热冷却三部分系统组成。
挤压系统主要由螺杆和机桶组成，是挤出机的关键部分；
传动系统中起作用是驱动螺杆，要保证螺杆在工作过程中具备所需要的扭矩和转速；
加热冷却系统主要来保证物料和挤压系统在成型加工中的温度控制。
2.辅机
挤出设备的辅机的组成根据制品的种类而定。一般说来，辅机由剂透定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷取或堆放装置等部分组成。
3.控制系统
挤出机的控制系统主要由电气、仪表和执行机构组成，其主要作用为：
（1）控制主、辅机的拖动电机，满足工艺要求所需的转速和功率，并保证主、辅机能协调
地运行。
（2）控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量。
（3）实现整个机组的自动控制。
二、塑料挤出机的控制要点
1、 多段机筒，分多个温区分别进行jingque温度控制，可进行加热/冷却双向控制，控制精度±1℃，温度可显示和修改。
2、 喂料机、主机可进行调速控制，并显示电流、转速等参数。
3、 溶体压力可显示并进行超限报警。
4、 系统状态实时监控，各种配方参数实时修改。
5、 系统要有完善的保护，在出现过电流等异常情况时自动保护设备。
6、 按工艺要求实现互锁和逻辑控制。
三、系统配置方案
1、 主PLC采用艾默生EC10-1614BRA1，集成两路12bit模拟量输入和一路12bit模拟量输出。另外扩展EC10-4AD模拟量输入模块和EC10-4DA模拟量输出模块，系统可提供16路开关量输入、14路开关量输出、6路模拟量输入、5路模拟量输出。
2、 温度控制：温度控制由温控模块独立完成，内置加热/冷却双PID运算，并支持RS485串行通讯功能，与PLC的COM1通讯口连接，采用自由通讯协议进行数据交换，可读取各区实际温度、加热/冷却状态并在触摸屏上显示，并可在触摸屏上修改温度设定值、PID参数等。
3、 调速控制：主机、喂料机选用艾默生EV2000/EV1000系列变频器进行调速控制，独特的磁通矢量控制技术，保证电机0.5HZ时180%的启动转矩，并保证转速精度在0.5%以内。可在触摸屏上任意修改转速，通过模拟量输出模块转换为0-10V模拟量信号给定至变频器，实现主机、喂料机的jingque速度给定。同时变频器将电流、转速等参数通过模拟量输入模块反馈给主PLC，并在触摸屏上进行显示和进行超限报警保护控制。
4、 溶压显示：压力传感器输出4-20mA模拟量信号，直接连接至PLC模拟量输入接口，转换成数字量后可显示压力值，并可在触摸屏上设定报警值进行超压报警。
5、 人机对话界面：选用10.4寸真彩触摸屏，与PLC的COM0通讯口连接，采用MODBUS串行通讯协议进行数据交换，可实时显示系统运行状态，对系统设备进行控制操作，并可显示系统运行数据、报警内容、修改工艺配方等。
6、 互锁和逻辑控制：EC10系列PLC程序容量可达12K步，指令处理速度0.3us，能够根据系统工艺要求编写程序实现完美的逻辑控制。
四、控制系统特点
1、内置两个串行通讯口，可同时与触摸屏以及其它外部设备进行通讯。
2、 主PLC内置模拟量输入输出，。
3、 系统大可扩展至128路开关量和19路模拟量，扩展性好。
4、 超大的数据容量，可存储多组配方参数及其它生产参数。
五、应用总结
南京某高聚物装备公司是从事双螺杆塑料挤出造粒设备研发、生产和销售的公司，其控制系统广泛采用艾默生EC10系列PLC，具有很高的性价比，且稳定可靠，深受客户的好评。
