西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8现货速发

一、概述

近年来广播电视发射技术有了飞跃的发展，发射机朝着高效率、全固态化、智能化方向发展，新型发射机的控制系统多以单片机为核心构成，具有高度的智能化和可靠性。随着自动化技术的高速发展，PLC的可靠性也是很高的，使得对发射机的操作做到无人值守已可以实现。

本文以我曾做的某电视台发射机房实时监控系统为例，介绍西门子PLC在广电系统中的应用。系统采用1台西门子S7-300作为主站，5台S7-200作为从站，主站通过稳定的工业现场总线（PROFIBUS-DP）将从站采集的所有PLC的数据传送给上位机画面，从而给工作人员的管理带来了方便。

二、系统硬件

该控制系统共需开关量输入93点，开关量输出35点，模拟量输入62点。为尽可能减少电磁干扰，根据发射机分布情况，系统共分一个主站和五个从站。选用西门子S7-300系列CPU315-2DP作为主工作站，S7-200系列CPU224加开关量输入输出模块EM223和模拟量输入模块EM231以及Profibus-DP模块EM277组成从工作站，并为每一个从站配置了一个TD200文本操作显示面板用于本地实时显示发射机工作参数。在发射台监控室设置了两台装有西门子WinCC组态软件的研华工控机。整个系统通过工业现场总线（PROFIBUS-DP）联接而成。系统网络结构见“系统原理图”。

6台PLC工作站完成底层的控制动作，包括：开关信号的采集，模拟信号的采集，以及由PLC给发射机发出控制信号。选用一台S7-300是为了实现上位机冗余、底层PLC CPU时钟校正、自动开关发射机数据存储和所有采集的数据的快速集中处理。

2台上位机通过工业以太网（TIP/IP），完成互相冗余；同时，通过总线将6台PLC的数据全部采集上来，在画面上显示。冗余的上位机增强了整个系统的可靠性。

由于发射台有着强磁场干扰和发射机的模拟量信号不在PLC标准范围之内，在工作站PLC与发射机之间使用了信号调理电路联接；信号调理电路的作用是将发射机的模拟量信号转化为标准的4-20mA模拟信号作为PLC的输入，并且从电磁兼容的角度考虑，也保证了采集信号的准确。

三、系统软件

整个软件系统分为PLC工作站应用软件和上位机人机界面组态软件两大部分。本系统中采用西门子公司的STEP7和MicroWin_3.2编程软件进行了PLC工作站的应用软件编程，同时还采用了西门子公司的WinCC组态软件进行了上位机人机界面的组态编程。

四、系统功能

本系统主要实现了下述功能：

1. 自动监测发射机系统运行状态，实时监测、记录各参数量值（包括模拟量和开关量值）；对异常情况和参数越限进行记录报警；自动记录各机器开关机的时间及累计运行时间。

2. 按各频率每周播出时间表，定时（或随时）开机、关机、倒机；

3. 报警功能：有故障，即时显示报警。本地采用语音声、光报警方式，并可根据故障程度自动开启备用发射机；

4. 根据不同用户的权限实时控制发射机各种操作。

5. 自动生成报表功能：可根据用户的要求，生成各类报表（如日报表、季报表、故障记录、维修记录、检修记录、指标记录、交接班记录等）。报表可根据需要进行定时或随机打印；

6. 键盘功能

1) 可通过小键盘对前端机进行人工干预或修改某些参数；

2) 可修改开关机时间、当前时间、倒机时间；

3) 可通过键盘操作实现开机、关机、倒机等操作；

4) 为了避免频繁倒机，可屏蔽某一部发射机的使用。

7. 遥控操作主要是对发射机的工作参数进行设置或直接控制发射机，主要的命令有：开机（包括高开、低开）、关机（包括高关、低关）、倒机、复位等。值班员通过这些功能，控制设备的工作状态。

为了保证系统的安全有效运行，系统提供口令管理机制来限定值班员的操作权限和操作范围。值班员的权限由系统管理员设定。

系统运行过程中的操作情况都被自动记录，包括值班员的编号、时间、命令等。系统可以对记录进行查询、检索，以便了解值班员对系统的操作

8. 数据查询

1) 历史曲线：查询设备的模拟量，每五分钟取一点数据，画出昨天和的两条曲线。

2) 事件查询列出设备发生故障或越限这两种事件，并显示故障代码及含义，发生故障设备的数据、状态。

9. 数据存储：

1) 一类是五分钟数据，它只包含模拟量，因为数据量较大，只需保存三个月，五分钟数据以曲线的方式显示；

2) 一类是例行数据（整点数据），包括模拟量、开关量，整点数据是各类报表的依据。

3) 另一类是故障数据，包含故障前后十秒内的所有数据。

4) 所有历史数据亦可存入光盘长期保存。

10. 数据库的通用性和安全性

1) 历史数据存放在主服务器数据库中，在从服务器中建立该数据库的镜像备份，两者通过定时校验，发现问题及时自动恢复。

2) 对数据库的查阅、修改、删除设置不同级别的权限，以防数据库中的信息被破坏。

11. MIS系统（管理信息系统）是监控系统中的一部分，是一个小型的数据库，主要是对机房内的器材、图纸资料、技术档案进行统一的、规范的、科学的管理。MIS系统具备一般数据库所具有的各种功能，包括对器材、图纸资料、指标记录、维修记录、交接班记录进行显示、查询、检索、统计、打印报表等功能。

12. 远程访问采用网络操作系统、内置Web Server软件，利用Web 信息发布技术，通过局办公网，为上级领导和相关职能部门提供有关的信息。

为了保证系统的安全，减少系统入侵或人为破坏的可能性，应设置实时数据网关，使监控网能共享办公网资源，办公网不能直接访问监控网，只能按权限取得约定的实时信息。

五、结束语

西门子公司的S7-200系列和S7-300系列PLC具有强大的指令，丰富的CPU类型和扩展模块，尤其是CPU模块内部集成了实时时钟，使其适合于广播发射机的自动控制应用。西门子公司提供的编程软件包和WinCC组态软件，功能强大，使系统开发变的更容易。

一、概述

高炉煤气余压发电的原理是利用透平膨胀机将原来损耗在减压阀组上高炉煤气的压力能和一部分潜热能转换为机械能，再通过发电机将机械能变为电能输送给电网。高炉煤气余压发电不仅回收了高炉煤气一部分能量，又可净化煤气，降低噪音，同时改善了高炉顶压的调节品质，更利于高炉的生产。高炉煤气余压透平发电（TRT）是冶金行业中公认的节能手段，回收的能量约占高炉风机所需能量的30%-50%。

河北津西钢铁股份有限公司 TRT项目是国内一台TRT装置同时在两座高炉上的应用，经过多家单位的通力合作，2005年4月底开车成功、并网发电。该项目的成功实施对多座高炉上应用TRT有极大的促进作用。

7#、8#高炉的主要技术参数见表1，7#、8#高炉采用干法除尘，煤气压力和温度相对较高，这些都是应用TRT的有利条件。

表1 河北津西钢铁股份有限公司7#、8#高炉主要技术参数：

项目

单位

参数值

备注

炉容

450

年产炼钢生铁

×106t

利用系数

t/m3d

3.5

综合焦比

Kg/tFe

510

综合冶炼强度

t/m3d

1.674

热风温度

℃

1100

炉顶压力

KPa

80-180

富氧率

平均煤气发生量

×104m3/h

大14

出重力除尘器温度

℃

120-160

鼓风机流量

M3/min

1700

年平均

鼓风机进气温度

℃

年平均

鼓风机进气压力

Bar（A）

0.9956

鼓风机出口压力

Bar（A）

3.5

鼓风机轴功率

4500

年平均

二、工艺流程及系统配置

2.1工艺流程

河北津西钢铁股份有限公司7#、8#高炉TRT工艺流程如图1所示。高炉煤气经过除尘装置后，经入口电动碟阀、入口插板阀、快速切断阀后，进入透平机，然后经出口插板阀、出口电动碟阀到煤气管网，在入口插板阀之前，透平出口之后并联着旁通快开阀组，旁通阀组在正常停机和紧急停机时，进行高炉顶压控制。

图1 河北津西钢铁股份有限公司7#、8#高炉TRT工艺流程示意图

2.2系统配置

为保证TRT机组长期安全、稳定地运行，河北津西钢铁股份有限公司7#、8#高炉TRT控制系统采用昆腾系列 PLC系统。昆腾系列 PLC系统，充分应用了新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，具有高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和联锁逻辑控制功能，能适应更广泛更复杂的应用要求，是一个全数字化、结构灵活、功能完善的新型开放式过程控制系统。

项目由一个工程师站、两个操作员站组成，系统结构拓扑见图2。其中控制处理器采用双CPU，实现冗余控制；通讯网络通讯采用10/100M以太网，应用光纤环网和交换机组成网络冗余系统，真正实现处理器和网络的冗余控制盒；主控制卡、数据转发卡及重要的模拟量输入、输出通道采用冗余配置，保证系统安全高效运行。

图2 津西7#、8#高炉TRT控制系统结构示意图

系统配置清单如下。

序号

卡件

型号

数量

单位

数字量输入

140DDI84100

块

数字量输出

140DRA84000

块

热电阻模块

140ARI03010

块

模拟量输入

140ACI03000

块

模拟量输出

140AIO33000

块

三、控制要求与实现

TRT装置的自控，主要包括启动联锁、自动升速控制、正常调顶压、正常停机控制、紧急停机控制等，而各过程中保持高炉顶压的稳定是装置实现自动化的关键。

本项目利用昆腾系列 PLC和图形功能丰富的图形处理软件iFix，编制了用户控制软件包，很好地实现了上述要求并有良好的用户界面。

3.1 启动联锁

TRT机组的启动必须满足特定的条件，并按照一定的步骤顺序进行，当条件不满足时，则“启动联锁”程序将投入运行，实现启动阀和入口电动碟阀锁闭。TRT机组正常启动的条件主要有：高炉同意TRT启动、电气允许TRT启动、润滑油压力大于设定值、动力油压力大于设定值、透平静叶全关等。如上述任何一个条件不满足，TRT机组将（在“启动联锁”程序的保护下）无法正常启动。

3.2 全自动启机

启动过程主要分为升转速、并网、升功率。为保证机组安全，TRT启机必须按照一定顺序有步骤的进行，如图3所示。

升转速过程主要依靠PLC控制启动阀、入口电动碟阀、透平静叶之间协同动作，使转速按照一定的升速曲线自动升至并稳定在目标值，保证发电机并网顺利进行。升速曲线由4段不同斜率的直线组成，开始时，启动阀控制回路的设定值按照一定的速率自动增加，依靠PID调节来控制启动阀逐步打开，转速升到某一定值后，全开入口电动碟阀，关闭启动阀，静叶控制转速回路自动投入，按照升速曲线继续升速，使得透平的转速升到目标值，并保持稳定，等待并网。只要参数整定正确，转速可以很好的跟踪转速曲线，本装置升速过程中转速波动控制在±8 r/min。

并网成功后，TRT进入升功率过程，此过程中TRT和高炉的减压阀组共同控制高炉顶压，PLC系统负责调节静叶开度，不仅要保证高炉顶压，还要保证升功率过程顺利进行。来自高炉的顶压测量值、设定值与升速参数共同用于TRT控制系统对静叶的控制，随着静叶开度的增大，使得煤气负荷逐渐转移到TRT，高炉的减压阀组同时也逐渐关小，以完成升功率过程。在升功率过程中，如果高炉顶压出现波动，PLC通过调节静叶开度，调节升功率的速度，来保证高炉顶压及时恢复正常。全自动启机过程的程框图如下：

申请启动

↓

高炉同意启动

↓

启动阀控制投自动

↓

静叶控制投自动

↓

发电机并网

↓

升功率控制投自动

↓

进入正常调顶压控制

3.3正常停机

TRT正常停机时，TRT经过降功率过程，煤气逐步由TRT转移至旁通阀组，旁通阀组和静叶同时调节高炉顶压，旁通阀组和静叶也是由综合回路来控制的，两个旁通阀中的一个作为调节阀，另外一个作为量程阀，量程阀按照调节阀的开度和高炉顶压的变化来动作，工程师可以任选一个作为调节阀。功降到零功率后，发电机解列（发电机与电网脱离），快速切断阀慢关，静叶以一定的速度关闭，配合高炉逐步将煤气由旁通阀组转移至高炉减压阀组。

3.4紧急停机

只要任何一个紧急停机条件满足时，TRT即进入紧急停机状态。TRT紧急停机时，快速切断阀在1秒内快关，旁通快开阀快速打开到某一开度，使煤气改从旁通快开阀流过，避免了高炉炉顶压力的急剧波动。此时旁通快开阀的开度根据紧急停机时的静叶开度和煤气流量运算后得出。随后PLC通过旁通阀调节高炉顶压，配合高炉将煤气逐步转移到减压阀组，直至完全由减压阀组来控制高炉顶压。

四、投运效果

津钢7#、8#高炉TRT实现了全自动运行，从自动升速、升功率到正常运行、正常停车，操作人员只需按下“启动”或“正常停车”按钮即可。当紧急停车条件被触发或按下“紧急停车”按钮，PLC系统自动实现紧急停车过程中所需步骤。整个过程中控制效果良好，无需人工干预，正常运行时高炉顶压波动在±5 kPa范围内，紧急停机时高炉顶压波动在±10 kPa范围内。

目前津钢7#、8#高炉TRT平均发电功率在3000KW左右（高炉上现仍保留有直通管道，若将其密封，发电功率还可进一步提高），预计2-3年收回全部投资，经济效益十分可观。

图3 高炉顶压控制趋势图

五、结束语

津钢7#、8#高炉TRT集散控制系统投运至今，性能可靠，运行平稳。特别是利用昆腾系列 PLC系统和图形功能强大的iFIX图形软件包实现了TRT全自动启机，正常停机和紧急停机的自动控制，保证了TRT机组安全高效运行，保证了高炉顶压平稳正常。从津钢7#、8#高炉TRT的顺利投运，可看出昆腾系列 PLC系统和iFIX图形软件在高炉TRT上的应用具有如下优点：

1、可靠性高，软硬件性能稳定。

2、操作简单，维护方便。纯中文的组态和监控画面，为维护人员、操作人员提供了良好的人机接口。全自动启停和控制，更是大大降低了对人员素质的依赖，避免了误操作可能性。

3、中央处理器、通讯网络和主要控制部件都采用了热冗余配置，即提高了系统的安全性，又提高了系统的性价比。

4、客户服务及时，配品配件供应方便等优势。

1引言

DCS分散控制系统(又称集散控制、分布式控制系统)，是在单回路微机控制系统基础上发展起来的，其综合了计算机技术、通讯技术、CRT显示技术和过程控制技术，采用分层分级的结构形式和分散控制、集中操作、分级管理、分而自治的设计原则，解决了过去计算机控制危险集中、常规模拟仪表功能单一、过于分散和人机联系不方便的缺点。DCS的安全可靠性、通用灵活性、优良的控制和综合管理能力，使其在工业控制领域中得以广泛应用。

瓦楞纸板作为目前使用普遍的包装材料，广泛用于电器产品、日常用品等包装。在现代大规模工业自动化水平相对落后和工业、经济建设高速发展的我国，横切机和堆叠机等机组组成连续生产工艺过程。目前国内瓦楞纸板生产化处于相对落后状态。

本监控系统采用以可编程控制器PLC为基础的集散控制系统，将PLC作为现场采集控制站，利用Ethernet和Profitbus进行数据通信，完成了对广东肇庆嘉隆瓦楞纸板生产线的工况显示、生产操作、订单管理和出货管理，终实现了企业管理—控制一体化。

2系统总体结构及通信网络

2．1系统总体结构

嘉隆瓦楞纸板生产线监控系统采用如图1所示的分布式计算机监控系统。它分为3级结构：现场级、控制级和管理级。

级为现场级。由安装在现场的3个PLC子站辅与其它测量控制设备(如编码器、红外测量仪、变频器等)进行各种数据采集、生产线的现场控制。为现场采集控制器完成现场信号的输入输出，根据给定的工作程序进行数据处理、控制输出，并且将处理结果送操作站。PLC站采用德国VIPA公司的产品，包括一个CPU站和两个I／0站，其配备如下：

V200CPU站：主要包括CPU 288L、FM250、SM221和SM222等模块。主要用于粘合机和横切机各种状态信号的采集和控制信号的输出。

V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和FM250等模块；主要用于过胶机和1号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。

V200站2：主要包括SM222、SM232和FM250等模块；主要用于2、3号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。

第二级为控制级，配备5台工业PC机。其中包括1台主操作站，1台过胶机操作站和3台瓦楞机操作站。主操作站设置在车间控制室内，其它各操作站设置在生产线的相应部分，完成现场级检测、控制、保护功能的管理。由一台HUB将各操作站组成局域网。各操作站功能独立，又能互为备用。它对级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储，完成所有控制指令的收集和发布，以各种方式(如流程图、趋势图等)表达整个生产线的运行状态。对系统功能的组态、流程图的制作、保护值整定、控制模型修改等工作也是在这一级的操作站上完成的。

第三级为管理级，配备了多台普通PC机、打印机，以及一台数据库服务器。其中PC机作为管理终端设置在相应的管理部门，打印机负责定期打印生产情况报表备档，数据库服务器负责接收、存储从监督控制级送来的各种实时数据、历史数据。各部门的管理人员可以随时通过管理终端机观察生产线的运行状态和定单执行等情况。管理级同时可接受管理部门管理数据的输入，完成订单管理，出货管理等功能。

2．2通信网络

由于在分散控制系统中广泛采用了多处理机的结构，所以处理机之间的数据通信变得极其重要。

现场总线技术作为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向。Profitbus是唯一的全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)现场总线解决方案，是一种不依赖于厂家的开发式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工、过程和建筑自动化领域。在该监控系统中，现场级3个PLC站之间利用Profitbus进行数据通信，实现了纸板生产线状态数据的采集和控制信号的传递。

Ethernet以太网初是由Xeroex在20世纪70年代开发的—种连网传输方法，后来由Xeroex、数字设备公司(DEC)和Inbbb改进。这种灵活的技术可以运行在各种网络介质上，并在合理的开销下提供很好的容量。到目前为止，以太网是用于局域网的流行的逻辑拓扑结构。在该监控系统中，控制级操作站之间和管理级终端机之间采用Ethernet进行数据通信。实现了各操作站间的相互冗余备用以及管理数据的存取。

DCS各级之间的通信一直以来是工程技术人员关注的技术热点之一。该系统采用VIPA公司PC-CPU 288L自带的Ethernet端口很好的解决了现场级到控制级之间的通信问题。实现了现场实时数据向上输送和控制级信号的向下传递。由于控制级和管理级同时采用Ethernet，因此它们之间直接用集线器(HUB)相连，进行相互通信。

该监控系统中，将以太网(Ethernet)与现场总线相结合实现了PLC站之间、操作站之间、管理终端之间以及现场级、控制级、管理级之间的数据通信。

3软件设计

系统软件采用CONTROL LAB软件包，其层次结构如图2。

现场级V200 CPU站采用了快速可预测实时内核，其周期性工作的时间稳定性(Jitter-Time)可达2微秒(300MHZ CPU)。PLC和硬件模块及现场总线的数据交换均在实时任务中进行，保证了这类数据交换在操作系统中的延时不超过几个微秒。控制任务作为实时任务执行，其短工作周期可达0．01毫秒。

PLC监控程序采用图形化组态工具ControlChart编制，该工具是一种基于IEC1131-3流程图形语言的开发式控制软件，符合工业标准。工程师在控制级操作站上即可利用现成模块进行自由组合、在线观察和调试，极大地缩短了控制系统的调试时间。瓦楞纸板流水线的控制任务主要进行线上各机组运行速度协调。速度调节中粘合机作为主机，过胶机、修边机、横切机和堆叠机与主机同步运行。该监控系统速度控制流程图如图3所示。

ZJL、DJL、DDCL和SJCL分别对应纸浆量(瓦楞机)、堆积量、订单产量和实际产量，根据以上量的测量数值对粘合机和瓦楞机速度进行相应的调节。

在控制级和管理级软件基于bbbbbbS NT平台，采用易学易用的Visual Basic6．0进行编程，其中采用ActiveX、OPC、TCP／IP等国际通用技术和标准，用户可以极方便的与其他软件系统进行自由通讯和进行功能扩展。控制级操作站检测画面主要有总操作图、瓦楞机监测图、粘合机检测图、过胶机监测图、修边机监测图和横切机监测图。管理级终端包括订单管理画面和出货管理画面等。

4系统功能

在软硬件基础上实现的瓦楞纸板生产线监控系统功能如图3所示。监控系统功能分为监控和管理功能。监控主要是工况显示和生产操作，管理主要是订单管理和出货管理。

4．1工况显示

在控制级的操作站以及管理级的终端机中显示现场采集来的生产线状态数据，主要包括：生产中的纸板品种，尺寸规格；现时各机组生产速度、电机电流；瓦楞机原纸堆积量；粘合机出纸量、各段温度；现时的实切张数，订单的总张数，还欠实际张数；成品，不良产品的数量(不良品人工输入)原纸剩余长度等。显示方式包括数字、柱状图和趋势图等。在此基础上进行速度、电流、温度、堆积量等过限报警。

4．2生产操作

根据现场采集的信号，监控软件可以自动对生产线进行相应的控制，主要有：

(1)正常情况下，以粘合机作为主机进行全线单一速度的控制，其它机组能根据自身的工艺要求适应性的同步加速或同步减速。

(2)自动侦测瓦楞机纸板堆积量并能自动调节相应机组的生产速度，当堆积量超过上限时，自动增大粘合机以及其它相关机组的速度。在紧急情况下，可以对生产线进行紧急减速。

(3)根据管理人员输入的产品规格，在订单执行初期自动调节修边机、横切截的刀线，并能够在生产过程中自动调整。

(4)由订单的总张数和尺寸，自动运算出所需生产的总米数，各主要机台便能因自身的实际机组距离，生产出相应长度的楞纸。

同时监控软件设置了自动和手动两种控制方式，工作人员可以在手动方式下根据情况对生产线进行相应的控制。

4．3订单管理

订单管理是在生产操作功能的基础上实现，其主要功能有：

(1)管理人员可以在办公室终端机输入当日之订单，包括接单日期，订单号，客户类别，纸质，纸宽，交货日期等数据。根据纸质，纸宽打印各月份接单统计表。

(2)根据订单所要求的纸质，交货日期以及生产线状态，监控程序可以自动执行新订单。同时工作人员也可以根据情况，手动让系统执行新订单。

(3)实时记录订单的完成情况，根据订单完成情况，定期打印订单生产情况报表。

同时在数据库服务器中设置了用户权限，因此可保证定单数据的安全。

4．4出货管理

出货管理主要将已安排生产的订单以挑选方式排出作为出货定单。管理人员输入出货单之运费价格、车号、装车时间、装货规格品种、数量等，并列出当日或当日货运明细表。同时包括退货单的输入、更正和删除等。

5结束语

嘉隆瓦楞纸板生产线DCS采用3级结构，采用Ethernet与现场总线相结合的方式进行数据通信，大量采用冗余技术，实践表明，该系统开放性和容错能力高，系统重新定义容易，可扩展性和可维护性好。采用以实时内核为基础的系统软件，进行系统的功能定义和采集控制算法程序的编写，系统的稳定性相对较好。

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