西门子6ES7 212-1BE40-0XB0技术参数

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1  引言
　　天然气发电机组是顺应国家节约能源的号召及当前能源紧张的局势下发展起来的。以往的小型发电机组大都以柴油机为动力，当前柴油供应紧张而且价格大幅提升，而大部分煤矿产生的天然气又仅仅通过燃烧的方式处理掉，无法有效的利用。针对以上情况国内某柴油机厂开发了以天然气为原料的天然气发电机组。本文介绍基于和利时公司LM系列PLC的天然气发电机组应用实例。

2  天然气发电机组自动化控制系统的组成
　　天然气发电机组监控系统主要有上位PC机、触摸屏、PLC组件（数据采集与控制部分）、现场仪表等组成，如图1所示。

　　该天然气发电机组监控系统要求上位机通过串口通讯的方式采集现场的温度、压力、速度、天然气浓度、蓄电池电压等数据，要求现场控制设备对以上参数作出判断产生相应的报警信号或是停机信号，对于各个参数报警值要求能通过上位机或是触摸屏修改并保存。该天然气发电机组控制系统以前采用单片机进行数据采集与控制，单片机程序的可读性差，系统不易维护，程序更改复杂。而且由于单片机控制系统的可靠性和抗干扰能力较差，在现场恶劣的环境下，该控制系统经常出现故障。对运行环境进行了现场考察和反复研究，在可靠性、稳定性、方便性等方面做了大量工作，提出了基于和利时公司LM系列PLC的解决方案，采用**、实用、可靠的PLC组件进行数据采集与控制。
该系统需要与上位机、触摸屏通讯，而且现场共有31路温度信号，6路压力信号，2路4-20mA电流信号，1路高速输入信号，9开关量信号，由于1个CPU大只能扩展7个模块，故采用两个CPU分别采集，数据共享进行控制并且将相关数据通过串口通讯的方式送到上位机以及触摸屏。
　　如图1天然气发电机组控制系统图所示，PLC模块分为两组，上面为组PLC，下面为第二组PLC，共采用2个LM3109 CPU，6个LM3311模拟量输入模块，4个LM3312模拟量输入模块，1个LM3310模拟量输入模块。系统的I/O点分配如表1及表2所示。

3  PLC系统介绍
　　上位机组态王监控软件与组PLC通过RS232口采用ModBus协议通讯，可以方便的监控和修改PLC的位状态和数据区数据，方便了客户管理层，提高了设备的可靠性。
　　触摸屏与第二组PLC通过RS232口采用ModBus协议通讯。
　　两PLC之间通过RS485口采用无协议通讯，实现了两PLC之间数据的共享，间接扩展了和利时公司LM系列PLC的扩展能力。
　　为客户订制了压力传感器专用模拟量输入模块，方便了客户。
　　热电偶、热电阻模拟量输入模块具有断线、短路等检测，提高了设备的可靠性。

4  PLC控制系统的优点
　　天然气发电机组自动化控制系统选用和利时公司的PLC取代了原系统中的单片机，较大程度地提高了系统的配置，增加了系统的灵活性，能够更好地满足用户的需求。本系统有以下优点。
　　（1）采集精度、分辨率高
　　和利时公司HOLLiAS-LEC G3PLC模拟量模块误差在0.2%以内，采用16位精度的数据寄存器。
　　（2）采集速度快
　　和利时公司LM系列PLC模拟量模块采集周期小于500毫秒。
　　（3）可靠性高
　　本系统的控制核心是和利时公司LM系列PLC，能够在恶劣的环境中长期、可靠、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。
　　（4）功能强大
　　和利时公司LM系列PLC的编程语言遵从IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表、梯形图和功能块图等编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能模块，包括各种通讯功能模块、可以具体到年月日和时刻的多种定时器和超长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。

1 概述
　　胶囊是轮胎加工时必备的配件，在轮胎硫化过程中，胶囊需要经受反复的膨胀和收缩、拉伸等变形，还要经受急剧的升温和冷却，因此对胶囊有很高的性能要求。
　　胶囊硫化是胶囊生产中重要的一道工序。胶囊硫化是将胶囊的胶料经过适当加工后制成的半成品在一定的压力和温度条件下，通过化学作用，将半成品制成胶囊外型，并获取符合轮胎加工的使用性能的工艺过程，因此胶囊硫化是胶囊获得优质的使用性能的关键工序。
　　胶囊硫化机是完成胶囊硫化所需的设备。胶囊硫化机通过控制上芯杆、下芯杆和主油缸的动作，组合成一定的芯模腔，形成胶囊硫化所需的压力。同时通过控制蒸汽的进入以控制硫化所需的温度。硫化过程包括合模、紧模、保压硫化、启模等。
　　对现代硫化机有以下要求：
　　高质——能严格按照工艺参数工作，保证硫化质量，降低次品率；
　　高效——能提高工作效率，减少各环节的工作时间，提高生产率；
　　低故障——故障率低，能尽量减少人为操作不当引起的故障，提高设备的稳定性；
　　远程监控——能远程监控各硫化机的当前状态，并记录近一段时间的工作参数，便于查询，实现精益控制。
　　目前国内很多胶囊硫化机依然采用传统继电器电路控制，无法进行**的压力、温度和时间控制，胶囊质量得不到保障，并且故障率高。也有部分硫化机采用PLC控制，但模拟量采集模块精度不高，网络延展性不好等因素，也限制了硫化机的性能。

2 系统设计
　　大部分胶囊硫化机采用液压系统。液压站包括电机和泵、电磁阀、换向阀、蒸汽阀等。液压站通过油路管道，来控制上芯模、下芯模和主油缸的升降动作。蒸汽阀控制蒸汽管路的通断。压力变送器和温度变送器用于采集系统的压力和温度。系统控制图如1所示。

　　胶囊硫化机控制系统采用LM系列PLC。LM系列PLC是和利时公司利用多年自动控制经验，经过多年研发，于2004年推出的新型小型一体化PLC。LM系列PLC以其性能稳定、质量可靠等优点，广泛应用于众多行业中，赢得了广大用户的好评。
　　根据输入输出点数，选择40点CPU模块LM3109和4通道模拟量输入模块LM3310。控制系统的开关量输入主要包括运行方式切换按钮、设置按钮以及各动作按钮等。系统的模拟量输入包括温度变送器信号输入和压力变送器信号输入。系统的输出包括电机、电磁阀、指示灯等。触摸屏用于输入参数，同时监控当前运行状态和时间。计算机作为远程监控的设备，同时可以与PLC连接，用于保存和监控胶囊硫化机的运行状态。
　　CPU模块：LM3109，本体集成24 DI / 16 继电器DO，其输出有4个公共端，具有一个RS232端口和一个RS485端口。
　　模拟量输入模块：LM3310，4路AI，可以采集0~10V、0~20mA、4~20mA等模拟量输入信号。

3 工艺流程控制
　　胶囊硫化机的控制，主要包括在硫化各个阶段，实现对压力、温度和时间的**控制，同时完成故障检测报警和参数记录以及通讯工作。
硫化机可以实现手动/自动两种运行方式。
　　手动状态下，上芯杆、下芯杆和主油缸均可实现升降的独立动作。硫化过程各步骤结束后返回总停状态而不会自动跳入下一步骤，需要手动按钮才能进入下一个步骤。
　　自动状态下，上芯杆、下芯杆等为组合动作而非独立动作。硫化过程的各步骤完成后能自动进入下一步骤而无须人工进行操作。在自动状态下，无法实现主油缸的升降动作。
在自动状态下，按下快速合模按钮后，硫化机开始自动工作，压力开始上升，当达到一定压力后自动转为高压紧模阶段，此时打开蒸汽阀，温度开始上升。当高压紧模时压力继续上升到设定值以后，自动转为保压硫化阶段。在该阶段，先判断温度是否达到设定值，假如没有达到，则继续升温，当温度达到设定值以后，进入保压硫化保持阶段，这个时候开始计时。当时间到达设定值以后，保压硫化结束，开始自动启模，其时间可设定。自动启模完成后，设备返回总停状态。这个时候可以人工按启模等动作按钮，完成后续脱模、晾模和上料工作。其工作流程图如下图所示。
胶囊硫化机控制系统可以实现多种报警，包括压力过低报警、升温超时报警、温度过低报警等，为系统自我诊断提供方便。

4 系统特点
　　利用LM系列PLC设计的胶囊硫化机控制系统，与目前绝大部分胶囊硫化机设备比较，具有如下优点：
　　1、 温度和压力控制精度高。
　　压力、温度和时间是硫化控制的三要素，其中压力和温度都需要通过模拟量模块采集至PLC。压力和温度控制的精度，决定了胶囊的使用性能。LM系列PLC模拟量采集模块LM3310采集精度高达0.2%，高于目前绝大部分品牌的PLC模拟量采集模块的精度。高精度的模拟量采集性能，为生产高质量的胶囊提供了保障。
　　2、 具有丰富的网络接口。
　　现代化企业对生产的管理要求越来越高，为加强技术管理与监督，提高产品的质量和设备的稳定性，就要求设备能提供丰富的网络接口，满足其监控需求。LM系列PLC的CPU模块LM3109本体就自带RS232和RS485串口，可独立实现通讯。既可实现本地设备的监控需求，也可满足远程网络监控需求而无须添加其余模块。同时，G3系列PLC还有现场总线扩展模块和工业以太网扩展模块，为满足一些特殊需求提供了便利。
　　3、 可实现本地保存工艺参数。
　　LM系列PLC的CPU模块LM3109自身带有6K的掉电数据保持区，可实现工艺参数的本地保存。为特殊状态下数据保存提供了方便。同时，LM3109还具有实时时钟功能，能记录和显示当前时间。
　　4、 快速的输出性能。
　　硫化过程有大量的机械动作需要控制，包括高压泵和低压泵电机的启停，蒸汽阀、液压阀的开合等。PLC从信号发生到响应是有一定延时的。在大部分情况下，这种延时不会带来太大的影响。但在某些时候，诸如当压力到达硫化压力，高压紧模结束转为保压硫化的时候，需要高压泵立即停止。瞬间的延时都可能导致压力继续快速上升。压力过高，胶囊硫化时可能产生老化，脱硫等不利影响。因此这个时候就需要PLC在判断到压力到达后能立即输出信号，停止高压泵的动作。LM系列PLC拥有高性能的输出特性。首先，LM3109具有立即输出功能，即可以不受扫描周期的影响而立即输出信号，缩短了信号响应的时间。其次，CPU独特的通讯处理，使得在与触摸屏或者计算机通讯时不会占用PLC程序运行时间，PLC程序不会中断，同样提高了设备的实时性。