西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8功能介绍

西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8功能介绍

　1 引言

　　徐州金港大酒店的中央空调系统原是20世纪80年代采用百事图(Brist01)压缩机有限公司的全封闭制冷压缩机，该系统采用两组制冷回路，每个回路由三台压缩机制冷，在一个回路不工作时，另一回路仍能正常运行。该套机组本从美国进口，元器件性能优良，装配规范，运行稳定，但逻辑控制部分采用继电器控制。元器件数量多，接线复杂。进入21世纪，随着科技的发展，先进控制技术及设备的不断涌现，空调技术和性能得到了很大进步，空调开始向大功率，多功能，无氟，节能，智能化，人性化方向发展，原控制系统的落后状态逐渐暴露，并且近些年来，随着元器件的日益老化，故障率显著上升，维修成本增加，而且采用的是二位式的控制，耗能巨大，对系统的正常运转已经构成威胁，因此，应用先进的自动化控制技术，对其设备进行改造已是迫在眉睫。

　　2变频空调工作原理

　　中央空调系统如图1所示，是由一系列驱动流体流动的动件(如水泵及压缩机)、各种型式的热交换器(如冷却风机、蒸发器、冷凝器及中间热交换器等)及连接各种装置的管道、阀件和电气控制装置组成。

　　冷水机组是中央空调的“制冷源”、“心脏”，通往各个房间的循环水由冷水机组进行”内部交换”，在蒸发器中吸热后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后变成常温高压液体，经节流阀(膨胀阀)进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂循环过程。冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从冷水机组流出的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量，使房间内的温度下降。冷却水循环系统，由冷却泵和冷却水管道及冷却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷水机组，如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹人房间，加速房间内的热交换。

　　3系统方案的确定

　　根据改造的中央空调系统的控制特点和节能要求，涉及的主要控制对象为6台压缩机组和两台水泵的变频控制，另外还有部分相关的保护装置。压缩机和水泵都采用变频器控制，以降低能耗和**控制精度，各种触点和逻辑控制则选用现在广泛使用的可编程控制器(PLC)，系统的框图如图2所示：

　　该压缩机机组型号为I.SZ.42，采用全自动运行方式，单台输入功率22kW，具有高压安全阀、高低压控制器、冷却水和冷媒水断水、电机过载等主要的安全保护装置。两台水泵电机功率分别为18.5kW和22kW。根据控制系统的实际情况计算系统的输入输出点数，本着节约元器件，降低成本的原则，选用1台西门子s7一226型PLC作为控制器，2块EM232模拟量输出模块，3块EM231模拟量输入模块。CPU226集成了24输入，16输出，共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O点，或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器。2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通信编程口，具有PPI通信协议，MPI通信协议和自由方式通信能力，可完全适应于一些复杂的中小型系统。压缩机变频器选用日本安川公司的电流矢量控制通用变频器CIMR.F'/A2075，额定输出容量为110kVA，它的调制方式为优化空问矢量PWM控制，控制方式为V/F控制，具有转矩**，点动、制动、多速运行、自动电压调整、任意设定V/F曲线及与上位机通讯等功能，完全可以满足改造系统的要求，其频率控制由PLC输出的模拟量来决定。对于两台水泵的控制，由于其功率的不同，采用两台变频器分别控制，选用适合于风机泵类负载使用的三菱新一代FR一700型变频器，此种变频器内置噪声滤波器，带有浪涌电流吸收回路，还具有先进的寿命诊断及预警功能，安全系数大，具有自动和手动两种操作方式，手动信号由控制柜门板上的电位器给定，自动信号通过压力变送器(4～20mA)电流构成。更为方便的是，FR.700自带有节能监视功能，通过操作面板，输出端子(0～10V，4—20mA)和人机通信即可显示出节能的效果。

　　系统设置了超温延时报警，因此，当冷凝器进水温度高于警报功能中设定的温度上限值时，计时功能启动，延迟一段时间后，如水温仍偏高，温控器发出报警信号，输入PLC，相应保护环节动作。冷媒水系统中系统进、出水压力差的测量采用西门子公司的QBE61.2差压型智能变送器，该变送器精度达0.1级，并具有遥控设定、数据通信、自诊断等功能。其余的部分显示电路和辅助电路的控制依旧保留原来系统。而对冷媒水温度的检测元件则选用西门子公司生产的专门用于暖通空调系统的温度控制器RWC32，该控制器是完全独立作业的电子式温度控制器，带有用于暖通空调的P或PI调节，可接两组Nil000传感器温度输入及一组无源数字输入，输出信号电压范围是DC0—10V，温度检测范围可达一35。C一130。C，精度-t-O.5。C，所有数据参数的设置、修改均可直接通过控制器上的按键进行，并具有LCD显示。

　　4变频空调Pl_C控制系统硬件构成

　　改造后的PLC硬件接线图如图3所示：

图3给出了PLC控制压缩机的硬件接线图，根据系统要求，以PLC为控制核心，将6台压缩机改造成变频控制方式，采用一台变频器拖动三台压缩机的方式，6台压缩机共需2台变频器。其变频器接线如图4所示。

　　5系统软件设计

　　根据控制要求，对压缩机和水泵的控制方式可分为自动和手动两种。当系统工作于自动状态时，控制系统根据冷媒水的温度反馈信号，使用变频器通过对压缩机电源频率的改变来对冷媒水的温度进行自动控制，使其达到空调系统所要求的温度。当冷媒水的温度降至90C时，系统将自动停机。此后以4分钟为单位延时，并不断检测冷媒水温度，待冷媒水的温度升至11.8℃时系统将自动开机。

　　当系统工作于手动状态时，压缩机电源的频率不能根据冷媒水的温度自动进行变化，它的频率将由控制箱门上的给定电位器设定和调节。当冷媒水的温度降至7℃时，系统将自动停机，此后以4分钟为单位延时，并不断检测冷媒水温度，待冷媒水的温度升至11。8't2时系统将自动开机。

　　对冷却水系统采用温度控制器测量冷凝器进水温度作为水泵变频控制系统被调参数，对冷媒水系统采用压力变送器测量系统进、出水压力差作为被调参数。利用PLC对水泵电机、变频器、传感器、变送器与电柜之间的电气连接进行协调控制。

　　根据控制要求编写的控制压缩机主程序流程图如图5所示，整个软件的编写采用梯形图，简单明了，分为MAIN、SBR0、SBRl和INT0四部分，之间通过相应的语句联系起来，其核心的部分是进行PID算法的编写和模拟量的处理，虽然采用的PLC内部资源带有P1D算法模块，给编程提供了方便。但是对程序的调试还是比较困难，主要是对Kp、K，和Kd三个参数的确定。由于中央空调是一个纯滞后、大惯性系统，调试本身费时费力，再加之缺乏经验，参数的设定仅凭理论指导，难免要走弯路。

　　该系统改造以来，已经连续运行3年多，无任何故障，在实际运行中发现变频器频率经常在43—30Hz之间，冬季采用手动调节时，运行频率曾下调至25Hz，很显然与常规的起、停恒转速控制相比，节能效果非常显著。

　酸雨是环境的主要污染源之一，“十一·五”期间，减排SO。成为中国环境保护的重点。钢厂烧结烟气脱硫作为保护环境及对大型污染源的排放进行控制的一项重要措施，对减少S02排放、**人们生活质量有着重要意义。笔者针对二氧化硫总量削减目标中2006年必须开工建设的重点项目——河北省某钢厂二烧50 m2机头烟气脱硫项目，结合密相干塔烟气脱硫方法，采用西门子S7—300系列PLC为主站，对控制系统的硬件和软件进行了设计。

　　1 工艺简介

　　从钢铁生产的工艺流程分析，钢铁生产过程产生的SO2主要来源于烧结工序。烧结工序外排SO2所占比例在50%左右。国外在20世纪70年代就开始对烧结烟气进行脱硫，但我国钢铁企业有烧结机烟气脱硫设备和脱硫措施的还很少。密相塔烟气脱硫方法是一种新型的半干法脱硫工艺，该法具有耗水量低、投资运行费用低、无腐蚀、无废水产生、对不同S02浓度的烟气及负荷变化的适应能力强等优点，适用于烧结脱硫。该脱硫系统主要由脱硫塔、增压风机、加湿器、循环系统等组成，其原理如图1所示。

　　图1中，干粉状的钙基脱硫剂与塔下部、布袋除尘器收集的大量循环灰一起进入加湿器内进行增湿活化，然后进入塔内与含二氧化硫的烟气进行反应，从而达到脱硫的目的。反应塔内设有的搅拌器能够起到搅拌、破碎作用。处理后的洁净烟气通过增压风机由烟囱排出。脱硫剂可以不断循环利用，脱硫效率可达95%。针对该工艺，我们进行了监控系统的设计。

　　2 监控系统的硬件构成

　　监控系统选用西门子公司的SIMATICS7—300系列PLC产品，包括：CPU 315—2DP中央处理单元模板，SM 321数字量输入模板，SM 322数字量输出模板，SM 331模拟量输入模板，SM 332模拟量输出模板，接口模板，电源模板等。脱硫系统主站通过多点接口MPI子网与安装CP5611卡的上位机(操作员站、工程师站)通讯，同时通过PROFIBUS现场总线与从站通讯。系统的上位机选用研华工控机，完成系统的组态、监控画面、数据存储等功能。

　　烟气分析选用BK孓3000型烟气在线监测系统(CEMS)，采用抽取式伴热采样方式分析烟气成分，检测点分别设在脱硫装置的进口和出口烟道上，通过PROFIBUS现场总线与脱硫主站联网，为实现闭环控制和性能考核提供数据。CEMS系统主要包括GSP-3000型烟气采样器、KSP-I-1000D型颗粒物分析仪、KPv-2000型温压流分析仪、MGA-3000型多组分气体分析仪以及吹扫气过滤系统、伴热温控系统等装置。采样探头具有吹扫和自清洁装置，并具有耐高温、抗腐蚀的性能，末端的过滤器采用陶瓷材料，避免杂质渗入到样气系统中。**监测探头使用耐酸不锈钢材料，热电阻采用不锈钢套管，以保证在高温和腐蚀性环境中的连续工作。

　　3 系统软件设计

　　系统软件编程由PLC编程和上位机组态编程两个部分组成，分别选用西门子STEP7V5.3梯形图编程软件和力控PcAut03.62组态软件。STEP7是可编程控制器S7—300/400的编程语言，包含了自动化项目中从项目启动、实施到测试以及服务每一阶段所需要的全部功能。

　　3.1 STEP7软件设计

　　软件编程采用结构化方法，将控制系统分解成功能上相对独立的组成部分，通过对应的控制功能块(FB、FC)来加以编程，然后通过系统组织块OBl将这些控制功能块及编制的中断动作功能块组成一个整体，来实现对系统的可靠、高效的实时监控。这样的结构优点在于**了整个控制系统的可维护与可扩展性，可以根据生产的需要很方便地将某一部分控制功能从原控制系统中去除，也可以随着生产的发展很方便地加入其他功能。

　　图2为系统的主要控制框图，在系统控制逻辑的设计中，我们考虑到以下几个方面。

　　1)该系统在启动和停机时有多个设备参与的动作，不同的设备有不同的时序要求。例如在系统启动过程中，启动轴流式增压风机以前，为防止过载，要求关闭进风阀、关闭前导叶、打开出风阀。当增压风机启动，其主电机正常运行后，要在1 min内将进风阀打开并将前导叶调至所需开度，否则会导致失速;在启动和关闭循环系统时，要按照一定的时序和联锁关系，否则会导致物料堵塞、传动电机过载。根据这些情况，我们把系统启动逻辑专门独立出来，便于系统调试与维护。

2)系统根据故障后果的严重程度划分故障级别，对故障进行自动监测、报警和处理。当发生故障时，能够自动检测故障位置，并根据事先设定的故障级别进行处理，同时进行声光报警。如果发生影响整个系统安全的严重故障时，系统能按照预先设计的停机逻辑进行自动停机。

　　3)由于使用的是新工艺，考虑系统的可靠性和安全性，控制系统设计包含三种运行模式：就地操作箱手动控制模式、远程自动控制、远程软手动控制模式。系统通过自动模式实现系统联锁启动和联锁停机，远程软手动模式可以在上位机实现单个设备点动，这种模式可以方便调试阶段的运行。系统正常运行时，通过编制的程序，可以在就地操作箱实现远程和就地无扰切换，便于现场检修和处理故障。

　　3.2反应温度控制回路设计

　　在反应过程中，脱硫塔出口烟气温度与烟气绝热饱和温度之差(近绝热饱和温度出)对脱硫效率和稳定运行起着重要作用。出越小，蒸发越慢，液相存在时间也越长，脱硫剂与烟气中SO。的离子反应时间长，脱硫效率越高。另一方面，必须保证脱硫剂到达脱硫塔出口前完全干燥，以及整个脱硫系统在露点以上安全运行，否则将引起系统粘壁阻塞和结露。根据工程综合考虑，出控制在10℃左右。

　　系统采用以下方案：在控制过程中，根据锅炉负荷、烟气温度函数关系曲线和脱硫塔人口烟气量计算得出锅炉烟气热量，与循环灰加湿水量、降温喷水量总和计算得到的吸热量进行比较，两者偏差作为改变喷水量的前馈信号，脱硫塔出口温度作为微量调节的偏差校正信号。调节回路采用串级调节方式：上级调节器为温度调节器，下级调节器为喷水量调节器，当温度变化时，调节喷水调节阀的开度使水量相应变化。温度检测采用PTloo热电阻并选用不锈钢保护套管，由于其在信号响应上有一定的滞后，因此在调节回路中增加了负荷突变的微分环节，以改善系统的动态响应特性。

　　3.3上位机软件开发

　　上位机组态软件采用北京三维力控PcAuto3.62，用以实现上位机和PLC的通讯和设备状态显示，软件具有根据用户权限级别登录、查阅历史纪录、趋势分析和报表打印等功能，使操作者可以方便地对系统运行所产生、收集的各种数据进行统计和处理。操作人员可以对整个系统的运行情况进行有效的监控，并可根据现场的实际情况，在上位机对某些自控设备等进行软手动、自动问无扰切换，从而灵活地参与控制。同时，利用PcAuto提供了“控制策略”的计算推理功能，由上位机来进行机电设备故障诊断专家知识的获取和存储，若发现系统有故障，经过判断推理，上位机会给出具体故障的部位及排除故障的技术路线。这样可以及时发现和解决系统问题，**系统的可靠性和安全性。

　　4 系统调试与运行

　　为了高效优质完成调试工作，确保工艺试车进度，并实现长期、安全稳定生产的目标，脱硫控制系统实施了以下调试步骤。

　　1)对已经编写好的程序进行审核，验证其设计的合理性。

　　2)在工控机上使用仿真软件进行模拟试运行与测试，对发现的潜在问题进行调整。

　　3)在设备运行条件满足时，进行分部调试，即对各设备、电气及仪表进行检查与校订，并对机电设备进行空转试验。在设备具备运转条件后，再对主要设备如增压风机、脱硫塔搅拌器等进行连续运转试验，检查其运行工况。检查过程中，各设备运行正常。

　　4)在冷态试验中，检查FGD系统的控制逻辑。在程序启动控制逻辑检查核对完好后，进行紧急跳闸试验，检验系统在事故状态时是否按预定的方式动作。试验中各项内容符合设计要求。

　　5)冷态试验完成后，系统在锅炉带负荷下进行热态调试试验。热态试验的主要目的是进一步检测系统的脱硫效率、设备运行性能以及确定优化参数。系统较好地完成了上述调试。从调试结果来看，控制系统程序运行正常，满足设计要求。

　　5 结束语

　　经过适当的硬件配置、软件设计以及调试，以西门子S7—300系列PLC为主站的控制系统基本上实现了密相干塔烟气脱硫工艺流程监控的自动化，并具有很好的稳定性、安全性和可维护性，达到了设计要求。密相干塔烟气脱硫系统在烧结脱硫中已经完成中试，目前已完成建设并投人试运行，效果良好。同时，由于密相干塔烟气脱硫工艺较新，更多的相关理论还需在实践中不断研究和总结，使其更加完善，在生产中更好地发挥作用。